课程设计家用电风扇控制逻辑

1 综述

经过几十年的发展，虽然电风扇产品趋于饱和，国内市场产大于销的局面已经形成，但家用电风扇因为它独特的产品特点，并没有就此推出家电舞台。曾有人预言，随着人们生活水平的提高，电风扇将会退出历史舞台，但事实并非如此，从目前的情况来看，电风扇市场的需求量仍保持高位。

目前，人们家庭所有的电风扇正越来越多地采用电子控制线路来取代原来的机械控制器，这使得电扇的功能更强，操作也更为简便。

而本设计在老式电风扇的基础上，增加了“风速”和“风种”的状态选择，使其更为方便，更加满足人们的要求。在本设计中，通过从数字电子技术中学习到的知识，对其各部分（风速控制、风种控制等）电路进行数字逻辑设计，然后进行电路组装与调试，从而形成一个完整的电风扇的控制电路。

家用电风扇控制逻辑电路设计

2 方案设计

2.1 设计方案

目前，人们家庭所有的电风扇正越来越多地采用电子控制线路来取代原来的机械控制器，这使得电扇的功能更强，操作也更为简便。图2-1为电扇操作面板示意图。

图2-1 电扇操作面板示意图

在面板上有六个指示灯指示电扇的状态。三个按键分别为选择不同的操作－风速、风种、停止。其操作方式和状态指示如下：

1）电扇处于停止运转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键K1，电扇才会启动运转，其初始工作状态为“风速”处于“弱”档，“风种”处于“正常”

位置，且相应的指示灯亮。定时器处于非定时状态，即电扇处于长时间连续运转状态。

2）电扇一经启动后，再按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的一种状态；同时，按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。

3）在电扇任意工作状态下，按“停止”键电扇停止工作，所有指示灯熄灭。

4）用三个按键K1、K2、K3分别表示“风速”、“风种”、“停止”三种操作功能。

5）用六个发光二极管分别指示“风速”和“风种”的三种状态。

6）电扇在停转状态时，只有按“风速”键才有效，按其他两键不响应。

风扇操作状态的所有变换过程如图2-2所示。

图2-2 电扇操作状态转换图

2.2 可选用的器材

1）数字电子技术实验系统

2）直流稳压电源

3）集成电路：74LS74、74LS151、74LS175及门电路等。

4）发光二极管、电阻

5）按键开关

3 设计方案原理

3.1 状态锁存器

“风速”、“风种”这两种操作各有三种工作状态和一种停止状态需要保存和指示，因而对于每种操作都可以采用三个触发器来锁存状态，触发器输出1表示工作状态有效，0表示无效，当三个输出为全0则表示停止状态。

为了简化设计，可采用带有直接清零端的触发器，这样将停止键与清零端相连就可以实现停止的功能，简化后的状态转化图如图3-1所示。

图中横线下方数字×××为Q2、Q1、Q0的输出信号。

家用电风扇控制逻辑电路设计

根据图3-1状态转化图，利用卡诺图化简后，可得到Q0、Q1、Q2的输出信号逻辑表达式（它们可适用于“风速”和“风种”电路）：

10101101

21n n n n n

n n

Q Q Q Q Q Q Q +++=?==

触发器可选用4D 上升沿触发器74LS175构成。

（a ）风速

（b ）风种

图3-1 电扇简化操作状态转换图

3.2 触发脉冲的形成

根据前面的逻辑表达式，可以利用D 触发器建立起“风速”及“风种”锁存状态电路，但这两部分电路的输出信号状态的变化还有赖于各自的触发脉冲。在“风速”部分的电路中，可以利用“风速”按键（K1）所产生的脉冲信号作为D 触发器的触发脉冲。而“风种”

部分电路的触发脉冲CP 则是由“风速”（K1）、“风种”（K2）按键的信号和电扇工作状态信号（设ST 为电扇工作状态，ST=0停，ST=1运转）三者组合而成的。当电扇处于停止状态（ST=0）时，按K2键无效，CP 信号将保持低电平；只有按K1键后，CP 信号才会变成高电平，电扇也同时进入运转状态（ST=1）。进入运转状态后，CP 信号不再受K1键的控制，而是由K2键所控制。由此，我们可列出如表3-1所示的CP 信号状态表，并可得到其输出逻辑表达式：

12CP K ST K ST =+

式中K1为风速键的状态，K2为风种键的状态。

由于ST 信号可由“风速”电路输出的三个信号组合而成。因而从表3-2所式的ST 信号状态表可得

012ST Q Q Q =

当ST=0时，表示电扇停转。 当ST=1时，表示电扇运转。

最终，可以得到CP 的逻辑表达式：

10122012CP K Q Q Q K Q Q Q =+

表3-1 CP 信号状态表

K2 K1 ST CP 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1

1

1

1

家用电风扇控制逻辑电路设计

表3-2 ST信号状态表

强（Q2）中（Q1）弱（Q0）ST

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

3.3 电机转速控制端

由于电扇电机的转速通常是通过电压来控制的而我们要求有弱、中、强三种转速，因而在电路中需要考虑三个控制输出端（弱、中、强），以控制外部强电线路（如可控硅触发电路）。

