东北大学数电课程设计报告

1课程设计报告设计题目：自动洗衣机控制器班级：计算机1206学号：20123966姓名：苏君君指导教师：马学文设计时间：2014年7月2摘要现代生活人民生活水平越来越高，家家户户几乎都有一台洗衣机。洗衣机由于洗涤方便受到广大用户的喜爱。随着时代的发展洗衣机也在不停革新、发展。尽管洗衣机有了很大发展，但消费者的需求不断提高。为使洗对衣机的操作更方便、更人性化，自动洗衣机控制器就是为此而设计的。本设计是采用555定时器，74LS138译码器，74LS160和74LS190计数器为核心元件，利用7段共阴极LED作为显示元件，在此设计中共接入2个4联7段共阴极LED显示器，他们用于显示洗衣机工作时间倒计时。通过对555定时器的设定，让他产生频率为1分钟的脉冲信号，从而作为其他芯片的时钟脉冲方波。声明：本设计只是提供方便和人性化的外部视觉效果，不涉及洗衣机内马达的正转反转以及脱水缸的工作原理。关键词：计数器，译码器，方波3目录摘要2第1章概述4第2章课程设计任务及要求52.1设计任务52.2设计要求5第3章系统设计63.1方案论证63.2系统设计73.2.1结构框图及说明73.2.2系统原理图及工作原理83.3单元电路设计93.3.1单元电路工作原理93.3.2元件参数选择11第4章软件仿真124.1仿真电路图124.2仿真过程124.3仿真结果13第5章安装调试145.2安装调试过程145.3故障分析14第6章结论16第7章使用仪器设备清单17参考文献18收获、体会和建议194第1章概述数字电子技术课程设计是电子技术基础教学中的一个实践环节,它使我们通过设计和搭建一个实用电子产品雏形,巩固和加深在数字电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能,训练电子产品制作时的动手能力。通过该课程设计，设计出符合任务要求的电路,掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤，训练并提高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力,同时为毕业设计和毕业以后从事电子技术方面的科研和开发打下一定的基础。另外，它能够较全面地巩固和应用“数字电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。能合理、灵活地应用各种标准集成电路（SSI、MSI、LSI等）器件实现规定的数字系统。培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。培养独立进行实验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。培养书写综合设计实验报告的能力。根据设计任务，从选择设计方案开始，进行电路设计，选择合适的器件，画出设计电路图（对制作实物还应安装、调试，直至实现任务要求的全部功能）。对电路要求布局合理，走线清晰，工作可靠，才能写出完整的课程设计报告。电子电路的一般设计方法和步骤是：分析设计任务和性能指标，选择总体方案，设计单元电路，选择器件，计算参数，画总体电路图。进行仿真试验和性能测试。实际设计过程中往往反复进行以上各步骤，才能达到设计要求，方便同学们灵活掌握。本次设计只是简单地应用74190,74138,74160,以及555定时器组成的小型数字系统。5第2章课程设计任务与要求2.1设计任务本设计有4个状态，分别为初始状态，洗衣状态，脱水状态，排水状态。当有洗衣信号时，系统进入循环控制状态，依次执行操作，可从信号灯观察到所处状态。（1）当定时时间达到终点时，一方面使电机停机，同时用指示灯提醒用户注意。（2）用两位数码管显示洗涤的预置时间（以分钟为单位），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到而停机。2.2设计要求假设自动洗衣机的定时操作顺序是，洗衣10min，排水2min,脱水3min，然后停止。前面已经声明过具体的洗衣机工作原理不会涉及，另外突然断电不考虑重新给电的突发情况。