陕西科技大学 电子课程设计洗衣机定时器.docx

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陕西科技大学电子课程设计洗衣机定时器

1选题背景

随着社会经济的发展，为满足人们的物质需求同时为人类生活带来很大的便利，智能洗衣机也渐渐成为人们家电行列不可或缺的一部分。

说道洗衣机现在可谓是功能越来越强但最终的基础还是用倒计时的思想以实现其他各类功能。

由此可见洗衣机中的定时控制器是整个洗衣机系统的核心，所以对我们来说设计一个性能优越的倒计时控制器显得尤为重要。

那么这次就是考验我们学以致用的能力了。

1．1指导思想

根据设计555单稳态触发器输入脉冲信号，通过74LS192双向10进制计数器实现对脉冲的计数达到定时的目的，配合必要的基本门电路实现控制问题。

同时通过LED灯的显示结果表示洗衣机转机的状态配合蜂鸣器来起到报警的作用。

先设计出个部分单元电路最后组合出整个设计图。

1．2方案论证

方案一：

用数字电路知识实现设计要求，利用从555单稳态脉冲产生秒脉冲信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，首先进行清零，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，向分钟计数器上面借数，与此同时，从秒十位出来的显示状态通过74HC138译码器后，辅助简单门电路用LED灯表示转机的状态，当用户设定的时间减少为零后，电路清零并报警。

其中使用数字电路设计有以下两种选择：

①采用74HC190来设计主体计数电路配合基本门电路达到设计要求。

主要优点不需要太多芯片，如用74HC138译码器来实现对转机状态的显示；缺点是门电路太多造成电路复杂焊接实物容易出错且不易检查错误而且总体电路图没有清零端导致设计缺陷；②采用74HC192来设计主体计数电路配合必要芯片和必要门电路达到设计要求。

主要优点总体电路较方案一简单焊接易操作，且能在很大程度上避免常识性错误；缺点是芯片价格较贵，实现电路要求性价比不高。

方案二：

用单片机做成电路，可采用一块51单片机作为核心，使用两位数码管、多个开关、三个LED灯、一个个蜂鸣器和一些驱动电路作为外围设备，同样也能达到设计要求，并且电路比较简单。

综合考虑：

因为数字电路学习较早且学的较为扎实设计起电路来思路清晰，对各电路比较了解，也符合此次课程设计的要求，加上相比单片机不需要编写程序且价格还能接受同时考虑到之前电子实训对焊接技术的训练以及在电子电路设计简化方面的薄弱和未来实物质量的保障性加上芯片价格与较多门电路芯片相比差价不是很高的综合考虑下决定选第一种方案并用74LS192配合芯片完成设计图。

1．3基本设计任务

设计一个泳衣机定时控制器，洗涤模式为：

设计要求：

（1）洗涤时间在99分钟内由用户自行设定，单位为分钟。

（2）用两位数码管显示洗涤的预置时间（以分钟为单位），对洗涤过程作计时显示，直到时间到而停机。

（3）当定时时间达到终点时，一方面使电机停机（用三个LED表示电机的状态），同时发出音响信号提醒用户注意。

1．4电路特点

整个电路以74LS192为主体控制电路，74LS192是一个双向计数器本次设计的电路时期工作在减技术状态下实现时间的倒计时；由555单稳态脉冲触发器来产生实现秒脉冲，通过LED数码显示管显示时间，配合74LS138译码器和必要门电路以及3个LED灯实现此时转机状态。

最后当客户设置的洗衣时间到蜂鸣器响开始报警且此时转机停止，电路整体显示两个零（分的个位和十位）。

总体成图相比其他课设成图比较简单只涉及到数电的知识不会因为外界干扰产生较大误差。

2电路设计

2.1总体方框图

洗涤时间显示

↑↑

1HZ脉冲产生→秒脉冲计数器→分脉冲计数器←洗涤时间

↑↓

控制开关工作时间译码器→LED显示转机工作状态

图1总体方框图

2.1工作原理

定时器实际上包含两级定时的概念，一是总洗涤过程的定时，而是在总洗涤过程中又包含电机的正转、反转和暂停三种定时，并且这三种定时是反复循环直至所设定的总定时时间到位置。

当总定时时间在0—99分钟以内设定一个输入之后T为高电平1，然后用倒计时的方法每分钟减1直至T变为0.在此期间，若Z1=Z2=1，实现正转；若Z1=Z2=0，实现暂停；若Z1=1,Z2=0,实现反转。

