家用風扇控制器

1、電工課程設計之目錄家用風扇控制山東大學（威海）機械設計制造及其自動化 組員： 韓春騰劉意雄 于一夫李昂宋岳王曉凱指導老師：寧淑榮、才、刖言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電風扇已是必不可少的家用電器。它經(jīng)濟、簡便、 實用，是每個人家里可以負擔起的電器。并且隨著科技的發(fā)展，電風扇的 功能越來越完善，人們也更加注重電風扇的智能化、人性化。許多廠家在 制作風扇是運用了集成芯片構成數(shù)字電路或者單片機技術，使電風扇的電 路更加簡單。本次電工學課程設計實驗就是運用了我們所學的數(shù)字電路的知識，來 實現(xiàn)家用電風扇控制邏輯電路設計。設計內容是用一個按鈕來實現(xiàn)風速 強、中、弱的轉換并且實現(xiàn)循環(huán)；一個按鈕來實現(xiàn)風種從正常風、 睡眠

2、風、 自然風的轉換并且實現(xiàn)循環(huán)；并且用不同顏色LED燈的顯示來表示風速與風種的狀態(tài)各個狀態(tài)。家用電風扇控制邏輯電路分為三大模塊：第一個模 塊是風速的循環(huán)控制電路，利用74IS139、74IS08芯片實現(xiàn)三種狀態(tài)的循環(huán) 計數(shù)，并且利用高低電平實現(xiàn)LED燈的亮與滅；第二個模塊是風種的循環(huán) 控制電路，利用74IS139 74IS08 74ls01芯片實現(xiàn)三種狀態(tài)的循環(huán)計數(shù)， 并且利用高低電平實現(xiàn)LED燈的亮與滅；第三個模塊是脈沖產(chǎn)生電路，利U 用555發(fā)生器產(chǎn)生周期為8s的方波，并且利用74IS139構成二分頻電路形 成周期為16S的方波，再利用74IS160芯片選擇風種的輸出。第四個模塊 是按鈕控

3、制電路，利用按鈕來給芯片脈沖，實現(xiàn)風速、風種的選擇，并且 可以實現(xiàn)關機的功能。本課題基本實現(xiàn)了四個模塊的功能，將之有效的連接在一起，實現(xiàn)了 家用電風扇控制邏輯電路的總體功能。雖然此次設計的電路較為簡單，但 它的成本較低，并且經(jīng)濟、實用而且風種、風種的選擇體現(xiàn)了它的人性化， 相信在市場有一定的潛力。關鍵字： 電風扇 循環(huán)控制 74IS139 74IS160 74ls0174ls08 LED摘要輸岀電路設計的家用電風扇具有控制風速選擇和運行模式選擇等功能，它的系統(tǒng)框圖風速選擇電路風種選擇J風種選擇電路* 風種形成電路上電復位脈沖信號發(fā)生電路號發(fā)（電）電風扇系統(tǒng)框圖在電路板上有六個指示燈指示電扇的狀

4、態(tài)。三個按鍵分別為選擇不同的操作-風速、風種、停止。其操作方式和狀態(tài)指示如下:1、電扇處于停轉狀態(tài)時，所有指示燈不亮。此時只有按“風速”鍵電扇才會響應,其初始工作狀態(tài)為“風速”-弱，“風種”-正常位置，且相應的指示燈亮。2、電扇一經(jīng)啟動后，再按動“風速”鍵可循環(huán)選擇弱、中或強三種狀態(tài)中的一種狀態(tài)；同時，按動“風種”鍵可循環(huán)選擇正常、自然或睡眠三種狀態(tài)的某一種狀態(tài)。3、在電扇任意工作狀態(tài)下，按“停止”鍵電扇停止工作，所有指示燈熄滅。“風速”的弱、中、強對應電扇的轉動由慢到快?！帮L種”在正常位置是指電扇連續(xù)運轉；在“自然”位置，是表示電扇模擬產(chǎn)生自然風，即運轉4秒，間斷4秒的方式；在“睡眠”位置，

5、是產(chǎn)生輕柔的微風，電 扇運轉8秒，間斷8秒的方式。電扇操作狀態(tài)的所有變換過程如圖所示。弱隊員分題目家用風扇控制器任務韓春騰分配劉意雄1、2、3、4、負責分配整體任務及任務調整工作； 主要學習仿真軟件 MULTISIM； 負責電路的仿真工作； 負責實驗電路的設計及推理工作，理解其原理；宋岳李昂王曉凱1、2、3、4、負責實驗電路的設計及推理工作，理解其原理； 連接電路，主要負責領取元件、電路板布局、原理 講解和芯片連接監(jiān)督工作在實驗進行過程中，必要時完成電路性能完善、改 進工作；連接電路時，主要負責芯片性能檢查、連接電路；1、2、3、4、相關資料查詢工作； 負責報告中各個模塊原理推理及書寫工作。

