洗衣机定时控制系统数字电路课程设计

2 设计思路

2.1设计总体思路

从课程设计要求来看，要求实现电机的正传、反转、暂停，实际上没又电机给我们接上，这回要用四哥LED灯的状态来表示，当显示时间前20秒正传、暂停10秒、反转20秒、再暂停10秒，如此一来，周期恰好是60秒，理所当然的分钟计数器、秒计数器是一定要有的。接下来脉冲是一定的了，但是有分钟计数器和秒钟计数器还要考虑是不是要60分频器，就我们所学过的来说实现循环有移位寄存器；还有个问题，当洗涤时间到了，报警还要一个报警电路，根据人性化、自动化、低成本的设计原则，报警的蜂鸣器不可以长时间的叫，要有个合理的时间，我们可以用一个单稳态电路来实现。看起来还不错啊，如果这样想那就嫌早了点，还有一个问题要解决：如何提取时间并使循环电路工作的信号?方案有两种：一是直接从数值上进行提取信号来控制一个可以实现循环的74LS194来实现；另一种是制作一个二十进制到十进制的循环转化来把这一分钟走完，但是从电路的复杂程度和经济性来说，显然后者太过于复杂，也不利于接线和排故障，虽然难度会大一些、出成果的时间会比别人晚，但是要设计一个真正可以让用户用放心使用的产品，还得这样做。尤其是最后的循环电路用两个194一定可以很容易实现。现在大体上就这样计划，下面说说基本原理。

2.2基本原理

首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，进行清零，这时用户置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。当秒计数器变为零的时候，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号进入移位寄存器后，LED灯表示出电机运转状态；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示灯熄灭。

2.3系统设计框图

如下图所示

图2.2.1 系统原理框图3 电路模块设计

3.1芯片74ls192的逻辑功能

图4.1.1 74LS192元件示意图

74LS192的功能表如下表4.1.1逻辑示意图所示

输入输出

MR PL UP DN D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0

1 ×××××××0 0 0 0

0 0 ×× d c b a d c b a

0 1 ↑ 1 ××××加计数

0 1 1 ↑××××减计数

表-4.1.1 74LS192逻辑示意图

3.2 1Hz矩形脉冲产生电路

需要的秒脉冲发生器可以由一个集成的555定时器构成，当电源接通后，VCC通过对R1、R2向电容充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电容上的电压上身到2/3VCC时，输电压VO为零，电容放电。当电压下降到1/3VCC时，输出电平为高电平，电容放电结束。这样周而复始便形成了振荡。如下图-4.2.1 1Hz矩形脉冲波产生电路。

C R R f 1

21)2(43

.1+=图 4.2.1 1Hz 矩形脉冲波产生电路

555定时器构成的多谐振荡器所输出的矩形脉冲信号的频率计算式为 故选定元件参数，R1=63K ，R2=40K ，C1=10uF ，C2=0.01uF 。其中电容C2的作用是抗干扰用的，以提高电路的稳定性。

3.3 递减计数器与时间显示

（1）分、秒计数器的设计

一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的，不同的只是它们的输入脉冲和进制不同而已，我们用四片74LS192来实现分计数和秒计数功能，我们要的只是减计数，所以我们把它的UP 端接到高电平上去,DN 端接到秒脉冲上；十分秒位上的输入端B 、C 端接到高电平上，即从输入端置入0110（十进制的6），秒十位的PL 端和借位端TCD 联在一起，再把秒位的TCD 端和十秒位的DN 联在一起。当秒脉冲从秒位的DN 端输入的时候秒计数的192开始从9减到0；这时，它的借位端TCD 会发出一个低电平到秒十位的输入端DN ，秒十位的计数从6变到5，一直到变为0；当高低位全为零的时候，秒十位的TCD 发出一个低电平信号，DN 为零时，置数端PL 等于零，秒十位完成并行置数，下一个DN 脉冲来到时，计数器进入下一个循环减计数工作中。

对于分计数来说，道理也是一样的；只是要求，当秒计数完成了，分可以自动减少，需要把秒十位的借位端TCD 端接到分计数的DN 端作为分计数的输入信号来实现秒从分计数上的借位。当然，这些计数器工作，其中的清零端MR 要处于低电平，置数端不置数时要处于高电平。这是一个独立工作的最高可以显示101分钟的计时器。把四个192的QA/QB/QC/QD 都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。作为洗衣机控制器的一个模块，它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作，分计数的清零端MR 是接在一起的；秒的清零端PL 又是接在一起的，所以当要从外部把它们强制清零时，可以用一个三极管（NPN ）或者两个或门就可以实现该功能。还有我们可以利用分计数的UP 端来进行外部置数，当把它们各接到一个低触发（平时保持高电平，外部给一个力就输入一个低电平）的脉冲上 就可以实现从0－9的数字输入。

