沈阳航空航天大学数电全自动面包机控制电路报告Word文件下载.docx
《沈阳航空航天大学数电全自动面包机控制电路报告Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沈阳航空航天大学数电全自动面包机控制电路报告Word文件下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
整个循环结束后，蜂鸣器鸣响5声以作提示（1kHz）。
二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；
验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.杨萍.数字电路和数字系统．[M]北京：
人民邮电出版社，2009年
2.宋竹霞.数字电路实验.[M]北京：
清华大学出版社，2011年
五、按照要求撰写课程设计报告
一、概述
本次课程设计的题目是全自动面包机控制电路：
近年来人们对于生活品质的要求正在提高，饮食是人们日常生活中最重要的一部分，食品安全问题的存在使人们希望能自己动手制作安全美味的食物，因此食品制作工具的小型化，家庭化逐渐成为了一种趋势；
这也正是本设计的出发点，为用户打造一个简便操作的全自动面包烘焙机，让用户在家就可以随时轻松制作出放心美味的面包。
实现一个全自动面包机控制电路（以下简称“面包机”）需要考虑烘焙面包的整个流程，大致分为：
和面（低速）—和面（高速）—休息—和面（高速）—休息—发酵—烤制等7步，所以控制电路需要实现的是在对应的时间节点控制对应模块电路的开启和关闭，依次完成流程中每个部分，完成制作面包的任务。
基本的设计原理就是把面包机工作的过程进行状态编码，选用合适周期的时钟信号驱动状态计数器工作，在计数器输出端输出对应的状态编码时，为分电路提供开启工作信号，状态结束时提供分电路关闭工作信号，这样就实现了对不同工作状态的控制，状态计数结束即面包制作完成；
依据设计的整体思路和原理，具体的实现方法就是把整个制作时间进行均分，以单位时间作为时钟信号的周期，计数器在时钟信号的驱动下进行状态计数，并对计数输出端状态进行译码，在对应过程的状态数由译码输出控制信号，开启或关闭对应过程。
本设计报告由概述、方案论证过程，电路设计，电路性能测试以及结论等主要部分组成；
通过设计，实现了任务书中对于面包机功能的要求：
可以在不同的阶段启动或关闭电机或发热管（设计中以信号灯代替实际的电机、发热管），并在关键节点鸣响蜂鸣器做出提示，允许在面包机运行过程中对运行程序进行手动暂停和复位，具有整个过程的倒计时功能，基本实现了任务要求。
二、方案论证
首先介绍面包机设计的方案：
按照整体的设计分析，采用555定时器构成多谐振荡器产生周期为T的时钟脉冲，通过传输门提供给由74160级联的29进制状态计数器，依据各阶段工作时间nT，在对应计数状态n通过译码器输出工作信号，驱动分电路工作或使蜂鸣器发出提示声，在所有状态结束后关闭时钟信号传输门整个制作过程停止；
在运行过程中通过给计数器置零信号实现状态复位，通过停止脉冲输入实现暂停功能，在仿真中以信号灯代替电机，信号等亮代表电机工作，反之表示电机没有工作。
面包机功能框图如下：
图1全自动面包机功能框图
设计的科学性分析（按模块进行阐述）：
时钟信号发生模块是由555定时器构成的多谐振荡器组成，多谐振荡器可以通过调节外接的电阻的阻值和电容的容值对输出信号的周期进行调整，得到期望的时钟周期；
状态计数器模块是由两片74160十进制计数器级联形成的29进制计数器，一片为计数片，一片为进位片，计数输出给译码器；
状态译码模块是由3片4-16译码器组成，每片的数据端阶状态计数器计数片的输出端，片选端接状态计数器进位片的输出端，译码输出端为低电平有效；
倒计时模块采用的是两片74190加减法计数器，选择减法计数端，通过预置数实现29进制减法计数；
蜂鸣器模块通过计数器来控制蜂鸣器鸣响的次数；
设计的可行性分析：
本次设计的仿真环境是Multisim12，该软件有较完备的元件库，能够满足设计所涉及的元件需要，另外多谐振荡器设计，N进制加法计数器设计，译码器设计和减法计数器设计都是数电实验涉及内容，蜂鸣器电路有成熟的示例，有先例参考可以保证设计的原理准确，结合设计软件和以往设计经验得以支撑面包机设计的实现；