6、負責報告的部分書寫和整體排版工作； 負責報告的所需圖片截取和表格建立工作；第一章 設計任務要求設計并制作一個家用風扇控制器?？刂破髅姘鍨椋喊粹o三個，分別為風速、風種和停止。LED指示燈6個，指示風速強、中、弱，風種為睡眠、 自然和正常。電扇處于停轉狀態(tài)時，所有指示燈不亮，只有按下“風速”鍵時，才會響應，進入起始工作狀態(tài)；電扇在任何狀態(tài)，只要按停止鍵，則進入停 止狀態(tài)。處于工作狀態(tài)時，有：初始狀態(tài)為：風速弱，風種正常；按“風速”鍵，其狀態(tài)由“弱、中、強、弱、循環(huán);按“風種”鍵，其狀態(tài)由“正常、睡眠、自然、正常、循環(huán);風速的弱、中、強對應電扇的轉動由慢到快； 風種正常電扇連續(xù)運轉； 自然電扇模擬自

7、然風，即轉4s,停4s；睡眠一電扇慢轉，產(chǎn)生輕柔的微風，轉 8s,停8s；按照風速與風種的設置輸出相應的控制信號；第二章 設計方案分解、由 NE555 進行脈沖設計設計要求：在“風種”的三種選擇方式中，在“正常”位置時，風扇為連續(xù)運行方式，在“自 然”和“睡眠”位置時，為間斷運行方式。實驗電路需要兩個脈沖，其中之一為周期8S的脈沖，其中高電位4S，低電位4S，作為“自然”狀態(tài)的信號；第二個為周期16S的脈沖，其中高電位8S，低電位8S，作 為“睡眠”狀態(tài)的輸入信號。正常自然唾眠rF 16秒J（3）“風種”三種工作方式波形設計思路:采用74IS160作為“風種”方式控制器，由74IS139的三個

8、輸出端選中其中的一種 方式。間斷工作時，電路中用了一個8秒計時周期的時鐘信號作為“自然”方式的間斷 控制，二分頻后再作為“睡眠”方式的控制輸入。由NE555發(fā)生器產(chǎn)生周期8S的脈沖，其中高電位4S，低電位4S ;經(jīng)過74ls139 芯片得到第二個所需脈沖，周期16S的脈沖，其中高電位8S，低電位8S 0符合要求的脈沖產(chǎn)生之后，采用74IS160作為“風種”方式控制器，對三種脈沖在三種方式下進行選擇。由風種選擇電路的Q3、Q4和Q5作為選擇信號。有3種情況，即001、010和100 0分別對應選通Di、D2和D4輸入端。實驗電路圖:圖（4）555發(fā)生器脈沖產(chǎn)生Multisim仿真電圖（5）四進制

9、完成自然風的四秒周期、八進制完成睡眠風的八秒周期電路圖實驗推理：NE555脈沖產(chǎn)生參數(shù)設計，由于,T1 T2所以,R2 R1根據(jù)設計所需參數(shù)得出：R1 =2kQ R 2=2kQ C 1 =470F 由于由NE555產(chǎn)生信號太小，高電平約0.5，需經(jīng)過運算放大器放大10倍之后在進行二分頻。運算放 大器采用同相輸入法，由公式u0 （1 空）U可取Rf 9K ，R3 1 KR3因此，可以得到所需的三種脈沖，為簡化電路采用 74IS160芯片作為“風種”方式控制器，由74IS160的三個輸出端選中其中的一種方式。正常工作時，電路中用接通高 電平作為控制輸入；間斷工作時，電路中用了一個8秒計時周期的時鐘

