洗衣機定時控制系統(tǒng)數(shù)字電路課程設計

1、<p>　　1 Proteus軟件簡介</p><p><b>　　1.1 概述　　</b></p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。

2、雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33

3、、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 </p><p>　　1.2 具有四大功能模塊：　</p><p>　　1.2.1 智能原理圖設計（ISIS） </p><p>　　豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地

4、創(chuàng)建新元件； </p><p>　　智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件； </p><p>　　智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；</p><p>　　支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰； </p><p>　　輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙

5、，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。</p><p>　　1.2.2 完善的電路仿真功能（Prospice） </p><p>　　Prospice混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；</p><p>　　超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter

6、也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件； </p><p>　　多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入； </p><p>　　豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏

7、輯探頭、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器等； </p><p>　　生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動； </p><p>　　高級圖形仿真功能（ASF）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進

8、行一致性分析；</p><p>　　1.2.3 獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM） </p><p>　　支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器； </p>

9、<p>　　支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信； </p><p>　　實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RT

10、C仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真； </p><p>　　編譯及調試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試； </p><p>　　1.2.4 實用的PCB設計平臺 </p><p>　　原理圖到PCB的快速通道

11、： 原理圖設計完成后，一鍵便可進入ARES的PCB設計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產品的完整設計； </p><p>　　先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設計更為合理； </p><p>　　完整的PCB設計功能：最多可設計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規(guī)則檢查，3D

12、 可視化預覽； </p><p>　　多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導入或導出，便利與其它PCB設計工具的互轉（如Protel）和PCB板的設計和加工。 </p><p>　　1.3 Proteus提供豐富的功能塊</p><p>　　1.3.1 Proteus可提供的仿真元器件資源</p><p>　　仿真

13、數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。 </p><p>　　1.3.2 Proteus可提供的仿真儀表資源</p><p>　　示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。 </p><p>　　1.3.3 其他功能 </p>

14、<p>　　除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結果的影響。 </p><p>　　1.3.4 Proteus可提供的調試手段 </p><p>　　Proteus提供

15、了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。</p><p><b>　　2 設計思路</b></p><p><b>　　2.1設計總體思路</b></p><p>　　從課程設計要求來看，要求實現(xiàn)電機的正傳、反轉、暫停，實際上沒又電機給我們接上，這回要用四哥LED燈的狀態(tài)來表示，當顯示時間前

16、20秒正傳、暫停10秒、反轉20秒、再暫停10秒，如此一來，周期恰好是60秒，理所當然的分鐘計數(shù)器、秒計數(shù)器是一定要有的。接下來脈沖是一定的了，但是有分鐘計數(shù)器和秒鐘計數(shù)器還要考慮是不是要60分頻器，就我們所學過的來說實現(xiàn)循環(huán)有移位寄存器；還有個問題，當洗滌時間到了，報警還要一個報警電路，根據(jù)人性化、自動化、低成本的設計原則，報警的蜂鳴器不可以長時間的叫，要有個合理的時間，我們可以用一個單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)?？雌饋磉€不錯啊，如果這樣想那就嫌

17、早了點，還有一個問題要解決：如何提取時間并使循環(huán)電路工作的信號?方案有兩種：一是直接從數(shù)值上進行提取信號來控制一個可以實現(xiàn)循環(huán)的74LS194來實現(xiàn)；另一種是制作一個二十進制到十進制的循環(huán)轉化來把這一分鐘走完，但是從電路的復雜程度和經濟性來說，顯然后者太過于復雜，也不利于接線和排故障，雖然難度會大一些、出成果的時間會比別人晚，但是要設計一個真正可以讓用戶用放心使用的產品，還得這樣做。尤其是最后的循環(huán)電路用兩個194一定可以很容易實現(xiàn)&l