(2)分、秒计数器的电路图

其电路图如下所示：

图 4.3.1 时间显示电路

3.4 洗涤时间设置电路

我们可以利用分计数的UP端来进行外部置数，当把它们各接到一个低触发（平时保持高电平，外部给一个力就输入一个低电平）的脉冲上就可以实现从0－9的数字输入。因此设计出洗涤时间设置电路如下图 4.4.1洗涤时间设置电路，每次按动开关都将使洗涤时间的对应位（十位或者个位）增加1，最大增加至9，又由于所设置洗涤时间为60分内，故当我们对洗涤时间进行设置时，十位所置数小于6。

图 4.4.1 洗涤时间设置电路

3.5 工作状态显示电路

第一步：分析洗衣机的工作状态，对于洗衣机电机的工作顺序有“启动——>正转20s ——>暂停10s——>反转20s——>暂停10s——>停止... ”，我们可以将三种工作状态假设为正转，暂停，反转依次设为01,00,10。从而设计出合适电路如下图-4.5.1工作状态显示电路：

图 4.5.1 工作状态显示电路

第二步：分析实验设计中要求用4个LED模拟洗衣机的动作状态:LED1～LED4右移循环点亮表示正转，LED1～LED4左移循环点亮表示反转，LED1～LED4同时闪烁点亮表示暂停，全灭为停止，显然可以利用移位寄存器来设计，但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路，选择了利用正转、暂停、反转的三种不同状态分别为01、00、10，以1表示工作以0表示暂停从而分次序的完成设计。

首先，考虑到LED的连续循环点亮，可以想到控制LED一端电平的连续循环变化达到要求，又由于有4个LED,我们采用4进制计数器即可产生循环变化的4个数，这样我们可以利用译码器从而在4个输出端得到依次变化的低电平，如此，我们可以将LED另一端接高电平，从而实现循环点亮。

其次，考虑到存在正转和反转两种不同状态，我们需要改变译码器输入端的数字变化次序，如此分析四个数字变化规律，以及利用正反转表示状态的不同来设计出合适门电路。在此次设计中，我们采用74ls192构成一个4进制减数计数器，同时利用正反停指示器1在正转时电平为0，反转时电平为1来构成合适门电路。简略列出真值表如下表 4.5.1正反转指示电路逻辑表：

正反停指示器1 计数器输出译码器输入端

0（正转）11 11

0（正转）10 10

0（正转）01 01

0（正转）00 00

1（反转）11 00

1（反转）10 01

1（反转）01 10

1（反转）00 11

表-4.5.1正反转指示电路逻辑表

于是我们可以发现我们可以利用异或门电路来完成这一构想，从而实现出正转与反转两种状态下LED不同的循环状态。

最后，剩下的就是暂停状态的显示了。先区分出暂停与工作状态的不同，利用上面设置的工作状态表示，我们可容易得到工作以1表示，暂停以0表示。如此可利用这两种电平控制译码器的工作，容易得到工作时状态如上步分析，暂停时灯全部熄灭。为使其能闪

烁，我们可以考虑利用脉冲信号，工作状态的表示与门电路来设计。

综合上述分析，我们可以设计出LED控制电路如下图-4.5.2控制电路

：

图 4.5.2 LED控制电路

3.6 控制开关

现在各单元电路完成了，最后要把它们有效的结合起来联合工作，实现目的功能。我们要求在给分钟置数的同时秒要显示为零；外部还要有强制停止并清零；还有暂停功能。

对于置数来说，我们可以在分钟计数器的UP端到高电平之间各用一个开关接上，就当给它一个低电平时，计数器就往上增加1。但是，192要求在UP端工作的同时，其DOWN 端要为高电平，且秒计数器要为零，我们可以让秒计数器清零，同时把脉冲停止了。在高电平上接上一个开关，让它接到一个JK触发器上，同时把JK触发器的JK端接1，让它实现触发功能。让它的Q端输出到秒计数器的清零端，这样刚开机或者再按一下开机键就可以对秒计数器清零。把JK触发器的Q反端和从分计数器借位端LCD反相出来的信号接到一个与非门上，从与非门出来的信号接到分计数器的DOWN端来保证置数的时DOWN 是高电平。但是如果仅是这样的话，当置数完成再一次按开机键（如图所示）时，没有脉冲信号输入到秒计数器的DOWN端，192并不可以工作。