10、信號作為“自然” 方式的間斷控制，二分頻后再作為“睡眠”方式的控制輸入。、狀態(tài)鎖存器“風速”、“風種”這兩種操作各有三種工作狀態(tài)和一種停止狀態(tài)需要保存和指示，因而對于每種操作都可以采用三個觸發(fā)器來鎖存狀態(tài)，觸發(fā)器輸出1表示工作狀態(tài)有效，0表示無效，當三個輸出為全0則表示停止狀態(tài)。為了簡化設計，可以考慮采用帶有直接清零端的觸發(fā)器，這樣將停止鍵與清零端 相連就可以實現(xiàn)停止的功能，簡化后的狀態(tài)轉化圖如圖（7）所示。圖中橫線下數(shù)字XX初Q2、Qi、Qo的輸出信號。根據(jù) 圖（7）狀態(tài)轉化圖，利用化簡后，可得到Q0、Q1、Q2的輸出信號邏輯表達式（它們可適用于“風速”及“風種”電路）：可選用4D上升沿觸發(fā)

11、器74LS175構成。圖（7）狀態(tài)轉化圖風不中f風速、觸發(fā)脈沖的形成J 丿</根據(jù)前面的邏輯表達式，我們可以利用 D觸發(fā)器建立起“風速”及“風種”鎖存狀 態(tài)電路，但這兩部分電路的輸出信號狀態(tài)的變化還有賴于各自的觸發(fā)脈沖。在“風速” 部分的電路中，可以利用“風速”按鍵（X）所產(chǎn)生的脈沖信號作為D觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖。而“風種”部分電路的觸發(fā)脈沖CP則是由“風速”（X）、“風種”（Z）按鍵的信號 和電扇工作狀態(tài)信號（設ST為電扇工作狀態(tài)，ST 1停，ST 0運轉）三者組合而成的。當電扇處于停止狀態(tài)（ST 1 ）時，按Z鍵無效，CP信號將保持低電平；只有按X鍵后，CP信號才會變成高電平，電扇也 同

12、時進入運轉狀態(tài)（ST 0）。進入運轉狀態(tài)后，CP信號不再受X鍵的控制，而是由Z鍵所控制。由此，我們可列出如表（1） 所示的CP信號狀態(tài)表，并可得到其輸出邏輯表達式：CP XST ZST （式中X為風速鍵的狀態(tài)，Z為風種鍵的狀態(tài)）ZXCP00100000011101001010100111111101表（1） CP信號狀態(tài)表由于ST信號可由“風速”電路輸出的三個信號組合而成。因而從表（2）所式的ST信號狀態(tài)表可得ST Qo Q1Q2當ST 1時，表示電扇停轉。當ST 0時，表示電扇運轉。最終，可以得到CP的邏輯表達式強（Q2）中（Q1）弱（Q0）0001001001000110100010101

13、1001110表（2）信號狀態(tài)表圖（8）風速電路圖圖（9）風種電路圖、電機轉速控制端由于電扇電機的轉速通常是通過電壓來控制的而我們要求有弱、中、強三種轉速， 因而在電路中需要考慮三個控制輸出端（弱、中、強），以控制外部強電線路。這三 個輸出端與指示電扇轉速狀態(tài)的三個端子不同，還需要考慮“風種”的不同選擇方式。如果用1表示某擋速度的選通，用0表示某擋速度的關斷，那么“風種”信號的輸入“4秒”，反映到面板上為L2和L5燈亮。表現(xiàn)就使得某擋電機速度被連續(xù)或間斷地選中，例如風種選擇“自然”風，風速選擇“中”時，電機將運行在中速并開“ 4秒”停在轉速控制端“中”上就是出現(xiàn)連續(xù)的1狀態(tài)或間斷的1和0狀態(tài)。

14、第三章實驗電路圖MULTISIM仿真電路圖圖（11）MULTISIM仿真電路圖第四章實驗電路整體說明參考電路如圖（11）可以從以下幾個部分予以說明:、狀態(tài)鎖存器電路“風速”、“風種”兩種狀態(tài)鎖存器電路均采用二片4D觸發(fā)器74IS139構成，每片三只D觸發(fā)器的輸出端分別與三個狀態(tài)指示燈相連。每片74IS139的清零端（R）均與停止鍵、觸發(fā)脈沖電路鍵X按動后形成的觸發(fā)信號作為“風速”狀態(tài)鎖存電路的觸發(fā)信號。鍵X、Z及部分門電路74LS01、74LS08構成了 “風種”狀態(tài)電路觸發(fā)信號 CP。電扇停轉時，ST= 0, X= 0,故圖中與非門U2輸出為高電平，U3輸出也為高電平，因而U4輸出的CP信號

