数字电子技术基础课程设计.docx

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数字电子技术基础课程设计

数字电子技术基础课程设计

课题名称：

简易洗衣机控制器的设计与制作

学院:

物理与电子工程学院

班级：

09自动化

姓名：

郭彤

学号：

指导教师：

李敏君

简易洗衣机控制器的设计与制作

摘要:

实现电机的正传、反转、暂停，实际上没又电机给我们接上，这回要用四个LED灯的状态来表示，当显示时间前20秒正传、暂停10秒、反转20秒、再暂停10秒，如此一来，周期恰好是60秒，理所当然的分钟计数器、秒计数器是一定要有的。

接下来脉冲是一定的了，但是有分钟计数器和秒钟计数器还要考虑是不是要60分频器，就我们所学过的来说实现循环有移位寄存器；本设计还解决了一个问题，当洗涤时间到了，报警还要一个报警电路，根据人性化、自动化、低成本的设计原则，报警的蜂鸣器不可以长时间的叫，要有个合理的时间，我们可以用一个单稳态电路来实现。

关键词：

集成电路芯片、数码管、LED管、信号、计数器

绪论

随着现代社会节奏的加强，电子产品的更新日益缩短，新产品开发速度日益加快，因而对电子设计自动化（EDA）提出了更高的要求，也有利的促进了此技术的发展和普及。

在数字电路集成方面，即使电路的集成度仍然如摩尔定律所预言的那样，以每1—2年翻一番的速度增长，使电路的复杂成度愈来愈高，规模越来越大，但是他们仍然没有走出“硅片”的范畴。

但是由于节省资源方面以及成本方面，考虑到通过秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，进行清零。

来实现一个简易且成本较低的洗衣机。

1设计总体思路，基本原理和框图

1.1设计总体思路

从课程设计要求来看，要求实现电机的正传、反转、暂停，实际上没又电机给我们接上，这回要用四哥LED灯的状态来表示，当显示时间前20秒正传、暂停10秒、反转20秒、再暂停10秒，如此一来，周期恰好是60秒，理所当然的分钟计数器、秒计数器是一定要有的。

接下来脉冲是一定的了，但是有分钟计数器和秒钟计数器还要考虑是不是要60分频器，就我们所学过的来说实现循环有移位寄存器；还有个问题，当洗涤时间到了，报警还要一个报警电路，根据人性化、自动化、低成本的设计原则，报警的蜂鸣器不可以长时间的叫，要有个合理的时间，我们可以用一个单稳态电路来实现。

看起来还不错啊，如果这样想那就嫌早了点，还有一个问题要解决：

如何提取时间并使循环电路工作的信号?

方案有两种：

一是直接从数值上进行提取信号来控制一个可以实现循环的74LS194来实现；另一种是制作一个二十进制到十进制的循环转化来把这一分钟走完，但是从电路的复杂程度和经济性来说，显然后者太过于复杂，也不利于接线和排故障，虽然难度会大一些、出成果的时间会比别人晚，但是要设计一个真正可以让用户用放心使用的产品，还得这样做。

尤其是最后的循环电路用两个194一定可以很容易实现。

现在大体上就这样计划，下面说说基本原理。

1.2基本原理

首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，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，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号进入移位寄存器后，LED灯表示出电机运转状态；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示灯熄灭。

1.3系统设计框图

如下所示：

2单元电路设计

2.1一百进制分计数器和六十秒计数器的设计

（1）分、秒计数器的设计

一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的，不同的只是它们的输入脉冲和进制不同而已，我们用四片74LS192来实现分计数和秒计数功能，我们要的只是减计数，所以我们把它的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LD端和借位端BO联在一起，再把秒位的BO端和十秒位的DOWN联在一起。

当秒脉冲从秒位的DOWN端输入的时候秒计数的192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LD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，这些计数器工作，其中的清零端CR要处于低电平，置数端不置数时要处于高电平。

这是一个独立工作的最高可以显示101分钟的计时器。

把四个192的QA/QB/QC/QD都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。

作为洗衣机控制器的一个模块，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，分计数的清零端LD是接在一起的；秒的清零端LD又是接在一起的，所以当要从外部把它们强制清零时，可以用一个三极管（NPN）或者两个或门就可以实现该功能。

