東北大學(xué)數(shù)電課程設(shè)計報告

1、課 程 設(shè) 計 報 告設(shè)計題目：自動洗衣機控制器 班 級：計算機1206 學(xué) 號：20123966姓 名：蘇君君指導(dǎo)教師：馬學(xué)文設(shè)計時間：2014年7月摘 要現(xiàn)代生活人民生活水平越來越高，家家戶戶幾乎都有一臺洗衣機。洗衣機由于洗滌方便受到廣大用戶的喜愛。隨著時代的發(fā)展洗衣機也在不停革新、發(fā)展。盡管洗衣機有了很大發(fā)展，但消費者的需求不斷提高。為使洗對衣機的操作更方便、更人性化，自動洗衣機控制器就是為此而設(shè)計的。本設(shè)計是采用555定時器，74LS138譯碼器，74LS160和74LS190計數(shù)器為核心元件，利用7段共陰極LED作為顯示元件，在此設(shè)計中共接入2個4聯(lián)7段共陰極LED顯示器，他們用于顯

2、示洗衣機工作時間倒計時。通過對555定時器的設(shè)定，讓他產(chǎn)生頻率為1分鐘的脈沖信號，從而作為其他芯片的時鐘脈沖方波。聲明：本設(shè)計只是提供方便和人性化的外部視覺效果，不涉及洗衣機內(nèi)馬達的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及脫水缸的工作原理。關(guān)鍵詞：計數(shù)器，譯碼器，方波目 錄摘要 2第1章 概述 4第2章 課程設(shè)計任務(wù)及要求 5 2.1 設(shè)計任務(wù) 5 2.2 設(shè)計要求 5第3章 系統(tǒng)設(shè)計 6 3.1方案論證 6 3.2 系統(tǒng)設(shè)計 7 3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明 7 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理 8 3.3 單元電路設(shè)計 9 3.3.1單元電路工作原理 9 3.3.2元件參數(shù)選擇 11第4章 軟件仿真 12 4.1 仿真

3、電路圖 12 4.2 仿真過程 12 4.3 仿真結(jié)果 13第5章 安裝調(diào)試 14 5.2 安裝調(diào)試過程 14 5.3 故障分析 14 第6章 結(jié)論 16第7章 使用儀器設(shè)備清單 17 參考文獻 18 收獲、體會和建議 19 第1章 概述 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計是電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的一個實踐環(huán)節(jié),它使我們通過設(shè)計和搭建一個實用電子產(chǎn)品雛形,鞏固和加深在數(shù)字電子技術(shù)課程中的理論基礎(chǔ)和實驗中的基本技能,訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。通過該課程設(shè)計，設(shè)計出符合任務(wù)要求的電路,掌握通用電子電路的一般設(shè)計方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力,同時為畢業(yè)設(shè)計和

4、畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)。另外，它能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。能合理、靈活地應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)。培養(yǎng)獨立思考、獨立準(zhǔn)備資料、獨立設(shè)計規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力。培養(yǎng)獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。培養(yǎng)書寫綜合設(shè)計實驗報告的能力。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，從選擇設(shè)計方案開始，進行電路設(shè)計，選擇合適的器件，畫出設(shè)計電路圖（對制作實物還應(yīng)安裝、調(diào)試，直至實現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能）。對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，才能寫出完整的課

5、程設(shè)計報告。 電子電路的一般設(shè)計方法和步驟是：分析設(shè)計任務(wù)和性能指標(biāo)，選擇總體方案，設(shè)計單元電路，選擇器件，計算參數(shù)，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能測試。實際設(shè)計過程中往往反復(fù)進行以上各步驟，才能達到設(shè)計要求，方便同學(xué)們靈活掌握。本次設(shè)計只是簡單地應(yīng)用74190,74138,74160,以及555定時器組成的小型數(shù)字系統(tǒng)。 第2章 課程設(shè)計任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計有4個狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)，洗衣狀態(tài)，脫水狀態(tài)，排水狀態(tài)。當(dāng)有洗衣信號時，系統(tǒng)進入循環(huán)控制狀態(tài)，依次執(zhí)行操作，可從信號燈觀察到所處狀態(tài)。（1）當(dāng)定時時間達到終點時，一方面使電機停機，同時用指示燈提醒用戶注意。 （2