工作波形如下图所示。

图2脉冲信号

实现定时的方法很多，比如采用单稳电路实现定时，又如将定时初值预置到计数器中，使计数器运行在减计数状态，当减到全零时，则定时时间到。

而方案一的电路原理图就是采用这种方法来实现的。

由秒脉冲发生器产生的时钟信号经60分频后，得到分脉冲信号。

洗涤定时的时间的初值先通过拨码开关设置到洗涤时间计数器中，每当秒脉冲到来计数器减1，从秒的个位十位到分的个位十位开始减计数直到定时时间到为止。

运行中间，剩余时间经译码后在数码管上进行显示。

3各主要电路及部件工作原理

3.1秒脉冲发生器

由于555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。

所以由555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。

选择用555定时器构成多谐振荡器，使之产生周期为1s，频率为1Hz的脉冲。

由T=（R1+R2）Cln

（2）=1,q=（R1+R2）/（R1+2R2）=2/3,取C=10μF，可计算出：

R1=47ΩR2=47KΩ。

故取C1=0.01μFC2=10μFR1=R2=47KΩ则555的输出端即可产生频率为1HZ的脉冲。

3.274LS192计数电路

74LS192引脚图

74LS192功能表

①CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

②LD为预置输入控制端，异步预置。

③CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

④CO为进位输出：

1001状态后负脉冲输出，

⑤BO为借位输出：

0000状态后负脉冲输出。

整个设计图计数控制部分：

因为74LS192是十进制可逆计数器为实现分秒计数功能需要将前两个级联成为60进制的计数器。

一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是相同的，不同的是它们的输入脉冲和进制不同而已。

本设计中用四片74LS192来实现分计数和秒计数的功能，要求需要减计数，所以要把它的UP端接到高电平上去,DOWN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LOAD端和借位端BO联在一起，再把秒个位的BO端和秒十位的DOWN连在一起。

当秒脉冲从秒个位的DOWN端输入的时候秒计数的74LS192开始从9减到0；这时，它的借位端BO会发出一个低电平到秒十位的输入端DOWN，秒十位的计数从6变到5，一直到变为0；当高低位全为零的时候，秒十位的BO发出一个低电平信号，DOWN为零时，置数端LOAD等于零，秒十位完成并行置数，下一个DOWN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，道理当然也是一样的；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BO端接到分计数的DOWN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，这些计数起工作，其中清零端CLR要处于低电平，置数端LOAD不置数时要处于高电平。

把四个74ls192的Qa、Qb、Qc、Qd都接到外部显示电路上就可以看到时间的显示了。

作为洗衣机控制的一个模块，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，分计数器和秒计数的清零端CLR是接在一起的，计数器正常工作是CLR处于低电平，所以当要从外部强制清零的时候要给CLR端送一个高电平信号。

利用计数器的UP端进行外部置数，当它们各接到低电平（平时保持高电平，外部给一个低电平就输入一个低电平）的脉冲上，就可以实现0到9的置数了。

最后直到用户设定的时间到，蜂鸣器开始报警停机。

3.3电机运转状态显示电路

74HC138的引脚图

3线-8线译码器74HC138的功能

最终显示转机状态的电路图：

根据题目要求知道洗衣机运转一个周期正好是1分钟，因此我们可以想到利用秒十位74LS192的低三位输出，利用译码器及基本的门电路来实现电路工作状态的显示。

具体做法是将秒十位的Qa、Qb、Qc分别接至A、B、C端进行译码，将输出4、5，0、3，1、2分别接至与非门输出分别接至LED4、LED5、LED6，从而实现洗衣机工作状态的指示。

根据题意正转20秒时显示5和4，然后暂停10秒显示3，反转20秒显示1和2，最后暂停10秒显示0.