我们可以把脉冲和JK触发器Q反端接到一个与门上，然后把它上输出端接到秒计数器的DOWN端以控制计数。先歇息一下。现在的问题是，循环的发光二极管没有受到控制键的控制，所以还得把受到控制的从与门U12出来的信号输出到移位寄存器194的时钟信号CLK上。最后要解决一个大问题，当所置的洗衣时间完成后，要发出报警并自动清零。至于报警电路我们知道当计数器全为零的时候，从秒位会发出一个借位信号，一直接到十分位上去，十分位会发出一个借位信号，我们可以用这个信号来作为报警并清零的信号，平时192的借位端保持的是高电平，当有借位信号时，其变成0，我们在分十位借位端接一个非门，再把它和分位的CLR端一起接到一个与门，也需要把它接到一个JK触发器（U10）上作为其时钟信号，其后再接到单稳态电路的输入端TRI，单稳态的输出端接到蜂鸣器上。而该与门（U14）的另一输入端接在控制开关J3上，与门出去仍然接在JK 触发器U9上，这样当洗衣时间完成后，十分计数器的借位端TCD端发出的0信号就可以经过以上路径而变成1到达与门，同时JK触发器得到一个触发信号而输出到单稳态，但一段时间后其自动停止。同时发出的1信号使U9发出1信号而使秒计数器清零；当然秒脉冲因为U9端的Q反端的0信号而使其没有输出，这样原来闪烁的灯不再亮了。

到此，一个电路总算还可以了吧，我们有时还需要让它休息一下，我们改变一下洗衣

量时，就还需要一个暂停键，只要把秒脉冲切断就可以了。我们可以在控制脉冲输出的与门U12和脉冲到达端之间接入一个由开关控制的JK触发器来控制的与门，这样就可以控制脉冲的输出了。我们知道与门是其中一输入为零时，无论另一端时怎样的其输出为零，但一端为1时，另一端输入什么与门就可以输出什么。现在控制端也连起来了，这样，一个完整的洗衣机控制电路就完成了。

LED模拟洗衣机工作状态的同时，也作为洗衣机的报警系统，全灭为报警。

5 电路图

综合上面的原理，设计思路，以及每部分电路的设计，得到电路图如下图-5.1：

图 5.1 电路总图

6元件清单

元件序号元件型号主要参数数量C1 Cap 0.01uF 1

C2 Cap 10uF 1 U1-U4, U10 74LS192 5 U5-U8

4

74LS48

U9, U11 74LS137 2

U12 74LS112 1

U13 555 1 U14A, U14B, U18A, U18B, U20 74LS00 5 U15A, U15B 74LS32 2

U16A, U16B 74LS86 2 U17A, U17B, U17C, U17D, U20A 74LS08 5 U19 NOT 1

D1-D4 LED-RED 4 SW1 SW -SPDT 1 SW2 SW-SPST 1

R1 63k 1

R2 40k 1

R3-R5 10k 3

7分析与改进

7.1改进：

需改进点1：控制开关的设定

需改进点2：工作60分钟后的清零设置

需改进点3：LED控制电路中的灯的循环及其闪烁控制

需改进点4：分秒置数开关的设定

改进1：利用开关控制555的电源输入。

电路功能实现：两个置数开关可以控制洗涤时间的设置，控制开关控制电路的工作，复位开关控制显示器的清零。

改进2：利用十分位计数器的借位端平常均为1，工作到60分钟后为0的特性，设置为JK 触发器的脉冲输入，从而控制清零端MR。

改进3：LED的循环闪亮主要是改变译码器的输入端，正转时为输入顺序位A，反转时输入顺序应该相反，设置好4进制计数器，然后利用其输出端Q1、Q0的变化规律列出真值表，求出所需门电路。

改进4：利用触发器有UP上升沿触发特性，为其可控置入低电平以改变十分位和个分位的显示。

7.2电路分析

控制开关SW1控制电路的启动、停止工作，当SW1拨通时，电路接通，正常工作；当SW1拨向地时，电路停止工作。

两个置数按钮可以控制洗涤时间的设置，每按动一次设置button键，出现一次时钟脉冲信号，计数器加1，从而冲洗涤时间在0-90分钟内任意设定（满足60分钟的要求）。复位开关控制显示器的清零。

译码器和逻辑门电路产生01、00、10三种不同状态控制洗衣机正转、暂停、反转。若设置一个50s周期内，前20s四个灯红灯右移点亮，表示正转；10s 四个灯同时闪烁点亮，表示暂停；后20s四个灯左移点亮，表示反转，时间减到0时4个灯全灭，表示停止。

在仿真的过程中，出现的结果基本符合要求。计数器计时无误，“正转”、“反转”、“暂停”的指示灯动作也正确，定时结束时，能自动清零，同时指示灯亮，表示提醒时间到。

值得高兴的是，独立思考之后，能完成预置功能，脉冲发生器的周期达1.0027s，和理想的1s脉冲相当接近！

不足的地方就是，设计要求当定时时间达到终点时，一方面使电机停机，同时发出音响信号提醒用户注意。我没有设计好报警器的电路，只是运用四个灯全灭来表示。