课程设计报告家用电风扇控制系统完整版

电子课程设计

——家用电风扇控制逻辑电路设计

学院：电子信息工程学院

专业、班级：电子131501班

姓名：李思尚

学号：201315020109

指导教师：李小松

2015年12月

目录

电子课程设计____________________________________________________ - 1 -

一、设计任务与要求______________________________________________ - 4 -

1、基本要求_________________________________________________ - 4 -

2、提高要求_________________________________________________ - 4 -

二、总体框图（数字电路方案）____________________________________ - 4 -

1、风速、风种模块___________________________________________ - 5 -

2、脉冲触发模块_____________________________________________ - 5 -

3、输出控制模块_____________________________________________ - 5 -

4、定时模块_________________________________________________ - 5 -

5、复位模块_________________________________________________ - 5 -

6、秒脉冲发生器_____________________________________________ - 5 -

三、器件选型____________________________________________________ - 6 -

1、触发器___________________________________________________ - 6 -

2、计数器___________________________________________________ - 7 -

1）、计时部分计数器_______________________________________ - 7 - 2）、预设时间部分计数器___________________________________ - 8 -

3、数据选择器_______________________________________________ - 9 -

4、555定时器_______________________________________________ - 11 -

5、门电路__________________________________________________ - 12 -

1）、74LS08与门_________________________________________ - 12 - 2）、74LS04非门_________________________________________ - 13 - 3）、74LS00与非门_______________________________________ - 13 - 4）、74LS32或门_________________________________________ - 14 -

6、其他器件________________________________________________ - 14 -

四、功能模块___________________________________________________ - 14 -

1、各模块的设计思路和设计过程______________________________ - 14 -

1）、风速、风种模块______________________________________ - 14 - 2）、脉冲触发模块________________________________________ - 16 - 3）、输出控制模块________________________________________ - 18 - 4）、定时模块____________________________________________ - 18 - 5）、复位模块____________________________________________ - 19 - 6）、秒脉冲发生模块______________________________________ - 19 -

2、模块的具体连接关系电路图，功能介绍,及其仿真时序图_______ - 20 -

1）、风速、风种模块及脉冲触发模块________________________ - 20 - 2）、输出控制模块________________________________________ - 22 - 3）、定时模块____________________________________________ - 24 - 4）、复位模块____________________________________________ - 25 - 5）、秒脉冲发生模块______________________________________ - 26 -

3、功能模块硬件试验测试____________________________________ - 26 -

五、总体设计电路图_____________________________________________ - 27 -

1、整体电路设计图__________________________________________ - 27 -

2、系统不足及改进方案______________________________________ - 27 -

六、单片机方案_________________________________________________ - 29 -

1、采用单片机方案实现的总体设计框图________________________ - 29 -

2、器件选型________________________________________________ - 29 -

1）、主控芯片____________________________________________ - 29 - 2）、显示方案____________________________________________ - 30 - 3）、输入按键____________________________________________ - 30 - 4）、输出控制____________________________________________ - 30 -

3、程序流程框图____________________________________________ - 30 -

4、部分程序代码____________________________________________ - 31 -

七、总结体会___________________________________________________ - 33 -

家用电风扇控制逻辑电路设计

一、设计任务与要求

1、基本要求

1）、通一个按键控制，实现风速强、中、弱的循环切换。

2）、通一个按键控制，实现睡眠风、自然风、正常风三种风态的循环切换。3）、LED 显示当前状态：风速及风种。

2、提高要求

1）、按键提示音。

2）、定时关机功能（以小时为单位）。

3）、利用单片机实现该系统。

二、总体框图（数字电路方案）

状态设计图如图2.1所示。

图2.1 总体设计框图

系统整体设计框图如图2.1所示，系统共有七个状态，分别指示三种风速：弱、中、强；指示三种风种：正常、自然、睡眠；以及停止状态。通过三个按键开关分别控制电扇的风速、风种和停止。风速的弱、中、强对应电扇的转动速度慢、中、快。风种在“正常”位置是指电扇连续运行；在“自然”位置是电扇以运转4秒、间断4秒的方式工作，表示模拟产生自然风；在“睡眠”位置，电扇运转8秒，间断8秒，产生轻柔的微风。模块设计思路如下。