18、t;/p><p><b>　　2.2基本原理</b></p><p>　　首先，從秒脈沖出來的信號，經過一個控制電路后進入秒計數(shù)器進行秒計數(shù)，進行清零，這時用戶置入洗滌時間，并按開始按鈕，洗衣機開始工作。當秒計數(shù)器變?yōu)榱愕臅r候，去分鐘計數(shù)器上面借數(shù)；與此同時，從十秒位轉化出來的信號進入移位寄存器后，LED燈表示出電機運轉狀態(tài)；當用戶設定的洗滌時間結束后，電路報警并清零；同

19、時電機指示燈熄滅。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)設計框圖</b></p><p><b>　　如下圖所示</b></p><p>　　圖2.2.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　3 電路模塊設計</b></p><p>　　3.1芯

20、片74ls192的邏輯功能</p><p>　　圖4.1.1 74LS192元件示意圖</p><p>　　74LS192的功能表如下表 4.1.1邏輯示意圖 所示</p><p>　　表-4.1.1 74LS192邏輯示意圖</p><p>　　3.2 1Hz矩形脈沖產生電路</p><p>　　需要的秒脈沖發(fā)生

21、器可以由一個集成的555定時器構成，當電源接通后，VCC通過對R1、R2向電容充電。電容上得到電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當電容上的電壓上身到2/3VCC時，輸電壓VO為零，電容放電。當電壓下降到1/3VCC時，輸出電平為高電平，電容放電結束。這樣周而復始便形成了振蕩。如下圖-4.2.1 1Hz矩形脈沖波產生電路。</p><p>　　圖 4.2.1 1Hz矩形脈沖波產生電路</p><p>　

22、　555定時器構成的多諧振蕩器所輸出的矩形脈沖信號的頻率計算式為</p><p>　　故選定元件參數(shù)，R1=63K，R2=40K，C1=10uF，C2=0.01uF。其中電容C2的作用是抗干擾用的，以提高電路的穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3 遞減計數(shù)器與時間顯示</p><p>　?。?）分、秒計數(shù)器的設計</p><p>　　一百進制

23、分計數(shù)器和六十秒計數(shù)器的原理是一樣的，不同的只是它們的輸入脈沖和進制不同而已，我們用四片74LS192來實現(xiàn)分計數(shù)和秒計數(shù)功能，我們要的只是減計數(shù)，所以我們把它的UP端接到高電平上去,DN端接到秒脈沖上；十分秒位上的輸入端B、C端接到高電平上，即從輸入端置入0110（十進制的6），秒十位的PL端和借位端TCD聯(lián)在一起，再把秒位的TCD端和十秒位的DN聯(lián)在一起。當秒脈沖從秒位的DN端輸入的時候秒計數(shù)的192開始從9減到0；這時，它的借位端

24、TCD 會發(fā)出一個低電平到秒十位的輸入端DN，秒十位的計數(shù)從6變到5，一直到變?yōu)?；當高低位全為零的時候，秒十位的TCD發(fā)出一個低電平信號，DN為零時，置數(shù)端PL等于零，秒十位完成并行置數(shù)，下一個DN脈沖來到時，計數(shù)器進入下一個循環(huán)減計數(shù)工作中。</p><p>　　對于分計數(shù)來說，道理也是一樣的；只是要求，當秒計數(shù)完成了，分可以自動減少，需要把秒十位的借位端TCD端接到分計數(shù)的DN端作為分計數(shù)的輸入信號來實現(xiàn)秒

25、從分計數(shù)上的借位。當然，這些計數(shù)器工作，其中的清零端MR要處于低電平，置數(shù)端不置數(shù)時要處于高電平。這是一個獨立工作的最高可以顯示101分鐘的計時器。把四個192的QA/QB/QC/QD都接到外部的顯示電路上就可以看到時間的顯示了。作為洗衣機控制器的一個模塊，它還得有一定的接口來和其他的模塊連接在一起協(xié)調工作，分計數(shù)的清零端MR是接在一起的；秒的清零端PL又是接在一起的，所以當要從外部把它們強制清零時，可以用一個三極管（NPN）或者兩個或

