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简易洗衣机控制电路
1设计思路
1.1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,这回要用四个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?
直接从数值上进行提取信号来控制一个可以实现循环的74LS192来实现。
现在大体上就这
样计划,下面说说基本原理。
1.2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。
1.3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74IS192的逻辑功能
U0
74LS192
图4.1.174LS192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
DO
Q3
Q2
Q1
Q0
1
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
X
X
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
T
1
X
X
X
X
加计数
0
1
1
T
X
X
X
X
减计数
表-4.1.174LS192逻辑示意图
3.21Hz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V0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-4.2.11Hz矩形脉冲波产生电路。
输川JHz矩形脉沖波
555
图4211Hz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
f1.43
(Ri2R2)Ci
故选定元件参数,R仁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,—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:
U1
U5
U2
I•
10»
U4
11
14
1■
ii|
14i
00
GO
01
QI
D2
Q2
D3
Q3
UP
TCU
DN
TCD
PL
MR
74LS1S2
■2
■B
U6
U3
!
_■
7o»
11
S
DO
Q0
□1
Q1
02
D3
03
□P
TCU
DN
TCD
PL
MR
■6
74LS192
(12
#13
DO
QO
DI
Q1
02
Q2
D3
03
UP
TCU
DN
TC叫
PL
MR
74LS192
DO
QO
01
01
D2
Q2
D3
Q3
UP
TCU
ON
TCD
PL
MR
■B
15"
10>
3.4洗涤时间设置电路
我们可以利用分计数的
£12
■7
分钟
U7
QA
QB
QC
QD
BlRBO
QE
RBI
QF
LT
QG
74LS43
U8
A
QA
B
QB
u
Uu
D
OD
BURBO
QE
RBI
QF
LT
QG
1"
!
■
74LS4S
图431时间显示电路
UP端来进行外部置数,
13
12
11
jo
蛋
77
13
7T
10
15.
14
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441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。
分计数器十位计数UP*分计数器个位计数UP
•£、■
图441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“启动一一>正转20s
――>暂停10s――>反转20>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:
74LSOO
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—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74IS192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
U10
1H工矩形MM输人
3.6控制开关
DO
QO
D1
Qi
02
Q2
□3
Q3
UP
TCU
□N
TGD
PlL
MR
3
二
U11
U15A
E>
T4LS32
U15B
E>
U16B
74LS56
U16A
z^Lsae
SW2
A
YO
B
Y1
C
¥2Y3
E1
Y4
E2
Y5
LE
Y©
Y7
7^LS32
U17
LJ17D
iOS
74LSCB
D2
LED-RED
D1
LED-RED
D4
LED-RED
LJ17A
ML&O*
JJ17B
74LSC
長斯忌輛弄关洗衣机指示灯
图4.5.2LED控制电路
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:
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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
74LS48
4
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。
8小结与体会
9参考文献
[1]姚福安•《电子电路设计与实践》•山东:
山东科学技术出版社2002.
[2]康华光.《数字电子基础(第五版)》.北京:
高等教育出版社,2001.
[3]傅晓林.《电子技术课程设计实用教程》.重庆交通学院电工电子出版社2006.
[4]彭介华.《电子技术课程设计指导》.北京:
高等教育出版社2004.
⑸伍时和.《数字电子技术基础(第一版)》.北京:
清华大学出版社,2009.
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