还有我们可以利用分计数的UP端来进行外部置数，当把它们各接到一个低触发（平时保持高电平，外部给一个力就输入一个低电平）的脉冲上就可以实现从0－9的数字输入。

（2）分、秒计数器的电路图

其图如下：

2.2秒脉冲发生器

1秒脉冲发生器原理 

（1）我们搜需要的秒脉冲发生器可以由一个集成的555定时器构成，当电源接通后，VCC通过对R1、R2向电容充电。

电容上得到电压按指数规律上升，当电容上的电压上身到2/3VCC时，输电压VO为零，电容放电。

当电压下降到1/3VCC时，输出电平为高电平，电容放电结束。

这样周而复始便形成了振荡。

我们要的周期是1秒，频率是1赫兹。

周期T可以由下面的公式可知：

T＝R1.R2lnC

（2）其原理图如下所示

2.3循环控制电路

（1）其基本原理简述

还是采用我们方法，把秒十位上的数提出来作为循环控制系统的输入信号，秒位上的都是相同的，可以不管。

我们的目标是把秒十位上输出的二进制数转化成两位三个数：

So

S1

状态

1

0

右移

1

1

闪烁

0

1

左移

5

0101

4

0100

3

0011

2

0010

1

0001

0

0000

 现在我们把192的QA、QB接上一个异或门，QC接上一个反相器，然后把它们出来的信号接到一个与非门后再接到So端，把反相器出来的信号输入到S1端；这样就实现了上述要求。

当我们开机时，计数器时被清零的，QA、QB、QC没有输出，这时输出的是000，194的So、S1为11，移位寄存器置数为0010。

当192输出的是0101时，So、S1为10，移位寄存器右移动作，因为So、S1的两端接一个与非门出1，再通过一个接在194QB端的与门，结果输出来到发光二极管的还是高电平（如下图所示）；从节点46输出，经过反相器到达节点48的是低电平与门U28没有输出脉冲，所以194做右移直到下一个状态的到来。

显然当192的输出是0100是也是一样的。

当输出是0011时，So、S1的状态是11，194处于并行置数，其QB端输出一个高电平1，与此同时，从So、S1输出的两个1进入与非门U27，但是在节点46是一个低电平0，所以节点44没有高电平输出。

而节点46为高电平1，这时通过U28的脉冲信号可以输出了，与U28的或门U22、U23、U24、U25、U26就可以输出脉冲信号到发光二极管实现闪烁；当192输出的是0010时，So、S1状态从11变为01，移位寄存器192做左移循环，在脉冲的输入下。

同右移一样，从So、S1输出到U27再出来的是一个高电平1，所以与门U26输出高电平；当计数器192输出的是0001时，还是和0010时一样；最后当192输出是0000时，其又和输出0011时一样，移位寄存器194处于置数状态，放光二极管闪烁。

到此，提取信号、循环电路完成。

（2）其原理图

2.4单稳态延时电路

其原理图

2.5总控制电路

现在各单元电路完成了，最后要把它们有效的结合起来联合工作，实现目的功能。

我们要求在给分钟置数的同时秒要显示为零；外部还要有强制停止并清零；还有暂停功能。

对于置数来说，我们可以在分钟计数器的UP端到高电平之间各用一个开关接上，就当给它一个低电平时，计数器就往上增加1。

但时，192要求在UP端工作的同时，其DOWN端要为高电平，且秒计数器要为零，我们可以让秒计数器清零，同时把脉冲停止了。

在高电平上接上一个开关，让它接到一个JK触发器上，同时把JK触发器的JK端接1，让它实现触发功能。

让它的Q端输出到秒计数器的清零端，这样刚开机或者再按一下开机键就可以对秒计数器清零。

把JK触发器的Q反端和从分计数器借位端Bo反相出来的信号接到一个与非门上，从与非门出来的信号接到分计数器的DOWN端来保证置数的时候DOWN是高电平。

但是如果仅是这样的话，当置数完成再一次按开机键（如图中的J3所示）时，没有脉冲信号输入到秒计数器的DOWN端，192并不可以工作。

我们可以把脉冲和JK触发器Q反端接到一个与门上，然后把它上输出端接到秒计数器的DOWN端以控制计数。

先歇息一下。

现在的问题是，循环的发光二极管没有受到控制键的控制，所以还得把受到控制的从与门U12出来的信号输出到移位寄存器194的时钟信号CLK上。

最后要解决一个大问题，当所置的洗衣时间完成后，要发出报警并自动清零。

至于报警电路我们知道当计数器全为零的时候，从秒位会发出一个借位信号，一直接到十分位上去，十分位会发出一个借位信号，我们可以用这个信号来作为报警并清零的信号，平时192的借位端保持的是高电平，当有借位信号时，其变成0，我们在分十位借位端接一个非门，再把它和分位的CLR端一起接到一个与门，也需要把它接到一个JK触发器（U10）上作为其时钟信号，其后再接到单稳态电路的输入端TRI，单稳态的输出端接到蜂鸣器上。