3.4数码管显示时间电路

为了简化电路设计图上图没有接数码管的驱动电路，实际生活中并没有四引脚的数码管因此还必须使用10引脚的数码管所以在焊接实物时必须接CD4511来驱动。

显示电路较为简单基本只要连线正确搞清楚共阴还是共阳就不会有太大问题。

4原理总图

总电路图：

由各单元电路综合连接得到。

此电路可基本实现洗涤状态、洗涤剩余时间的显示，洗涤时间的预置，时间减为0时停机，报警，启动清零可控等功能。

5元器件清单

表格5-1元器件清单

元件名称

数量

元件名称

数量

74LS192

4个

CD4511

2个

CD4072

2个

74HC04

1个

74HC138

1个

74HC00

1个

555

1个

蜂鸣器

1个

发光二极管

红1个绿1个黄1个

单刀单掷开关

2个

拨码式开关

2个

陶瓷电容

10nf1个，10uf1个

电阻

4.7K14个

电阻

1k5个

6调试过程及测试数据（或者仿真结果）

为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。

6.1通电前检查

电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。

①上电之前利用万用表检查是否有短路现象，利用万用表检查是否有虚焊漏焊现象。

②上电后观察各个模块是否有发热现象同时注意电路中发光二极管发光亮度防止电流过大烧坏器件。

③检查外设辅助电路是否有明显的逻辑错误。

④观察计数器是否工作主要看是否计数，时刻监测四个74LS192的级联是否合理会不会产生抖动现象。

⑤最后检测蜂鸣器两端电压以及从信号端与最后变为全0通过与门出来的电压。

6.2通电检查

6.2.1按钮开关的检查

首先将按钮开关和其他电路模块断开，只留按钮开关部分。

其次，给电路两端接5伏直流电压。

理论上对于单刀双掷开关来说按下时跟电压正极一致，弹上来时与另一模块电路相连。

最后还有对于拨码开关的检测扳上去为刚电平断开时为低电平。

6.2.2NE555单脉冲触发器模块的调试

将555的输出端Q3与计数器的DOWN端断开来，上电后将输出端与示波器的正极相连，示波器负极接地。

查看示波器上的波形通过计算周期检测1S的信号脉冲是否正确。

开始时由于漏接线导致浪费跟多时间在这个模块，后经过别人帮忙检查才发现竟然是漏接线，想想真是不应该。

6.2.3CD4511与74LS192以及数码管显示单元电路的调试

在确定前面555模块没问题后开始对最重要模块的调试，对于这次实物因为一开就有别人的建议所以焊接的特别整齐不管是排版还是布线都是井井有条，在一开始上电后计数就没有问题出现，真是给人莫大的鼓励，然后小问题就是由于之前设计电路的局限性造成不能自由置数导致开始只能从99分钟开始倒计数，还有有时的数字显示不是很稳定。

为此我通过74LS192和74HC192的对比选定利用TTL门电路悬空端即是接地即低电平的特性利用拨码开关通过控制192的置数端实现洗衣机在0到99分钟内的自由置数。

对于解决解决抖动问题是通过检查虚焊和重新焊接而得到改善的因为设计图中不涉及模电部分故而系统的稳定性收外界变换几乎毫无影响。

由此整个实物的大部分功能均已经实现了只差信号控制部分和清零端的调试以及转机显示状态电路的调试。

6.2.474HC138模块电路的调试

本模块的主要功能是通过译码器读取秒十位的状态利用与给门结合显示转机的工作状态。

在之前电路无误的基础上观察发光二级管状态是正确的，最后又用自己手机定时检测三个灯的显示时间间隔是否正确。

在误差较小范围内所有灯的状态都是正确的。

6.2.5控制信号的调试

这是整个电路遇到的最大问题，不知道为什么封不住信号也就是在全部技术为0是洗衣机转机还在工作，经过N多天的调试和查资料以及尝试终于在192的触发方式上经过改进使得其上升沿改为下降沿解决信号问题。

至此整个调试过程节步入尾声。

6.3结果分析

整个实物从设计电路图到成型出来花费大概一个多月时间。

最后结果基本达到设计要求。

7小结

对于本次课程设计总体还是比较满意的因为第一是自己一手在做，出现问题首先是自己检查根据特定问题提出可行性方案进行修正。

不过最后交作品时任然有丢掉一分原因是秒脉冲时间误差，相信在以后的设计中自己也会更加注重细节。

8设计体会及今后的改进意见

8.1体会

经过长达一月多的战斗我的洗衣机定时控制器原理实物终于是做出来了，整个过程真是让人难忘，每次都是早早去实验室占位置占烙铁让后基本上就一天都在那奋斗饭都顾不上吃真的是。

记得我们专业开始起步的比较晚大家都想尽快完成，都是废寝忘食。

正因为太专注以至于自己的衣服都别烧坏了都不知道还是闻到气味后才反应过来，还真是惊心动魄。

在调试阶段还好因为之前一直有同学建议我焊接时一定要有条理所以我的实物焊接的很漂亮而且基本上没出想大问题，各个大模块的调试很快就通过了，然而最让我头疼的竟是最后信号的控制问题，为此一度都失眠了，自己真的尝试了很多方法但就是不行，万用表检测就是或门的问题因为输入两个0是出来的电平是1.24V左右而与门基本就不能辨识到底是那种电平了。

所以一度都否认自己电路图有问题，尤其是看到别的同学陆续出结果的时候就更着急了，走在路上都在想这个问题怎么解决。

后来是受的同学的启发以及老师的指导然后我去查询了192以及与门或门的功能表和内部结构还有192计数器的触发方式，进过学习最终找出问题是由于一般技术状态下从分的十位和个位出来的信号为高电平当它瞬间变为低电平时会产生竞争冒险从而影响192的触发方式使得192在瞬间又变到计数方式去，为此我给从高两位192或门出来的信号加了反相器终于解决了问题。

这次课设我最大的收获就是合作，耐心，细心。

自己不可能做到面面俱到有时可能很小的问题自己一个人一天也得不到解决，为此多和别人交流学习就是快速学习的方式，然后就是不能放弃不在最茫然的时候怀疑自己相信自己有自信就会成功；最后就是基础知识的在学习任何东西都离不开基础所以遇到问题从基础检查一般就会得到解决。

总体来说我是成功的收获了自信收获了知识更训练了思考问题的思维，相信在日后的学习生活中我会更加注重基础注重细节。

8.2本方案特点及存在的问题

特点：

所用的芯片为TTL器件稳定性以及价格都没有HC的更具优势，所以日后如果考虑到大批量生产肯定不适合，以后还得多学学COMS器件。

存在的问题：

NE555脉冲触发器产生的1S脉冲信号误差较大，在计算电阻电容值时叫绝对值又较大出入。

8.3改进意见

由于器件本身也会与理想值有偏差有误差是难免的但经过本次课程设计我知道在计算参数是应尽量在误差允许范围内使其大一点，这样再进过信号衰减等一系列其他影响最后真正有用的信号有何较大可能趋于准确值。