6、）用兩位數(shù)碼管顯示洗滌的預(yù)置時間（以分鐘為單位），按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示，直到時間到而停機。2.2 設(shè)計要求 假設(shè)自動洗衣機的定時操作順序是，洗衣10min，排水2min,脫水3min，然后停止。前面已經(jīng)聲明過具體的洗衣機工作原理不會涉及，另外突然斷電不考慮重新給電的突發(fā)情況。 第3章 系統(tǒng)設(shè)計3.1 方案論證 自動洗衣機控制器只是用于顯示洗衣機所處的狀態(tài)和時間，不涉及洗衣機洗衣時的內(nèi)部工作原理。他利用555定時器提供的脈沖作為工作的基礎(chǔ)，為74LS190，74LS160提供脈沖。74LS190作為倒計時計數(shù)器同時用顯示器進行顯示。74LS160座位加法計數(shù)器（02）用來控制74LS

7、138即控制那3個循環(huán)狀態(tài)，同時用74LS138來控制相應(yīng)的指示燈顏色來表明當(dāng)前所處的狀態(tài)。紅燈代表初始狀態(tài)，黃燈代表洗衣狀態(tài)，綠燈代表排水狀態(tài)，藍燈代表脫水狀態(tài)。循環(huán)圖如圖3-1所示：紅燈（停止?fàn)顟B(tài)）黃燈（洗衣狀態(tài)） 輸入洗衣信號 輸 束 入 信 結(jié) 號 紅燈（停止?fàn)顟B(tài)）綠燈（排水狀態(tài)）圖3-1 循環(huán)狀態(tài)圖3.2 系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明 開始 用555定時器產(chǎn)生多諧振蕩脈沖 輸入洗衣信號 進入洗衣倒計時狀態(tài)進入脫水倒計時狀態(tài)進入排水倒計時狀態(tài)處于停止?fàn)顟B(tài)若再有洗衣信號，再次進入洗衣，脫水，排水循環(huán)狀態(tài)。 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。555定時器產(chǎn)生多

8、諧振蕩脈沖波作為74LS190計數(shù)器的時鐘脈沖。剛開始紅燈亮代表初始狀態(tài)，當(dāng)給一個洗衣信號時，黃燈亮起代表洗衣機處于洗衣狀態(tài)，同時計數(shù)器開始洗衣時間10min倒計時，洗衣時間結(jié)束綠燈亮起代表洗衣機處于排水狀態(tài)，同時計數(shù)器開始排水時間2min倒計時，排水時間結(jié)束藍燈亮起代表洗衣機處于脫水狀態(tài)，同時計數(shù)器開始脫水時間3min倒計時，脫水時間結(jié)束紅的亮起代表洗衣機此時回到初始狀態(tài)。若給一個洗衣信號，則重復(fù)上述過程。 圖3-2 系統(tǒng)原理圖3.3 單元電路設(shè)計3.3.1 單元電路工作原理 多諧振蕩電路以555定時器為核心元件以及電阻和電容作為定式元件產(chǎn)生周期為1s的時鐘脈沖。由于接通電源瞬間，電容C來不

9、及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于1/3Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，三極管截止。這時，電源經(jīng)過R1，R2對電容C充電，使電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到2/3Vcc時，輸出Uo為低電平，三極管導(dǎo)通。把Uc從1/3Vcc上升到2/3Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)為T充=（R1+R2）*C。由于三極管導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和三級管放電，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān)。放電時間常數(shù)T放=R2*C。隨著電容的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到1/3Vcc時，輸

10、出Uo為高電平，三極管截止，Vcc再次對電容充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。接通電源后，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得到矩形波。電路一旦起振后，Uc電壓總是在1/3Vcc2/3Vcc之間變化。 倒計時單元是以74LS190作為核心元件。加減控制端：當(dāng)其為低電平時計數(shù)器進行加法計數(shù)，當(dāng)其為高電平時計數(shù)器進行減計數(shù)，本設(shè)計需用減法計數(shù)器。CP：時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。A,B,C,D：數(shù)據(jù)輸入端，用于預(yù)置計數(shù)器的初始狀態(tài)。LD：異步預(yù)置控制端，低電平有效，即該端為低電平時，經(jīng)數(shù)據(jù)輸入端A,B,C,D對計數(shù)器的輸出端QA，QB，QC，QD的狀態(tài)進行預(yù)置，當(dāng)需要清零時，給數(shù)據(jù)輸入端均輸入低

