简易洗衣机控制电路

1 原理电路的设计

洗衣机控制电路是用来控制洗衣机电机的正转反转暂停三个状态的。该电路可以控制洗衣机的定时启动，洗衣机的工作状态，而且当达到定时终点时会停止洗衣机工作同时发出报警信号。时间的显示采用两位数码管（一分钟为单位），按倒计时方式工作，直到达到定时终点而停机。

将其功能用框图表示如下

图1.1  洗衣机控制电路框图

1.1设计方案的选择

   第一部分方案：本电路的计数系统因为要求实现倒计时，所以可以用双向计数器74LS192或74LS193。74LS192是十进制计数器而74LS193是十六进制计数器，为了数码管显示的方便，本设计采用74LS192。

图1.1.1 74LS192计数功能验证

第二部分方案：第二部分是控制部分，及控制顺转、反转、暂停三个工作状态。当秒的十位输出是5、4的时候应当是顺转指示灯亮，3的时候暂停，2、1的时候反转指示灯亮，0的时候暂停指示灯亮。所以可以采用门店路或者利用译码器的方法来实现。采用门电路搭建的时候比较直观，可以写出真值表然后利用卡诺图化简，最终得出逻辑函数。当用译码器时只需把输出端的末三位接到译码器的输入端，然后输出端选择不同的端子连接与非门输出就可以实现。以上两种方法均简单易行，我采用门电路方法。

第三部分方案：时钟脉冲信号可以采用555组成的多谐振荡器也可以采用石英晶体振荡器，555组成的多谐频率易调产生的波形也比较好，石英晶体振荡器的频率则十分的稳定，产生的脉冲波形相当的好，因此我采用石英晶体构成的振荡器。

第四部分方案：报警的警铃在工作时间结束后就会响起，但是根据实际情况不能一直的响下去，应此利用一个单稳电路，当暂稳态结束后就可以回到稳态，警铃就不再响了。

综上比较，本设计采用各分电路的最优化方案。

 

 

 

 

 

 

1.2单元电路的设计和元器件的选则

（1）定时及显示电路

     本部分采用四个74LS192来实现，分别用来控制两位的秒和分钟的显示。

图1.2.1 定时及显示电路

如图所示，芯片（1）（2）秒控制，（3）（4）控制分钟电路。本设计利用74LS192的减计数功能，其功能表如表1.2.3所示。当UP接高脉冲从DOWN输入时实现的是减计数。我在设计的时候加了一个开关，这各开关起到置数的功能，电路开始工作后将开关从低打到高则可以先置数在开始减计数，这样就可以实现不同时间的定时。

另外一个问题就是怎样才能使计时结束时芯片显示都为零定着不动。这各问题的解决要利用BO端子。可以看到当电路到来0000（四个数码管都显示为0）时会在BO端产生如图1.2.2所示的波形

图1.2.2 BO端波形

 

表 1.2.3 74LS192功能表

                          

而对于74LS192当BO端子与DOWN端子同时为0时，芯片就会被“锁住”，所谓“锁住”就是无论脉冲怎末输入，芯片都不会工作了。考虑到这点，我采用了以与门，这个与门的作用就是把脉冲信号和BO（1）与到一起，这样当BO为1时不会影响DOWN工作，而当BO一为零时，DOWN迅速为0，及两者同时为0.则“锁住”了芯片。

第三个问题就是怎样把四个芯片联系起来。也就是当60秒耗尽，分钟个位端应该减一，分钟个位端减十时，分钟十位也应该减一。这里还是要利用BO端子，如前所述，当74LS192产生借位时在BO端会产生一个下降沿的触发脉冲，这点可以从示波器观察。如图1.2.4所示，所一这个信号可以作为下一级74LS192的触发脉冲，这就很完美的解决了如何把四个芯片联系起来使之连续工作的问题。

图1.2.4 借位时BO端输出波形

 第四个问题，74LS192是十进制计数器，这里芯片（3）是一个六进制的计数器，怎么来实现呢。有两种方案。第一，利用BO端子来置数，具体就是把（3）的LOAD和BO接到一起，这样当BO出现如图1.2.4所示的波形时LOAD端得到一低电平，重新置数6.但是这里有一缺点，和后面的报警电路紧密相联。具体分析为什么不能这么接将在报警电路部分加以解释。因此这种用BO端子来置数的方法被淘汰。还有一种方法就是反馈置数法。可以知道当减计数计到9时（9用8421BCD码表示为1001）QA及QD端都是1，其他情况下不会出现QA、QD同时为1.我们可以很好的利用这两个1，当把这两个1相与取反再接到（3）的LOAD就可以实现六进制了。QA、QD输出同时为1，从与门输出的就是0，而LOAD端是低电平有效，就可以把初始时刻置给ABCD的0101置给QA、QB、QC、QD了。