设计的有效性分析：
本设计能够实现在周期为
的计数脉冲驱动下，通过计数实现在特定的时长，给出对应电路的工作驱动信号和提示信号，完成一系列“制作过程”，实现面包机整个工作流程的自动控制。
三、电路设计
1.555定时器构成的多谐振荡器电路
由555构成的多谐振荡器的周期计算公式为：
按照设计周期取
为15ms（等效为实际时间15分钟），则按照取值和周期公式计算，
近似喂0.7，可得
，
和
的近似取值分别为：
；
多谢振荡器的输出端out接下一级状态计数器的CLK端；
555构成的多谢振荡器电路图连接如下图：
图2由555定时器构成的多谐振荡器
2.十进制加法计数器74160构成的状态计数器
给出计数器电路连接图如下：
图3状态计数器
如图所示，U3为计数片，U4为进位片，开关S2为复位清零开关，U11为高电平有效的传输门，多谢振荡器产生的时钟脉冲通过传输门接到CLK端，两片的输出初始状态均为0000；
分析面包机的工作流程，计算七个过程的总用时为28T，则因此当计数至28时，两片状态输出QD、QC、QB、QA分别是：
1000，0010，此时通过与非门U6运算输出一个低电平给传输门，传输门关闭，状态计数停止；
正常情况下S2关闭，需要复位时，打开S2计数器就会自动复位。
计数器的计数片输出接到下一级的译码器数据端，进位片的输出经运算后接到下一级译码器的片选端。
3.4-16线译码器电路
设计采用三片4-16线译码器（见附图4）实现对0-9，10-19，20-29的译码，使用计数器进位片QB、QA端的输出00，01，10作为3片4-16译码器的片选信号，4-16线译码器采用74154芯片，选通端为低电平输入有效；
译码输出为低电平有效，输出端接代表工作电机的信号灯，由于要保持在特定段时间内保持特定电机工作（信号灯亮），所以需要对译出的状态进行反相运算或与非运算后接信号灯。
（具体编号连接见连接图4）
图4译码器电路
从图4可见，译码片U12，U13，U14的A、B、C、D端分别接上一级计数器计数片的输出端QA、QB、QC、QD，片选端则有上一级进位片输出信号运算后接入。
4.倒计时电路
倒计时电路（见附图5）是按照状态数进行倒计时设计的，为29进制倒计时，初始状态为28，终止状态时00，所选用的是两片74190十进制减法计数器；
倒计时器同样具有暂停和复位功能，暂停功能是通过手动开关实现停止计数脉冲的输入实现的，而复位功能则是通过另一个开关为置数段load提供一个低电平信号，将28置数给计数器，从而实现倒计时的复位功能；
连接中将U1片的BO端与脉冲信号进行‘与’运算后接到U2片的Down端，在U1片的状态变为0之前实现减法计数功能，当U1输出变为0000时，Down端接受低电平停止工作，使得00状态得以保持，实现从28至00的无循环倒计时目的；
倒计时电路连接如下图：
图5倒计时电路
5.蜂鸣器电路
设计要求是当和面完成，发酵完成蜂鸣器响两声，烤制完成蜂鸣器响五声，因此选择使用计数器来对鸣响次数进行控制，计数器选用的是74161十六进制加法计数器，选取0000-1001十个状态中QA端的输出状态为1（代表高电平）时作为驱动蜂鸣器的信号，计算得知0000-1001QA共输出5次1，控制并联在蜂鸣器两段的二极管的导通截止，在1010时经过运算关闭时钟脉冲传输门停止蜂鸣；
5声响蜂鸣器电路连接如下图：
图6蜂鸣器电路
以上为全自动面包机控制电路整体设计中的各个关键部分的电路设计分析和电路连接截图，由上述部分相互连接构成了本次设计的主体电路。
四、性能测试
1.多谐振荡器输出脉冲周期的测试
多谐振荡器输出周期测试图如下：
图7多谐振荡器输出周期测试
经检测，从图中可以看出脉冲周期为15.043ms接近设计周期15ms。
2.计数器电路性能测试
主要测试当计数脉冲达到28个时，计数是否停止，等同于面吧烤制过程结束后，电路停止运行。
通过示波器检测时钟信号的输入个数，检测结果如下图所示：
图8计数器脉冲计数测试
测试结果表明，开始电路运行之后，在经过28个计数脉冲后，关闭了脉冲传输门达到了预设目标。
3.5声响蜂鸣器电路鸣响脉冲数测试
由电路分析已知，5声响蜂鸣器电路的计数器的输出端QA应该通过5个脉冲，才能满足蜂鸣器鸣响五次的需求，采用示波器检测波形的个数，检测结果如下图：
图9蜂鸣器电路计数器脉冲测试