11、電平即可，該端通常處于高電平。QA，QB，QC，QD：計數(shù)器輸出端。作加法計數(shù)器時由QD輸出可作十分頻器，由QC輸出作八分頻器，由QB輸出可作四分頻器，由QA輸出可作二分頻器。ET：使能端，低電平有效，即當(dāng)該端為低電平時計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能，當(dāng)其為高電平時計數(shù)器禁止計數(shù)，輸出保持原來狀態(tài)。RC進借位輸出端：用來作n位級聯(lián)使用，當(dāng)計數(shù)器進行加計數(shù)時該端作為進位輸出端，當(dāng)進行減計數(shù)時該端作為借位輸出端，低電平有效，即通常處于高電平，出現(xiàn)進借位信號時為低電平，進借位信號為負脈沖，不過本次設(shè)計不涉及進借位變化。MAX/MIN：最高/最低位輸出端，即計數(shù)器計數(shù)到最高/最低位時，該端出現(xiàn)狀態(tài)脈沖，狀態(tài)脈沖為

12、正脈沖，即MAX/MIN端通常為低電平，當(dāng)計數(shù)器記錄到最高或最低位時，MAX/MIN端成為高電平，利用此原理結(jié)合74LS160來設(shè)定一定時間內(nèi)對應(yīng)一個狀態(tài)。循環(huán)控制單元電路是以74LS160和74LS138作為核心元件來控制循環(huán)狀態(tài)和燈的變化。74LS160的清除端是異步的。當(dāng)清除端/MR為低電平時，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端Q0Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0P3一致。當(dāng)CP由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制端CEP、CET為高電平，則PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變。74LS138又稱為三線-八線譯碼器，

13、當(dāng)一個選通端為高電平時，另兩個選通端為低電平時，可將地址端的二進制編碼在對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。3.3.2 元件參數(shù)選擇 定時器選用LM555CM，循環(huán)控制選用74LS160D和74LS138D，倒計時選用74LS190。 第4章 軟件仿真4.1仿真電路圖仿真電路圖如圖4-1所示：該設(shè)計圖為通電后洗衣機處于初始狀態(tài)，指示燈顯示為紅色，通過空格鍵來控制洗衣機的洗衣信號。 圖4-1 仿真電路截圖4.2仿真過程聲明：本次仿真本應(yīng)該是以分鐘為單位，但是為了減少等待時間，特意將555定時器的調(diào)頻電阻選的比較小。仿真軟件開關(guān)打開后，看到紅燈亮起（代表處與停止?fàn)顟B(tài)），兩個顯示器上顯示的10代表洗衣要進行1

14、0“分鐘”。按下空格控制J1開關(guān)（如圖4-1靠右）切換到高電平，黃燈亮起即進入洗衣倒計時狀態(tài)，并以此作為循環(huán)狀態(tài)的開始。洗衣倒計時結(jié)束后，綠燈亮起即進入排水倒計時狀態(tài)，排水倒計時結(jié)束購，藍燈亮起即進入脫水狀態(tài)，脫水倒計時結(jié)束后，按下空格鍵控制開關(guān)J1切換到低電平，回到停止?fàn)顟B(tài)。4.3仿真結(jié)果 在仿真的過程中，出現(xiàn)的結(jié)果基本符合要求，計數(shù)器的工作也很理想，指示燈動作也很好，定時結(jié)束時，自動跳到下一循環(huán)狀態(tài)，同時指示燈亮，提醒時間到。唯一不足的是，脫水結(jié)束后，仍然需要手動控制開關(guān)來結(jié)束循環(huán)狀態(tài)，防止進入無休止的循環(huán)當(dāng)中。除此之外，由于555定時器的電阻值設(shè)定的不是很理想，以至于出現(xiàn)的脈沖波形不是標(biāo)