到这里第一部分定时与显示电路的设计就基本上完成了。

（2）正转、反转、暂停控制电路

设计要求中明确表明，正转20秒，暂停10秒，再反转20秒，暂停十秒……依次循环。正转、反转、暂停三状态用三彩灯来表示。正转时彩灯1亮，暂停彩灯2亮，反转彩灯3亮。

从5到0一共有六个状态，每个状态表示10秒钟，所以74LS192（3）为5、4时彩灯1亮；3、0时彩灯2亮；2、1时彩灯3亮。于是可以写出如表1.2.5所示L1、L2、L3的与QA、QB、QC、QD的真值表。

表 1.2.5 控制部分彩灯真值表

QD	QC	QB	QA	L1	L2	L3
0	1	0	1	1	0	0
0	1	0	0	1	0	0
0	0	1	1	0	1	0
0	0	1	0	0	0	1
0	0	0	1	0	0	1
0	0	0	0	0	1	0

根据真值表可以用卡诺图化简的方法得出L1、L2、L3的逻辑函数表达式。

L1= QC ;

L2= (QB⊙QA)；

L3= （QA QB）；

根据逻辑函数表达式搭建组合逻辑电路图如图1.2.6所示

图1.2.6 控制循环电路

其中同或门用一异或门加一反相器实现，其他的电路搭建按照组合逻辑电路的方法来实现。在这部分电路的搭建中基本没有出现什么问题。

（3）时钟脉冲信号

这里我采用了石英晶体来产生时钟脉冲信号。用门电路组成的多谐振荡器的震荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH。由于VTH容易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定度差，只能应用于对频率稳定性要求不高的场合。

如果要求产生频率稳定度很高的脉冲波形，就要采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。石英晶体的电路符号和阻抗频率特性如图1.2.7所示

   
图1.2.7 石英晶体符号及其阻抗特性曲线

石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fs，且等效品质因数

Q也很高。只有频率为fs的信号最用以通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。

石英晶体震荡电路如图1.2.8所示

图1.2.8 石英晶体振荡器

图中并联在两个反相器输入、输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区。R的阻值，对于TTL们电路通常在0.7—2K 之间；对于CMOS门则常在10--100 K 之间。电路保证稳定的频率输出。电容C2的选择应使2 RC2fs 1，从而使RC2网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。RC2的选择应使RC2在频率为fs时的容抗可以忽略不计。电路的震荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的数值无关。

为了改善输出波形，增强带负载的能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器。可一观察上述振荡器的输出波形如图1.2.9所示

图1.2.9 石英晶体输出波形

（4）报警电路

报警就是要求当工作结束时电路发出报警信号，而根据实际情况报警信号应当持续一段时间后自动停止，由此想到单稳态电路，报警持续时间即为暂稳态持续时间。用555定时器组成的单稳电路如图1.2.10所示

图1.2.10 单稳态报警电路

但是怎么样来获取触发信号呢？如前面设置电路结束保持在0000四个状态一样的思想，考虑使用BO端子。这里就回到了前面第一部分定时及显示电路中提出的问题，为什么不能把BO直接连到LOAD来置数，而要利用QA、QD来反馈置数。问题就出在若用BO端子来置数的话，当电路结束工作时在BO端子不会出现如图1.2.4所示的良好波形而会出现如图1.2.11所示的冲击波形

图1.2.11 BO接LOAD时的借位输出波形

这个冲击信号当然不能作为单稳态电路的触发信号。因此才采用了利用QA、QD的反馈置数法。为什么会出现如图1.2.11所示的冲击波形呢？这是因为LOAD异步置数端子，当把低电平给LOAD时会使74LS192迅速置数，几乎没有反应时间，导致产生如图1.2.11所示的冲击波型。这就解释了为什么要采用QA、QD来置数的原因。

1.3完整电路及其工作原理

根据以上各个分电路的设计组成如图1.3.1所示的总电路其工作原理为：

    晶体振荡器产生的时钟脉冲作为秒个位的计数脉冲，秒个位的BO端作为秒十位的计数脉冲，秒十位的BO作为分个位的计数脉冲，分个位的BO作为分十位的计数脉冲。分十位的BO输出到单稳态电路的TR1端子作为单稳态电路的触发信号。同时BO端子和时钟信号通过与门连接在一起接的秒个为的DOWN可以使电路在结束工作后停止计时。

 

图 1.3.1 总电路图

    彩灯显示控制电路用门电路搭建，门电路的输入最终是QD、QC、QB、QA。开关时用来置数的，打到低置数，打到高开始计数，开关状态由空格键控制。而初始时刻可以调整分钟控制芯片的ABCD端来决定工作多少分钟。