1、风速、风种模块

此模块的设计，风速和风种大致相同，可以通过使用D触发器组成状态锁存器，通过控制脉冲信号控制实现状态转换！由于要实现风扇停止状态下，按风种按钮无法实现风扇启动的功能，所以，风种的脉冲触发端要受风扇的当前工作状态和风速脉冲的总体控制。

2、脉冲触发模块

此模块专为风种和风速状态转换器提供脉冲信号，通过与非门连接按键和当前状态输出，实现脉冲的控制，实现为风种和风速提供状态转换的脉冲。此外，该模块通过连接按键和状态机的清零端，可以实现手动清零当前状态，让系统停止，实现停机功能。

3、输出控制模块

当风种和风速的状态确定后，两个模块要实现组合控制电机运转。此系统采用风种状态控制电机是否工作运转，用八路数据选择器按照风种状态进行地址选择，原始始终信号经过D触发器组成的分频器得到4S和8S的脉冲，接入数据选择器相应数据端，供风种状态进行选择，输出信号作为当前电机运转的使能信号，从而实现电机按风种模式间歇性运转。此外，电机还受风速控制，此系统采用，555定时器组成的多谐振荡器，通过调节R和C的值控制占空比和频率的输出，来为电机提供PWM信号，实现当前风速的输出。

4、定时模块

本系统可以实现以小时为单位的定时功能，通过一片十进制计数器的循环计数来实现1-8小时的定时设置，5片十进制计数器组成的倒计时器，通过循环置数实现倒计时功能，外接数码管可分别显示当前所剩时分秒！定时功能由按键触发启动定时。定时时间到达之后，生成复位触发信号，触发系统复位，清除当前状态，让系统停止运行。此模块还有按键提示音的功能，通过按键电平接入蜂鸣器，实现按下按键蜂鸣器响的功能。

5、复位模块

由于计时部分完成计时任务时返回电平信号，但是触发复位信号只能是脉冲信号，所以需要将电平信号转换为脉冲信号得到复位脉冲，本系统采用单稳态电路加一个脉冲触发翻转的D触发器实现将电平转换为脉冲的功能。

6、秒脉冲发生器

由于本系统需要实现计时功能，故需要用555设计一多谐振荡器，通过调整R、C参数，实现1HZ/1S的脉冲信号提供给计时系统使用。此外风种电路也需要得到秒脉冲四分频和八分频之后的脉冲信号，也需要用到秒脉冲发生器。

总结：通过六大模块的组合，最后此系统可以实现由停止工作状态，按下风速按钮系统启动，进入正常工作状态。正常工作状态下，按风速调节风速大小，按风种调节风种模式。在正常工作状态下，可以设置定时时间。定时完成后，系统自动停止运行。本系统智能化的实现了家用电风扇的常用逻辑功能，每种工作状态都有相应状态指示灯，按键提示音，很好地实现了智能化人机交互。

三、器件选型

1、触发器

本方案采用74LS175触发器，74LS175为四上升沿D触发器，共有54175/74175、54S175/74S175， 54LS175/74LS175 三种线路结构形式。当清除端（CR）为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟（CP）上升沿作用下，Q 与数据端（D）相一致。当CP为高电平或低电平时,D对Q没有影响。主要电特性的典型值如表3.1所示。