15、準(zhǔn)的占空比為百分之五十的方波。另外，藍綠指示燈亮?xí)r，黃燈總是先閃爍一下，不仔細看可能發(fā)現(xiàn)不了，這個問題可能是由于軟件的仿真問題。畢竟整個電路都通電，不可能做得那么完全仿真。不過，總的來說，在交通燈的基礎(chǔ)上來做此設(shè)計，感覺還是方便了不少，仿真結(jié)果還是比較令人滿意的，比較成功。 第5章 安裝調(diào)試5.1 安裝調(diào)試過程 交通燈在仿真過程中總是第一次燈的顯示時間不對應(yīng)，但是在經(jīng)過一次循環(huán)之后就開始進入正常對應(yīng)狀態(tài)。跟同學(xué)們一起討論后，得出結(jié)論，可能是由于我們使用的仿真軟件是multisim11，而老師可能需要我們用multisim7，畢竟版本還是存在差別的。忽略此處問題后，在焊電路板是也是問題百出。因為

16、以前沒怎么用過烙鐵，所以烙鐵毫不留情給了我一個教訓(xùn)，盡管老師已經(jīng)強調(diào)了很多次了，注意安全。后來焊扳子時，又遇到一個比較嚴峻的問題，就是不會布線，線頭接的非常難看，長短控制的不合理，線路實在是太過于雜亂，這也為我最后的失敗埋下了伏筆。老師提示先把簡單的的任務(wù)焊完再去焊接擴展任務(wù)。由于自己過于自信一開始就想著去焊接擴展任務(wù)，自認為按著自己的電路圖就可以達到目的。忽略了老師分而治之的思想，也為最后的失敗埋下濃重的一筆。給出一天的時間，沒能焊出一個完整的板子，真是有點莫大的遺憾。5.2 故障分析板子焊好一部分開始調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)竟然一個彩燈都不亮，在老師的提醒和幫助下，教會我怎么測試線路有沒有短路。最后找

17、到一根線頭由于錫加的太多了，和另一個線頭稍微有點挨得近了，解除之后，終于取得了一點小成就，彩燈亮了。但是燈亮的順序還是有點小問題。毫無規(guī)律可言，這個問題，由于驗收時間快到了，根本就沒心思去查找出電路問題所在，最后不了了之。除此之外，可能線的排布也有問題，畢竟線路布局不合理，電線長度控制的不夠合理，導(dǎo)致線路看著十分復(fù)雜，而且，有些線頭由于電線的張力，很有可能出現(xiàn)松動之類的問題。這可能為失敗埋下了很大的伏筆。另外一些元器件的排布不合理，也可能帶來一些隱患。 第6章 結(jié)論該小型數(shù)字系統(tǒng)可以完成循環(huán)狀態(tài)的的倒計時功能，相對比較簡單。 紅燈 停止?fàn)顟B(tài) 黃燈 洗衣狀態(tài) 綠燈 排水狀態(tài) 藍燈 脫水狀態(tài) 控制

18、開關(guān)之后就開始進入循環(huán)狀態(tài)，在到達結(jié)束狀態(tài)時，再給一個控制開關(guān)一個信號，就回到停止?fàn)顟B(tài)。 第7章 使用儀器設(shè)備清單定時模塊： LM555CM，電容10uf和10mf，電阻1k倒計時模塊： 74LS190D，74LS40D,74LS08D,74LS09N,DCD_HEX循環(huán)控制模塊：74LS160D,74LS138D,74LS04D,74LS11D,單刀雙置開關(guān)，紅黃藍綠指示燈每個模塊都用的：VCC 5V,接地參考文獻1. 馬學(xué)文 李景宏主編，電子技術(shù)實驗教程。北京：科學(xué)出版社，2013.032. 李晶皎，李景宏編著.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，20123. 高吉祥，易凡編著.電子

19、技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，20024. 陳大欽編著. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗. 北京：高等教育出版社，2000收獲、體會和建議 本次課程設(shè)計，我花了很多時間，主要是在控制電路上，當(dāng)時實在是想不到該怎樣用三個燈分別表示三種狀態(tài)，去圖書館查資料時也沒找到相符合的資料，后來在網(wǎng)上找的論文也有很多問題，要求也和本次課程設(shè)計的要求出入很大。可以說，這次課設(shè)的電路基本上是自己設(shè)計出來的。雖然花了不少的時間，但是收獲真的不小。它使我對課本以及以前學(xué)過的知識有了一個更好的總結(jié)與理解，也讓我知道了，光分開是不夠的，從外面學(xué)到的知識要形成一個整體，這也很好的訓(xùn)練了對開發(fā)一個小型數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該有怎樣的思路和準(zhǔn)備更清晰。 在設(shè)計