26、門就可以實現(xiàn)該功能。還有我們可以利用分計數(shù)的UP端來進行外部置數(shù)，當把它們各接到一個低觸發(fā)（平時保持高電平，外部給一個力就輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現(xiàn)從0－9的數(shù)字輸入。</p><p>　　(2)分、秒計數(shù)器的電路圖</p><p>　　其電路圖如下所示： 圖 4.3.1 時間顯示電路</p><p>　　3.4 洗滌時間設置電路&

27、lt;/p><p>　　我們可以利用分計數(shù)的UP端來進行外部置數(shù)，當把它們各接到一個低觸發(fā)（平時保持高電平，外部給一個力就輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現(xiàn)從0－9的數(shù)字輸入。因此設計出洗滌時間設置電路如下圖 4.4.1洗滌時間設置電路，每次按動開關都將使洗滌時間的對應位（十位或者個位）增加1，最大增加至9，又由于所設置洗滌時間為60分內，故當我們對洗滌時間進行設置時，十位所置數(shù)小于6。</p>&l

28、t;p>　　圖 4.4.1 洗滌時間設置電路</p><p>　　3.5 工作狀態(tài)顯示電路</p><p>　　第一步：分析洗衣機的工作狀態(tài)，對于洗衣機電機的工作順序有“啟動——>正轉20s——>暫停10s——>反轉20s——>暫停10s——>停止... ”，我們可以將三種工作狀態(tài)假設為正轉，暫停，反轉依次設為01,00,10。從而設計出合適電路如下圖-

29、4.5.1工作狀態(tài)顯示電路：</p><p>　　圖 4.5.1 工作狀態(tài)顯示電路</p><p>　　第二步：分析實驗設計中要求用4個LED模擬洗衣機的動作狀態(tài):LED1～LED4右移循環(huán)點亮表示正轉，LED1～ LED4左移循環(huán)點亮表示反轉，LED1～LED4同時閃爍點亮表示暫停，全滅為停止，顯然可以利用移位寄存器來設計，但是由于本次設計未能成功利用移位寄存器仿真而轉換了思路，選擇了利

30、用正轉、暫停、反轉的三種不同狀態(tài)分別為01、00、10，以1表示工作以0表示暫停從而分次序的完成設計。</p><p>　　首先，考慮到LED的連續(xù)循環(huán)點亮，可以想到控制LED一端電平的連續(xù)循環(huán)變化達到要求，又由于有4個LED,我們采用4進制計數(shù)器即可產生循環(huán)變化的4個數(shù)，這樣我們可以利用譯碼器從而在4個輸出端得到依次變化的低電平，如此，我們可以將LED另一端接高電平，從而實現(xiàn)循環(huán)點亮。</p>&

31、lt;p>　　其次，考慮到存在正轉和反轉兩種不同狀態(tài)，我們需要改變譯碼器輸入端的數(shù)字變化次序，如此分析四個數(shù)字變化規(guī)律，以及利用正反轉表示狀態(tài)的不同來設計出合適門電路。在此次設計中，我們采用74ls192構成一個4進制減數(shù)計數(shù)器，同時利用正反停指示器1在正轉時電平為0，反轉時電平為1來構成合適門電路。簡略列出真值表如下表 4.5.1正反轉指示電路邏輯表：</p><p>　　表-4.5.1正反轉指示電路邏輯

32、表</p><p>　　于是我們可以發(fā)現(xiàn)我們可以利用異或門電路來完成這一構想，從而實現(xiàn)出正轉與反轉兩種狀態(tài)下LED不同的循環(huán)狀態(tài)。</p><p>　　最后，剩下的就是暫停狀態(tài)的顯示了。先區(qū)分出暫停與工作狀態(tài)的不同，利用上面設置的工作狀態(tài)表示，我們可容易得到工作以1表示，暫停以0表示。如此可利用這兩種電平控制譯碼器的工作，容易得到工作時狀態(tài)如上步分析，暫停時燈全部熄滅。為使其能閃爍，我們可