这样一个完整的洗衣机控制电路就设计完成了。

2 仿真结果及分析

Multisim仿真软件采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。Multisim软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。可用Multisim仿真软件对各单元电路和整体电路进行元器件仿真和波形图仿真，便于对设计方案的理解和分析。

2.1 单元电路的仿真及分析

（1）定时及显示电路

仿真如图1.2.1所示，电路从59一直减到00，同时一分钟变成0分钟，直到四个数码管都显示为0时电路定住不动。

（2）正转、反转、暂停控制电路

这部分电路需要和前面的联系起来仿真，不过可以用如图2.1.1所示的电路来简化，而不用使用整个定时显示电路。

图2.1.1 正转、反转、暂停控制电路

（3）石英晶体脉冲产生电路

这部分已在1.2中详细说明，产生的脉冲波形如图1.2.9所示。

（4）报警电路

报警电路的仿真电路如图2.1.2所示

图2.1.2 报警电路

2.2 整体电路仿真及分析

用Multisim仿真的总图如图1.3.1所示

彩灯显示控制电路用门电路搭建，门电路的输入最终是QD、QC、QB、QA。开关时用来置数的，打到低置数，打到高开始计数。而初始时刻可以调整分钟控制芯片的ABCD端来决定工作多少分钟。

3性能测试

在Multisim中连好电路仿真，测试结果非常好，可以实现电路的各种功能，且不会出现不稳定的问题，表明电路设计成功性能稳定。

4收获、体会和建议

课程设计是一个探索与实践的过程。虽然我们没有用实际电路来连接调试，但是由于现在的软件功能强大，用软件来仿真也是很好的方法。

虽然在设计的过程中遇到了这样或那样的困难，但是通过示波器的波形分析，电路的不断改进，困难都一一的克服了。我认为我们在设计的过程中不仅是熟悉了软件的用法，更重要的是学会了设计的方法以及设计的精神。当然说设计的精神似乎有点不恰当，但我认为设计就是一种精神意志的磨练。我曾多次想放弃，想直接去抄袭别人的，但是始终有一股精神支撑着我——课程设计是锻炼的机会，是对将来工作的一种积累，糊弄只会是害了自己。于是我硬着头皮把电路拆了又接接了又拆，虽然很麻烦，也很头疼（到处是线，看的眼睛都花了），不过也是有乐趣在其中的。每当解决一个问题，或者一部分电路实现了其工作都感觉到很高兴，这些细小的成功带给我完成整个设计的力量。于是通过不断的调试，不断的改进终于是把电路弄出来了。虽然我设计出的这个电路能够工作，不过在有些地方还是不够很好的。但是我还是坚持自己原创。比方说，彩灯显示循环控制部分，如果用一个译码器的话很简单的就实现了，不过我还是采用了门电路来搭建。一来是我自己设计的，而来也是复习一下组合逻辑电路的设计。还有BO的置数问题，我几乎是头疼了很长时间，后来大家一起讨论，用示波器观察波形，才知道了原因，然后加以改进。这里我体会到了团结协作的力量。我们将来出去工作也是一个个的团队，自己是团队中的一员，既要独立思考努力为团队作出贡献也要从团队中吸收经验。

 总而言之，受益匪浅。在知识水品上学到了数字电路的知识，体会到了数字电路的巧妙；但更重要的是学会了方法，学会了坚韧，相信只要具备正确的设计方法和坚忍不拔的拼搏意志无论多么复杂多么庞大的电路都会设计的出来！

5元器件清单

 

原件名称	元件符号	标称值	数量	备注
计数器	74LS192		4
555			1
电阻	R1	150K	1
电阻	R2	22M	1
电阻	R3	50K	1
电容	C1	2PF	1
电容	C2	20PF	1
电容	C3	0.01uF	1
电容	C4	0.1uF
与门	74LS08		2
非门	74LS04		5
与非门	74HC00		1
三输入与门	74LS11		3
石英晶体	R26		1
异或门	74LS86		2
数码管	DCD-HEX		4
显示灯			4
TTL电源			3
数字地			1
模拟地			1

 

 

 

 

 

6主要参考文献资料

1 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）.武汉：华中科技大学出版社，2005

2 常华，袁刚，常敏嘉.仿真软件教程-Multisim.清华大学出版社，2006

3 阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998

4 康华光.电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2006

5 陈有卿.集成电路妙用巧用300例.北京：人民邮电出版社，1999

6 陈安凯.最新集成电路数据手册.北京：人民邮电出版社，1996

7 瞿安连.应用电子技术.北京：科学出版社,2003