15、為低電平。當按下X鍵后，X輸出高電平，U2輸出低電平，故CP 變?yōu)楦唠娖剑⑹笵觸發(fā)器翻轉，“風種”功能處于“正?！睜顟B(tài)。同時，由于 X鍵輸出的上升沿信號，也使“風速”電路的觸發(fā)器輸出處于“弱”狀態(tài)，電扇開始運轉,ST= 1。電扇運轉后，U2輸出始終為高電平，這樣CP信號與Z的狀態(tài)相同。每次按下Z并釋放后，CP信號上就會產(chǎn)生一個上升沿使“風種”狀態(tài)發(fā)生變化。在工作過程中,CP的波形圖如圖所示。圖（13） CP的波形圖在參考電路圖（11）中，X平時為低電平，而Z平時為低電平，在實驗時，可選用 實驗箱中的單次脈沖開關表示X、乙、“風種”三種方式的控制電路在“風種”的三種選擇方式中，在“正常”位置時

16、，風扇為連續(xù)運行方式，在“自然”和“睡眠”位置時，為間斷運行方式。參考電路中，采用74LS160作為“風種”方式控制器，由74LS139的三個輸出端選中其中的一種方式。間斷工作時，電路中用 了一個8秒計時周期的時鐘信號作為“自然”方式的間斷控制，二分頻后再作為“睡 眠”方式的控制輸入，如圖所示波形。圖（14）“風種”三種工作方式波形第五章實物安裝與調試第六章故障分析與電路改進丫改進提問：風扇最終輸出端只有一個，怎樣實現(xiàn)風速風種的雙重控制？；分析回答：通過風速、風種電路的串聯(lián)控制實現(xiàn)；通過與門芯片來實現(xiàn)雙輸入的選擇。通過老師指點和連接復雜程度比較比較選擇第二種方 法更為簡便且性能穩(wěn)定。2、II4

17、、改進提問：在仿真運行過程中出現(xiàn)了個別芯片由于缺少模擬端口無法模擬 運行的情況。分析回答：上網(wǎng)查找錯誤原因是由于步長太小。改進提問：在仿真過程中速度太慢，特別是在測 555產(chǎn)生脈沖周期時。3、分析回答：通過改變Multisim軟件中步長參數(shù)來實現(xiàn)，可以使運行速度加 快。從而節(jié)約時間，加快進度。I改進提問：連接電路時脈沖觸發(fā)“風速”顯示正常，但“風種”顯示不正 j 常。整體測試正常，但單個測試出現(xiàn)問題，偶爾下降沿也會觸發(fā)。!I分析回答：“風種”電路比較復雜，其觸發(fā)脈沖是 CP k1ST k2st II較難控制。在實際連接電路中，其中一個與非門芯片存在故障；并且線路I連接接口并不十分可靠；負脈沖產(chǎn)

18、生存在故障導致出現(xiàn)以上問題。I第七章設計心得通過自己和同組人的努力，實驗還是很圓滿的完成了。岡寸開始拿到課程題目，都不知道所以然，因為這種課程設計還是我們第一次做，而且對家用電風扇的設計也不 太了解。我們首先是查找相關資料，來了解這個設計。后來在圖書館查找相關書籍, 在網(wǎng)上收集一些資料，才慢慢對家用電風扇的設計有了初步的了解。最終，通過驗證證明，該設計方案是成功的。其中難免存在一些錯誤和缺陷，請 老師能給予批評和指證，使該設計更加準確。通過此次課程設計讓我親身參與電子產(chǎn)品的設計使我更加深深地體會到：現(xiàn)代社 會是靈活多變的社會，是信息的社會，很多與人們生活緊密相關的產(chǎn)品都是電子產(chǎn)品。作為一名機械

19、類專業(yè)，且已經(jīng)要進入大三的我們，我認識到我不僅要學好課本上的知 識，還要學會將所學到的知識聯(lián)系并應用到現(xiàn)實生活中，做到理論聯(lián)系實際。劉意雄通過本學期緊張而充實的課程設計，我學到了很多東西，并對我以后所要做的畢 業(yè)設計有了一個初步的了解。做好一個課程設計或畢業(yè)設計不僅要具備扎實的書本知 識并會善于應用，還要學會查閱資料，對以前學過的知識不清楚的地方還要進行復習， 實在搞不明白的地方要向老師或同學請教， 這樣才可能做出一個比較不錯的課程設計。此次課程設計我參與了其中電路設計與仿真接， 在整個過程中我們遇到很多問題，沒有頭緒，甚至要推翻從頭來過。但是整個團隊在最后都堅持下來，我想正是這份堅 持和不放棄的信念，才使得最后可以圓滿的完成此次課程設計。我們每個人學到的東 西都受益良久。韓春騰作為第一次做課程設計，也是大學生