33、以考慮利用脈沖信號，工作狀態(tài)的表示與門電路來設計。</p><p>　　綜合上述分析，我們可以設計出LED控制電路如下圖-4.5.2控制電路</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　圖 4.5.2 LED控制電路</p><p><b>　　3.6 控制開關</b></p&

34、gt;<p>　　現(xiàn)在各單元電路完成了，最后要把它們有效的結合起來聯(lián)合工作，實現(xiàn)目的功能。我們要求在給分鐘置數(shù)的同時秒要顯示為零；外部還要有強制停止并清零；還有暫停功能。</p><p>　　對于置數(shù)來說，我們可以在分鐘計數(shù)器的UP端到高電平之間各用一個開關接上，就當給它一個低電平時，計數(shù)器就往上增加1。但是，192要求在UP端工作的同時，其DOWN端要為高電平，且秒計數(shù)器要為零，我們可以讓秒計數(shù)器

35、清零，同時把脈沖停止了。在高電平上接上一個開關，讓它接到一個JK觸發(fā)器上，同時把JK觸發(fā)器的JK端接1，讓它實現(xiàn)觸發(fā)功能。讓它的Q端輸出到秒計數(shù)器的清零端，這樣剛開機或者再按一下開機鍵就可以對秒計數(shù)器清零。把JK觸發(fā)器的Q反端和從分計數(shù)器借位端LCD反相出來的信號接到一個與非門上，從與非門出來的信號接到分計數(shù)器的DOWN端來保證置數(shù)的時DOWN是高電平。但是如果僅是這樣的話，當置數(shù)完成再一次按開機鍵（如圖所示）時，沒有脈沖信號輸入到秒計

36、數(shù)器的DOWN端，192并不可以工作。</p><p>　　我們可以把脈沖和JK觸發(fā)器Q反端接到一個與門上，然后把它上輸出端接到秒計數(shù)器的DOWN端以控制計數(shù)。先歇息一下?，F(xiàn)在的問題是，循環(huán)的發(fā)光二極管沒有受到控制鍵的控制，所以還得把受到控制的從與門U12出來的信號輸出到移位寄存器194的時鐘信號CLK上。最后要解決一個大問題，當所置的洗衣時間完成后，要發(fā)出報警并自動清零。至于報警電路我們知道當計數(shù)器全為零的時候

37、，從秒位會發(fā)出一個借位信號，一直接到十分位上去，十分位會發(fā)出一個借位信號，我們可以用這個信號來作為報警并清零的信號，平時192的借位端保持的是高電平，當有借位信號時，其變成0，我們在分十位借位端接一個非門，再把它和分位的CLR端一起接到一個與門，也需要把它接到一個JK觸發(fā)器（U10）上作為其時鐘信號，其后再接到單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端TRI，單穩(wěn)態(tài)的輸出端接到蜂鳴器上。而該與門（U14）的另一輸入端接在控制開關J3上，與門出去仍然接在JK觸發(fā)

38、器U9上，這樣當洗衣時間完成后，十分計數(shù)器的借位端TCD端發(fā)出的0信號就可以經過以上路徑而變成1到達與門，同時JK觸發(fā)器得到一個觸發(fā)信號而輸出到單穩(wěn)態(tài)，但一段時間后其自動停止。同時發(fā)出的1信號使U9發(fā)出1</p><p>　　到此，一個電路總算還可以了吧，我們有時還需要讓它休息一下，我們改變一下洗衣量時，就還需要一個暫停鍵，只要把秒脈沖切斷就可以了。我們可以在控制脈沖輸出的與門U12和脈沖到達端之間接入一個由開關