6第3章系统设计3.1方案论证自动洗衣机控制器只是用于显示洗衣机所处的状态和时间，不涉及洗衣机洗衣时的内部工作原理。他利用555定时器提供的脉冲作为工作的基础，为74LS190，74LS160提供脉冲。74LS190作为倒计时计数器同时用显示器进行显示。74LS160座位加法计数器（0~2）用来控制74LS138即控制那3个循环状态，同时用74LS138来控制相应的指示灯颜色来表明当前所处的状态。红灯代表初始状态，黄灯代表洗衣状态，绿灯代表排水状态，蓝灯代表脱水状态。循环图如图3-1所示：输入洗衣信号输束入信结号图3-1循环状态图红灯（停止状态）黄灯（洗衣状态）绿灯（排水状态）红灯（停止状态）73.2系统设计3.2.1结构框图及说明开始用555定时器产生多谐振荡脉冲输入洗衣信号进入洗衣倒计时状态进入脱水倒计时状态进入排水倒计时状态处于停止状态若再有洗衣信号，再次进入洗衣，脱水，排水循环状态。83.2.2系统原理图及工作原理系统原理图如图3-1所示。555定时器产生多谐振荡脉冲波作为74LS190计数器的时钟脉冲。刚开始红灯亮代表初始状态，当给一个洗衣信号时，黄灯亮起代表洗衣机处于洗衣状态，同时计数器开始洗衣时间10min倒计时，洗衣时间结束绿灯亮起代表洗衣机处于排水状态，同时计数器开始排水时间2min倒计时，排水时间结束蓝灯亮起代表洗衣机处于脱水状态，同时计数器开始脱水时间3min倒计时，脱水时间结束红的亮起代表洗衣机此时回到初始状态。若给一个洗衣信号，则重复上述过程。图3-2系统原理图93.3单元电路设计3.3.1单元电路工作原理多谐振荡电路以555定时器为核心元件以及电阻和电容作为定式元件产生周期为1s的时钟脉冲。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于1/3Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，三极管截止。这时，电源经过R1，R2对电容C充电，使电压Uc按指数规律上升，当Uc上升到2/3Vcc时，输出Uo为低电平，三极管导通。把Uc从1/3Vcc上升到2/3Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数为T充=（R1+R2）*C。由于三极管导通，电容C通过电阻R2和三级管放电，电路进入第二暂稳态，其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关。放电时间常数T放=R2*C。随着电容的放电，Uc下降，当Uc下降到1/3Vcc时，输出Uo为高电平，三极管截止，Vcc再次对电容充电，电路又翻转到第一暂稳态。接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得到矩形波。电路一旦起振后，Uc电压总是在1/3Vcc~2/3Vcc之间变化。倒计时单元是以74LS190作为核心元件。加减控制端：当其为低电平时计数器进行加法计数，当其为高电平时计数器进行减计数，本设计需用减法计数器。CP：时钟脉冲输入端，上升沿有效。A,B,C,D：数据输入端，用于预置计数器的初始状态。LD：异步预置控制端，低电平有效，即该端为低电平时，经数据输入端A,B,C,D对计数器的输出端QA，QB，QC，QD的状态进行预置，当需要清零时，给数据输入端均输入低电平10即可，该端通常处于高电平。QA，QB，QC，QD：计数器输出端。作加法计数器时由QD输出可作十分频器，由QC输出作八分频器，由QB输出可作四分频器，由QA输出可作二分频器。ET：使能端，低电平有效，即当该端为低电平时计数器实现计数功能，当其为高电平时计数器禁止计数，输出保持原来状态。RC进借位输出端：用来作n位级联使用，当计数器进行加计数时该端作为进位输出端，当进行减计数时该端作为借位输出端，低电平有效，即通常处于高电平，出现进借位信号时为低电平，进借位信号为负脉冲，不过本次设计不涉及进借位变化。MAX/MIN：最高/最低位输出端，即计数器计数到最高/最低位时，该端出现状态脉冲，状态脉冲为正脉冲，即MAX/MIN端通常为低电平，当计数器记录到最高或最低位时，MAX/MIN端成为高电平，利用此原理结合74LS160来设定一定时间内对应一个状态。