而该与门（U14）的另一输入端接在控制开关J3上，与门出去仍然接在JK触发器U9上，这样当洗衣时间完成后，十分计数器的借位端Bo端发出的0信号就可以经过以上路径而变成1到达与门U14，同时JK触发器U10得到一个触发信号而输出到单稳态，从而发出报警声，但一段时间后其自动停止。

同时U14发出的1信号使U9发出1信号而使秒计数器清零；当然秒脉冲因为U9端的Q反端的0信号而使其没有输出，这样原来闪烁的灯不再亮了。

到此，一个电路总算还可以了吧，我们有时还需要让它休息一下，我们改变一下洗衣量时，就还需要一个暂停键，这也可以的，只要把秒脉冲切断就可以了。

我们可以在控制脉冲输出的与门U12和脉冲到达端之间接入一个由开关控制的JK触发器来控制的与门，这样就可以控制脉冲的输出了。

我们知道与门是其中一输入为零时，无论另一端时怎样的其输出为零，但一端为1时，另一端输入什么与门就可以输出什么。

现在控制端也连起来了，这样，一个完整的洗衣机控制电路就完成了。

3总电路图

4安装调试步骤

虽然软件设计是非常重要的，但是还是纸上谈兵啊，真正要到了安装调试的时候，这又是一个另一个比设计还头痛的事，我们说它令人头痛事有原因的，按理是通的，但调试不一定可以出来，甚至于设计是错误的，调试是设计的试金石啊！

到我们调试的时候，实验室里的人已经不多了，当拿到试验箱的时候才相信调试是很有难度的了，虽然之前从同学那听到了一些说调试很难的话；一看试验箱，完了，产生脉冲的电路上连芯片也不见了，换吧，第二块来了，把领来的元件按单元电路模块大致分了一下插在了面包板上。

两个人一组，一个读图指导，一个看芯片管脚插线，速度还是不错啊，听其他同学说，芯片管脚和线路总是接触不良，每次将要成功的时候，不小心碰了一下线就功亏一篑。

对这个问题，我们组的胖子把自己的电烙铁也带去了，没办法只能是把芯片管脚加长，这样我们在调试的时候可以说没有遇到这方面的问题了，现在面包办上的芯片接好了，可以加电看结果了，可是，秒计数器输出的一个总是只有偶数，真奇怪了，刚才在前一块上显示是很正常的啊，换了一个数码管还是一样，真是不爽啊！

换，继续换，最后终于找到了一个可以用的试验箱了，现在电机转动显示的发光二极管还是不循环，但都是亮的，计数器倒是可以正常工作了，经过几个开关的使用，走上了正规。

循环显示灯还是不走，难道脉冲有问题？

把194的时钟信号接到LED上一看是正常的，突然一个同学说或门74LS32如果输入端悬空则输出为1，难道是这儿出问题了吗?

我们当初设计的时候所认为的或门是悬空就为0的，这回给反了。

我们给愣住了，重新设计吗?

时间来不及了啊，我们组已经只有两天就要完全验收了，我看还是拆了，等设计好了循环电路重新再连接吧，就在这时我们组的其他一同学结果出来了，电路没有问题，问题是出在移位寄存器194的并行置数端的A、C、D是悬空的，没有有接地，真牛，接上看看，事实证明它是正确的。

当然，我们不象其他同学一样，一个个芯片或一个个模块的调试了再接上，那是建立在两个周的时间我们花了8天设计而成的结果的自信上的，还有把芯片管脚加长也是我们首先采用的，这些免去了我们意想不到的麻烦，很多同学的电路其实都是可以的，就一个器件管脚有问题全功尽弃，所以，在调试的过程中，要是仅依靠设计那是没什么结果的，设计软件毕竟是理想的。