图3.1 74LS175逻辑符号图

74LS175逻辑功能如表3.2所示。

H—高电平 L—低电平

↑上升沿 X—任意

—规定的稳态输入条件建立前Q的电平

Z—高阻态 Q

74LS175内部原理图见图3.2所示。

图3.2 内部原理图

2、计数器

1）、计时部分计数器

采用74LS192计数器，74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。192的清除端是异步的，当清除端(MR)为高电平时，不管时钟端(CPD、CPU)状态如何，即可完成清除功能。192的预置是异步的。当置入控制端（）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端(QO～Q3)即可预置成与数据输入端(PO～P3)相一致的状态。192 的计数是同步的，靠CPD、CPU 同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下QO～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢时，进位端（）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。当把和分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联。

74LS192引脚排列及逻辑符号如图3.3所示。

图3.3 74LS192逻辑符号

74LS192器件逻辑功能见表3.3和3.4所示。

74LS192内部逻辑原理图如图3.4所示。

图3.4 74LS192内部逻辑原理图

2）、预设时间部分计数器

计时系统预设时间部分采用74LS160计数器，这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。

74LS160逻辑符号如图3.5所示。

图3.5 74LS160逻辑符号

74LS160器件逻辑框图如图3.6所示。

图3.6 74LS160内部原理图

3、数据选择器

数据选择器采用74LS151，74LS151为8选1

数据选择器（有选通输入端，互补

输出）共有54/74151、54/74S151、74LS151三种线路结构形式，74LS151主要电特性的典型值如表3.5所示。

数据选择端（ABC）按二进制译码，以从8个数据（D0-D7）中选取1个所需的数据。只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。

74LS151逻辑符号如图3.7所示。

图3.7 74LS151逻辑符号

74LS151逻辑符号如表3.6所示。

图3.8 74LS151内部逻辑原理

4、555定时器

本系统多次用到555定时器，用它构成多谐振荡器和单稳态触发器。555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型（又称TTL 型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管。555定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时器两种。

常用的单时基定时器有双极型定时器5G555（管脚排列如右图3.9所示）和单极型定时器CC7555。双时基定时器有双极型定时器5G556和单极型定时器CC7556。

555定时器器件逻辑符号如图3.10所示。

图3.10 555定时器逻辑符号

图3.9 555定时器管脚分布

图3.11 555定时器内部原理

5、门电路

本系统的采用74LS系列门电路，下面介绍器件特性。1）、74LS08与门

74LS08为4组2输入端与门，正逻辑。

器件逻辑真值表如表3.7所示。

L – Low Logic Level

74LS08器件内部逻辑框图如图3.12所示。

图3.12 74LS08器件内部逻辑框图

2）、74LS04非门

74LS04为六输入非门，74LS04逻辑真值表见表3.8所示。

L – Low Logic Level

74LS04内部原理图如图3.13所示。

图3.13 74LS04内部原理图

3）、74LS00与非门

74LS00为四2输入与非门，74LS00逻辑真值表如表3.9所示。

74LS00内部原理图如图3.14所示。

图3.14 74LS00内部原理图

4）、74LS32或门

74LS32为四组2输入或门，74LS32逻辑真值表见表3.10所示。

表3.10 74LS32逻辑真值表(Y=A+B)

H – High Logic Level

L – Low Logic Level

74LS32内部原理图如图3.15。

图3.15 74LS32内部原理图

6、其他器件

本系统其他器件主要为电阻、电容、按键及LED 灯。 1）、电阻采用金属膜电阻，金属膜电阻是迄今为止应用较为广泛的电阻，其精度高，性能稳定，结构简单轻巧。

2）、有极性电容主要采用常用铝电解电容，无极性用瓷片电容。 3）、由于按键主要用来采用触发脉冲，版系统采用点触按键，可以回弹。 4）、指示灯采用3mm 或者5mmLED 灯,导通电压1.8V-2.4V 。

四、功能模块

本部分将详细介绍各模块的设计思路和设计过程及其电路连接图。 1、各模块的设计思路和设计过程。 1）、风速、风种模块

风速和风种模块类似，均是三个状态的循环转换，这三种状态均需要状态锁 存器来保存其变化状态，再通过输入脉冲来改变它的状态。对于三个状态，各用 一个状态锁存器来保存相应的变化状态，下面将对模块的对三个状态进行逻辑设计。