循环控制单元电路是以74LS160和74LS138作为核心元件来控制循环状态和灯的变化。74LS160的清除端是异步的。当清除端/MR为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能。74LS160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0－Q3与数据输入端P0－P3一致。当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则PE应避免由低至高电平的跳变。74LS138又称为三线---八线译码器，当一个选通端为高电平时，另两个选通端为低电平时，可将地址端的二进制编码在对应的输出端以低电平译出。113.3.2元件参数选择定时器选用LM555CM，循环控制选用74LS160D和74LS138D，倒计时选用74LS190。12第4章软件仿真4.1仿真电路图仿真电路图如图4-1所示：该设计图为通电后洗衣机处于初始状态，指示灯显示为红色，通过空格键来控制洗衣机的洗衣信号。图4-1仿真电路截图4.2仿真过程声明：本次仿真本应该是以分钟为单位，但是为了减少等待时间，特意将555定时器的调频电阻选的比较小。仿真软件开关打开后，看到红灯亮起（代表处与停止状态），两个显示器上显示的10代表洗衣要进行10“分钟”。按下空格控制J1开关（如图4-1靠右）切换到高电平，黄灯亮起即进入洗衣倒计时状态，并以此13作为循环状态的开始。洗衣倒计时结束后，绿灯亮起即进入排水倒计时状态，排水倒计时结束购，蓝灯亮起即进入脱水状态，脱水倒计时结束后，按下空格键控制开关J1切换到低电平，回到停止状态。4.3仿真结果在仿真的过程中，出现的结果基本符合要求，计数器的工作也很理想，指示灯动作也很好，定时结束时，自动跳到下一循环状态，同时指示灯亮，提醒时间到。唯一不足的是，脱水结束后，仍然需要手动控制开关来结束循环状态，防止进入无休止的循环当中。除此之外，由于555定时器的电阻值设定的不是很理想，以至于出现的脉冲波形不是标准的占空比为百分之五十的方波。另外，蓝绿指示灯亮时，黄灯总是先闪烁一下，不仔细看可能发现不了，这个问题可能是由于软件的仿真问题。毕竟整个电路都通电，不可能做得那么完全仿真。不过，总的来说，在交通灯的基础上来做此设计，感觉还是方便了不少，仿真结果还是比较令人满意的，比较成功。14第5章安装调试5.1安装调试过程交通灯在仿真过程中总是第一次灯的显示时间不对应，但是在经过一次循环之后就开始进入正常对应状态。跟同学们一起讨论后，得出结论，可能是由于我们使用的仿真软件是multisim11，而老师可能需要我们用multisim7，毕竟版本还是存在差别的。忽略此处问题后，在焊电路板是也是问题百出。因为以前没怎么用过烙铁，所以烙铁毫不留情给了我一个教训，尽管老师已经强调了很多次了，注意安全。后来焊扳子时，又遇到一个比较严峻的问题，就是不会布线，线头接的非常难看，长短控制的不合理，线路实在是太过于杂乱，这也为我最后的失败埋下了伏笔。老师提示先把简单的的任务焊完再去焊接扩展任务。由于自己过于自信一开始就想着去焊接扩展任务，自认为按着自己的电路图就可以达到目的。忽略了老师分而治之的思想，也为最后的失败埋下浓重的一笔。给出一天的时间，没能焊出一个完整的板子，真是有点莫大的遗憾。5.2故障分析板子焊好一部分开始调试时，发现竟然一个彩灯都不亮，在老师的提醒和帮助下，教会我怎么测试线路有没有短路。最后找到一根线头由15于锡加的太多了，和另一个线头稍微有点挨得近了，解除之后，终于取得了一点小成就，彩灯亮了。但是灯亮的顺序还是有点小问题。毫无规律可言，这个问题，由于验收时间快到了，根本就没心思去查找出电路问题所在，最后不了了之。除此之外，可能线的排布也有问题，毕竟线路布局不合理，电线长度控制的不够合理，导致线路看着十分复杂，而且，有些线头由于电线的张力，很有可能出现松动之类的问题。这可能为失败埋下了很大的伏笔。另外一些元器件的排布不合理，也可能带来一些隐患。16第6章结论该小型数字系统可以完成循环状态的的倒计时功能，相对比较简单。红灯停止状态黄灯洗衣状态绿灯排水状态蓝灯脱水状态控制开关之后就开始