5故障分析与电路改进

要得到一个良好的设计，需要的总是肯定和否定，几经修改一个电路才得以肯定、采纳。

就象循环电路一样，刚开始设计了一种有三个接口的电路，这个接口要求从秒十位输出的信号要化为一种状态，只可以是高有效，到来时进入各自的接口，可以说实现正传、反转、暂停的电路相互独立的，道理如下，当一个高电平来到时让它接到194的So、S1上，其中在接到So的信号上接一个RS触发器，当B端的置数输出时，QB上有一个高电平，把它接到一个D触发器上，D触发器从Q反端输出的信号接到刚才的RS触发器的Q端使Q端为0，这样在脉冲的控制下，其可以做左移动作，如图中的开关1所连接的电路所示，同样，在输入到S1端的电路上接一个RS触发器，从194QB端上反馈回来的信号接到D触发器上，从D触发器的Q反端出来的信号接到S1端，这样就可以做右移动作，如图开关2所示。

循化要单独设计，如图所示，二极管是保证各个模块间可以独立工作而采用，这样当高电平到达时，194被置数为0000，同时上一个状态，不管时左移的还时右移的都被清零了，这时只要开关1或2接上就可以在脉冲作用下实现闪烁，单个模块演示还时可以的。

但是接到电路上就不行了。

当开机后，在第一分钟内，它可以右移，也可以闪烁，到了左移就不行了，发光二极管一片空白，但是在接下来的个分钟内，其只有当闪烁时才可以看到。

几经试验才知道，时开关3出了问题，不管它时1状态还是0状态，它都比194Q端出来的数优先，在3没有工作时，在194Q端到LED之间的二极管两端各接一个LED就知道，当194做右移或左移时两个发光二极管的状态时不通的，靠近循环LED的那各LED总不会亮，而接在QB端的LED可以定时发亮，从而有上述结论。

其图如下所示：

附录（元器件清单）

器件型号

用途介绍

数量

74LS192

计数器

4

74LS194

移位寄存器

1

74LS08

2输入与门

2

74LS04

反向器

1

74LS32

2输入或门

2

74LS00

2输入与非门

2

74LS86

2输入异或门

1

74LS76

JK触发器

2

NE555

555集成定时器

2

结束语

经过了两周的课程设计，深有感触啊。

我们组直到下一个星期的星期二才设计完成，其他组的同学有的在第一个周就有做完的了，每天一直搞到凌晨3－4点那时家常便饭了，每天都在想周这个问题该如何解决，那个地方有什么不对；大家都急啊，千呼万唤经过近8天出来了，第二天，赶快去领元器件进行调试，吃饭也在外面，吃完就直接去调试，这么各小事就搞得大家这样，可以想象搞开发是如何的不容易了，工作更是不简单，生活不是我们在寝室里所想象的那样，首先自己的事情主要还是靠自己，虽然合作也同样重要，有一个好的合作伙伴也是不容忽视的，现在的很多工程、项目或者开发都是一个团体共同努力，每一个成员都要用功，一个项目或课题决定在几个人手里，那是不健康的、没有什么刚好的前途的，从本次课程设计的目的来看，收获也是不少的，它使我们对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解，也让我们知道了，光分开使不够的，从外面学到的知识要把形成一各整体，这也很好的训练了外面对开发一个项目应该有怎样的思路和准备更清晰。

来学校三年了，无论是从C语言课程设计到金工实习，还是从电子实习到现在的数电课程设计，每一次自己都觉得有一个进步，虽然有些方面自己做不出，但可以从老师和其他同学那里学到更好更多的东西，他们从另一个方面透析了自己的困难，这是很重要的，它让我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处。

有这样的机会和收获，要感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让自己有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路，虽然自己走出来的路要崎岖的多，但觉得踏实、放心。

参考文献

【1】《电子技术课程设计》  历雅萍、易映萍编清华大学出版社

【2】《电子技术课程设计指导》彭介华 主编      高等教育出版社

【3】《电子线路设计、实验、测试》 谢自美主编华中理工出版社

【4】《数字电子技术基础》 阎 石  主编    高等教育出版社

致谢

感激我的数字电子技术基础李敏君老师老师，她以渊博的知识、生动的讲课技巧，追逐着自己对科学的严谨认真的态度，深深的打动了我，让我从中学到很多有用的知识，让我对这门课程有着很多的兴趣，对科学充满了无限的向往，这次设计王老师给予了莫大的帮助，让我深刻的体会到她循循善诱的治学态度，给予我很多启迪，这对我以后更好的学习电力电子技术这门课程打了坚实的基础，并丰富了我的学习经验，补充了我的知识储备。

最后，再次感谢李老师对我的辅导。