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表示工作状态无效，当三个输出全为0，则表示停止状态。为了简化设计，可以考虑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。下

面以风速状态锁存电路为例详细说明状态锁存器模块的设计过程。 a 、状态图见图如图4.1所示。

b 、由图4.1所示的“风速”状态转换图可得如表4.1所示的风速转换状态真值

由图4.2求出Q n+1表达式如（4.1式）

0n+1=Q 1n Q 0n

1n+1=Q 0n （4.1） 2n+1=Q 1n

图4.1 风速状态转换图 图4.2 Q n+1的次态卡诺图 Q 2n+1Q 1n +1Q 0n+1

d 、驱动方程

若选用D 触发器来实现电路，则其驱动方程见（4.2式）：

D 0=Q 1n Q 0n

驱动方程

D 1=Q 0n (4.2)

D 2=Q 1n

e 、用D 触发器实现风速状态锁存器的原理性逻辑图如图4.3所示，电路采用同步时钟CP 控制

风种状态控制器同风速设计方法，这里不再赘述。 2）、脉冲触发模块

前述两部分锁存电路的输出信号状态的变化依赖于各自的触发脉冲。设K 按下为“1”，不按为“0”。在“风速”状态的锁存电路中，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”状态锁存器的触发脉冲CP 则应由“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。当电扇处于停止状态（ST=0）时，按键K2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，而由K2键来控制。

CP 信号与K1、K2及ST 的关系见下表4.2所示。

由此可以得出：

CP=K 1ST+K 2ST (4.3)

Q

Q

Q

表4.2 CP 状态真值表

在电路中，只有“风速”按键K1才能控制ST的变化，表4.3所示列出了电扇工作状态ST与“风速”状态锁存器输出的三个信号的关系。

表4.3 ST信号状态真值表

由表4.3可知，当Q2、Q1、Q0全为零时，电扇停转，ST=0，否则电扇运转于弱、中、强任一种状态，即ST=1，它要求“强”、“中”、“弱”三种状态中不能有两种以上同时出现。

由此可以得到ST信号的逻辑表达式：

ST=Q0+Q1+Q2即ST=Q0Q1Q2(4.4)

将4.4式代入4.3式，最终得到“风种”状态锁存器的触发脉冲CP的逻辑表达式：

CP=K1Q0Q1Q2+K2Q0Q1Q2(4.5)

下面，我们根据（4.5）式绘出CP脉冲电路如图4.4所示。

CP的波形如图4.5所示。

3）、输出控制模块

输出控制模块由两部分构成，通过与门合并控制电机运转。一部分为风种控制输出，一部分为风速控制输出。具体设计如下：

a 、风种输出控制，由于风种分为正常、自然、睡眠，各模式电机运转时间不同，所以可以用D 触发器构成分频电路，得到各风种模式的使能信号，用风种状态输出信号通过数据选择器选择各模式的使能信号，最终得到电机运转的使能信号。模型如图4.6所示。 图4.6 风种状态选择模型

b 、风速输出控制，由于风速有强中弱三档，故必须输出相应的电压信号方可控制电压的转速，本方案采用555定时器组成的多谐振荡器，通过控制频率得到适当的PWM 控制信号最终输出控制电机。其中，强信号采用固定高电平，中、弱PWM 信号的占空比定为50%和75%，R 2使用150K,R 1分别采用1K 和300K 。电容采用0.01uf ，振荡频率计算公式为：f=1.44/(R 1+2R 2)C,得到频率分别为:480KHZ 和240KHZ 精度可以达到要求。模块设计结果如图4.7所示。

图4.7风速输出控制模块

4）、定时模块

定时模块有两部分组成，一部分为时间设置，一部分为倒计时电路。 a 、时间设置部分使用一片74LS160十进制计数器，通过反馈置数实现 0-8循环计数，从而实现0-8小时的定时设置功能。手动脉冲触发计数。 b 、定时模块主要由五片74LS192十进制可加减计数器构成，外接五位