蜂鸣器电路测试结果符合设计要求，设计电路能够控制蜂鸣器鸣响五次，二声响蜂鸣器的设计同五声响蜂鸣器。
以上为本次面包机控制电路设计中主要部分的数据测试，经检测各项测试数据满足设计要求，符合预期值。
五、结论
对整体设计电路进行综合仿真测试，当接通电源后，计数器的初始状态为0，倒计时器的初始状态为28，多谐振荡器开始工作输出脉冲，计数器开始进行状态计数，当计数到特定的状态数时，译码输出端对应端口的信号灯由灭变亮，并将亮的状态持续到下一个不同的状态来临时才变灭，代表了电机由启动到工作完成关闭的过程，当代表和面完成，发酵完成和烤制完成的计数状态到达时译码输出端控制蜂鸣器电路工作，按照设计次数鸣响蜂鸣器，同时计数过程中倒计时同步工作；
另外在运行过程中经测试，可以通过设置的暂停和复位开关对于面包机工作过程进行手动暂停和复位的控制。
通过对测试结果的总结分析，经过比照任务设计指标来看基本满足任务设计各项要求。
回顾整个课程设计过程，从接受课设任务书开始，通过参考查找的各种相关的芯片资料，电路资料，并结合所学数电课程内容以及所做数电实验内容，对于课设任务进行了详细分析，将整个任务联系到所学的内容上来，通过对任务的功能分析，将整个任务做了较细致的划分，将设计任务划分成几大核心技术模块：
多谐振荡器、状态计数器、状态译码器、蜂鸣器的实现，通过对各模块功能的设计实现，完成了对整个全自动面包机控制电路的设计实现。
通过此次全自动面包机控制电路的设计过程，使我对于所学数字电路知识有了进一步的掌握，扩充了我对于功能电路设计实现的知识，通过使用Multisim12软件进行电路设计熟悉了仿真软件Multisim12的使用设计方法，对于仿真中出现的问题能够通过调试和调整参数，元件等方式进行解决，增强了我分析和解决问题的能力。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
[2]陈振官等编.新颖高效声光报警器.[M]北京：
国防工业出版社，2005年
[3]王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.[M]高等教育出版社2005年
[4]崔葛瑾.数字电路实验基础.[M]同济大学出版社2005年
[5]董玉冰.Multsim9在电工电子技术中的应用.[M]清华大学出版社2008年
[6]吕思忠等编.数字电路实验与课程设计.[M]哈尔滨工程大学出版社2001年
[7]范文兵.数字电子技术基础.[M]清华大学出版社2007年
[8]毛永毅.数字系统设计基础.[M]西安电子科技大学出版社2010年
[9]唐小华.数字电路与EDA实践教程.[M]科学出版社2010年
[10]徐秀平.数字电路与逻辑设计.[M]电子工业出版社2010年
[11]李玲.数字电路测试与设计.[M]机械工业出版社2009年
[12]宋竹霞.数字电路实验.[M]清华大学出版社2011年
附录I总电路图
附录II元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
U1A,U2A,U5A,U7A,U15A,U16A,U33A,U35A,U38A,U40A,U41A
反相器
74LS04D,7404N
11
2
U6A,U6B
2路与非门
7400N
3
U26B,U31A,U34A,U39A
2路与门
7408J,74LS09D
4
U8A
3路与非门
7410N
5
U17,U42
2路或门
OR2
6
U3,U4
十进制加法计数器
74160N
7
U30,U36
十六进制加法计数器
74LS161D
8
U12,U13,U14
4-16线译码器
74154N
9
U18,U19
十进制加减法计数器
74192N
10
U24
13路与非门
74AL133M
U23
8路与非门
7430N
12
U29,U43
555定时器
555_TIMER_RATED
13
R1,R2,R3,R4
电阻
R
14
C1,C2,C3,C4
电容
C
15
X1,X2,X3,X4,X5,X6,X8
信号灯
PROBE
16
LS1,LS2
蜂鸣器
SNOALERT1KHz
17
S1
单刀单掷开关
DIPSW1
18
S3
单刀双掷开关
SPDT
19
U20,U21
显示译码器
DCD_HEX_BLUE
20
U11A,U32A,U37A
三态输出缓冲门
74126N
升级会员 