39、控制的JK觸發(fā)器來控制的與門，這樣就可以控制脈沖的輸出了。我們知道與門是其中一輸入為零時，無論另一端時怎樣的其輸出為零，但一端為1時，另一端輸入什么與門就可以輸出什么?，F(xiàn)在控制端也連起來了，這樣，一個完整的洗衣機控制電路就完成了。</p><p>　　LED模擬洗衣機工作狀態(tài)的同時，也作為洗衣機的報警系統(tǒng)，全滅為報警。</p><p><b>　　5 電路圖</b>&

40、lt;/p><p>　　綜合上面的原理，設計思路，以及每部分電路的設計，得到電路圖如下圖-5.1：</p><p>　　圖 5.1 電路總圖</p><p><b>　　6元件清單</b></p><p><b>　　7分析與改進</b></p><p><b>　　7

41、.1改進：</b></p><p>　　需改進點1：控制開關的設定</p><p>　　需改進點2：工作60分鐘后的清零設置</p><p>　　需改進點3：LED控制電路中的燈的循環(huán)及其閃爍控制</p><p>　　需改進點4：分秒置數(shù)開關的設定</p><p>　　改進1：利用開關控制555的電源輸入。

42、</p><p>　　電路功能實現(xiàn)：兩個置數(shù)開關可以控制洗滌時間的設置，控制開關控制電路的工作，復位開關控制顯示器的清零。</p><p>　　改進2：利用十分位計數(shù)器的借位端平常均為1，工作到60分鐘后為0的特性，設置為JK觸發(fā)器的脈沖輸入，從而控制清零端MR。</p><p>　　改進3： LED的循環(huán)閃亮主要是改變譯碼器的輸入端，正轉時為輸入順序位A，反轉時輸

43、入順序應該相反，設置好4進制計數(shù)器，然后利用其輸出端Q1、Q0的變化規(guī)律列出真值表，求出所需門電路。</p><p>　　改進4：利用觸發(fā)器有UP上升沿觸發(fā)特性，為其可控置入低電平以改變十分位和個分位的顯示。</p><p><b>　　7.2電路分析</b></p><p>　　控制開關SW1控制電路的啟動、停止工作，當SW1撥通時，電路接通

44、，正常工作；當SW1撥向地時，電路停止工作。</p><p>　　兩個置數(shù)按鈕可以控制洗滌時間的設置，每按動一次設置button鍵，出現(xiàn)一次時鐘脈沖信號，計數(shù)器加1，從而沖洗滌時間在0-90分鐘內任意設定（滿足60分鐘的要求）。復位開關控制顯示器的清零。</p><p>　　譯碼器和邏輯門電路產生01、00、10三種不同狀態(tài)控制洗衣機正轉、暫停、反轉。若設置一個50s周期內，前20s四個燈

45、紅燈右移點亮，表示正轉；10s 四個燈同時閃爍點亮，表示暫停；后20s四個燈左移點亮，表示反轉，時間減到0時4個燈全滅，表示停止。</p><p>　　在仿真的過程中，出現(xiàn)的結果基本符合要求。計數(shù)器計時無誤，“正轉”、“反轉”、“暫?！钡闹甘緹魟幼饕舱_，定時結束時，能自動清零，同時指示燈亮，表示提醒時間到。</p><p>　　值得高興的是，獨立思考之后，能完成預置功能，脈沖發(fā)生器的周期

46、達1.0027s，和理想的1s脈沖相當接近！</p><p>　　不足的地方就是，設計要求當定時時間達到終點時，一方面使電機停機，同時發(fā)出音響信號提醒用戶注意。我沒有設計好報警器的電路，只是運用四個燈全滅來表示。</p><p><b>　　8小結與體會</b></p><p><b>　　9 參考文獻</b></p

47、><p>　　[1] 姚福安.《電子電路設計與實踐》.山東：山東科學技術出版社 2002.[2] 康華光.《數(shù)字電子基礎(第五版)》.北京:高等教育出版社,2001.[3] 傅曉林.《電子技術課程設計實用教程》. 重慶交通學院電工電子出版社 2006.</p><p>　　[4] 彭介華.《電子技術課程設計指導》.北京：高等教育出版社 2004.</p><p>