1

Q

Q

Q

数码管可实时显示当前剩余定时时长，通过级联，分秒预置59秒，秒计数下溢时向分输出借位信号，分计数下溢时向时输出借位信号，下一个时钟信号来临时置零。当时记到0时输出借位信号，但是此时尚有一小时未完成计时，故经过多次方案尝试，最终发现，当借位信号再次来临时，多所有计数器清零，可实现计时系统的停止。最终采用此方案。计数脉冲由上一片的借位输出提供，秒脉冲使用秒脉冲发生器提供。 5）、复位模块

复位模块由D 触发器和单稳态触发器构成，由于复位信号是电平，故通过 反馈法让D 触发器翻转用输出信号关闭电平输入，实现电平信号向脉冲信号的 转变。复位脉冲送入控制模块的清零端，实现系统复位。 6）、秒脉冲发生模块

由于实际运行中，系统必须有有效的时钟信号接入，故必须有脉冲发生装置，本模块即实现为计时部分和风种循环部分提供秒脉冲的装置。具体设计过程如下。

如右图4.8所示，假设TH 、TR 端开始为低电平（在上电之前电容没有充电），由前面对555的功能说明可知，此时Vo 输出高电平，三极管截止；接通后Vcc 经过R6、R7（对应电路图）对电容充电，当TH 、TR 端电压达到1/3Vcc 时，即TH<2/3Vcc,TR>1/3Vcc 时，Vo 保持为高电平，三极管保持截止状态；当TH 、TR 端电压达到（稍大于）2/3Vcc 时，即TH>2/3Vcc,TR>1/3Vcc 时，Vo=0，三极管导通，放电端DISC 为低电平，此时电容经过R7进行放电；在放到TH 、TR 端电压为1/3Vcc 之前，Vo 保持为低电平，三极管保持导通状态；放到TH 、TR 端电压为（稍小于）1/3Vcc 时，Vo=1，三极管截止；Vcc 又经过R6、R7对电容充电，如此循环。可知，一

个振荡周期为电容充电一次和放电一次时间的和，即

充电时间：

放电时间：

振荡周期：

电路中按R6、R7分别为450K Ω、500K Ω，电容为1μF(实际仿真观测振荡周期 约1s), 得振荡周期的理论值为1.0005s 。在仿真过程中由于仿真软件缺陷，电 路采用软件自带脉冲源。

()()()()()()2ln 32

31ln 320ln 767

676C R R Vcc Vcc Vcc Vcc C R R Vcc V V V C R R T c c c +=?

?????????--+=??????????-∞-∞+=充()()()2ln 31

0320ln 310ln 777C R Vcc Vcc C R Vcc V V V C R T c c c =?

?????????--=??????????-∞-∞=放()()C

R R C R R T T T 7676269.02ln 2+=+=+=放充图4.8 秒脉冲发生器

2、每个模块的具体连接关系电路图，功能介绍,及其仿真时序图

1）、风速、风种模块及脉冲触发模块

电路具体连接关系如图4.9所示。

图4.9 风速、风种模块及脉冲触发模块电路具体连接关系图4.9即风速、风种模块和脉冲触发模块连接起来的最终设计结果，这样可以更方便得看到此两模块各自的功能及其组合功能，该电路通过按键A实现风速循环切换，按键B实现风种循环切换，按键C实现清零状态。系统停止运行。仿真时发现，由于器件原因，在风速循环完一个轮回之后，会自动触发风种切换，故加了风种状态反馈，如电路图4.9中所示。

此模块仿真时序图如图4.10-4.14，左边为风速的三个状态波形，从上到下依次为弱，中强，高电平代表当前风速激活，右边为风种的三个状态波形，从上到下依次为正常，自然，睡眠。高电平代表当前风种激活。

按下A。

图4.10 弱风、正常波形及指示