这三个输出端与指示电扇转速状态的三个端子不同，还需要考虑“风种”的不同选择方式。如果用1表示某挡速度的选通，用0表示某挡速度的关断，那么“风种”信号的输入就使得某挡电机速度被连续或间断地选中，例如风种选择“自然”风，风速选择“中”时，电机将运行在中速并开“4秒”停“4秒”，反映到面板上为L2和L5灯亮。表现在转速控制端“中”上就是出现连续的1状态或间断的1和0状态。

4 系统工作原理图

根据题目的具体要求，要求电扇逻辑控制电路系统电路原理图如图4-1所示。

图4.1 家用电风扇控制逻辑电路原理图

5 系统工作原理图说明

5.1 状态锁存器电路

“风速”、“风种”两种状态锁存器电路均采用二片4D触发器74LS175构成，每片三只D触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74LS175的清零端（R）均与停止键（K3）。

5.2触发脉冲电路

键K1按动后形成的触发信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。

键K1、K2及部分门电路74LS00、74LS08构成了“风种”状态电路触发信号CP。

电扇停转时，ST＝0，K1＝0，故图中与非门U2输出为高电平，U3输出也为高电平，因而U4输出的CP信号为低电平。当按下K1键后，K1输出高电平，U2输出低电平，故CP变为高电平，并使D触发器翻转，“风种”功能处于“正常”状态。同时，由于K1键输出的上升沿信号，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，ST＝1。电扇运转后，U2输出始终为高电平，这样CP信号与K2的状态相同。

家用电风扇控制逻辑电路设计

每次按下K2并释放后，CP信号上就会产生一个上升沿使“风种”状态发生变化。在工作过程中，CP的波形图如图5-1所示

图5-1 CP的波形图

在系统电路原理图4-1中，K1平时为低电平，而K2平时为低电平，在实验时，可选用实验箱中的单次脉冲开关表示K1、K2。

5.3“风种”三种方式的控制电路

在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。系统电路原理图中，采用74LS151（8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，由74LS175的三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入，如图5-2所示波形。

图5-2 “风种”三种工作方式波形

6 课程设计体会

经过一个星期的数电课程设计，我学到许多数电课程上没有学过的新知识，同时也复习了学过的旧知识，丰富了自己的学习经验。从拿到课程设计题目开始到设计出可行的方案并成功调试通过，我体会到了设计的乐趣。同时切身感受到了理论要紧密结合实际，而且其过程是充满乐趣与挑战的。在遇到的问题一一解决的过程中式充满兴奋与快乐的。通过这次设计，不但增强了自己的动手能力，而且加深了以前学到的知识，同时在通过各种途径解决问题的时候学到了许多以前没有学到的知识。这个数电课程设计不仅用到数电的知识，而且还用到了其他的一些知识。

这次设计，我在拓宽了自己的视野，激发了自己的兴趣的同时，理论和实践结合的程度进一步提高。在没有进行课程设计之前，我总觉得书本上学的东西太少，而且不知怎么使用，理论跟实际联系不够紧密。现在我对数字电路的设计有了一定的认识，也对它产生了浓厚的兴趣，并基本用有了将书本上的知识与实际设计相结合的想法和能力。与此同时，我加深了对模块化设计思想的理解。在事件涉及中，要善于运用编程里的模块化思想，把较复杂的系统划分成一个个小功能模块来实现。这些小功能模块相对简单，既容易实现，也便于调试，最后将这些小模块组合在一起，基本上可以实现系统整体的功能了。最后，自己解决问题的能力得到了锻炼。调试过程可以说是最重要而又最艰难的过程，在此过程中，经常会碰到许多不可预料的问题，这是，就需要我们静下心来，慢慢分析原因，检查整个逻辑电路，排除错误。这无形中就加强了我独立解决问题的能力。总的来说，这次数电课程设计还是比较成功的，不仅锻炼

家用电风扇控制逻辑电路设计

了自己，也懂得了如何处理在设计中遇到的各种难题，使自己学会了处理问题的思维方式，加强了自己的实验实践能力，丰富了自己的实践经历。同时也要非常感谢老师对我们的大力指导，使我有决心和动力做好这一次课程设计，很好的锻炼了自己。

参考文献

[1]《电子技术基础》（数字部分）主编：康光华高等教育出版社

[2]《电子技术课程设计指导书》主编：艾永乐付子义焦作工学院电气工程系

[3]《数字电路与逻辑设计》主编：曹国清中国矿业大学出版社

[4]《电子技术课程设计》主编：历雅萍、易映萍高等教育出版社

[5]《电子线路设计、实验、测试》主编：谢美自华中理工出版社

[6]《经典集成电路400例》主编：任致程机械工业出版社

[7]《实用电子控制电路》主编：方大千、鲍萧伟国防工业出版社