東北大學(xué)數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：自動洗衣機(jī)控制器 班 級：計(jì)算機(jī)1206 學(xué) 號：20123966姓 名：蘇君君指導(dǎo)教師：馬學(xué)文設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年7月摘 要現(xiàn)代生活人民生活水平越來越高，家家戶戶幾乎都有一臺洗衣機(jī)。洗衣機(jī)由于洗滌方便受到廣大用戶的喜愛。隨著時(shí)代的發(fā)展洗衣機(jī)也在不停革新、發(fā)展。盡管洗衣機(jī)有了很大發(fā)展，但消費(fèi)者的需求不斷提高。為使洗對衣機(jī)的操作更方便、更人性化，自動洗衣機(jī)控制器就是為此而設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)是采用555定時(shí)器，74LS138譯碼器，74LS160和74LS190計(jì)數(shù)器為核心元件，利用7段共陰極LED作為顯示元件，在此設(shè)計(jì)中共接入2個(gè)4聯(lián)7段共陰極LED顯示器，他們用于顯

2、示洗衣機(jī)工作時(shí)間倒計(jì)時(shí)。通過對555定時(shí)器的設(shè)定，讓他產(chǎn)生頻率為1分鐘的脈沖信號，從而作為其他芯片的時(shí)鐘脈沖方波。聲明：本設(shè)計(jì)只是提供方便和人性化的外部視覺效果，不涉及洗衣機(jī)內(nèi)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及脫水缸的工作原理。關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器，譯碼器，方波目 錄摘要 2第1章 概述 4第2章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 5 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 2.2 設(shè)計(jì)要求 5第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3.1方案論證 6 3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明 7 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理 8 3.3 單元電路設(shè)計(jì) 9 3.3.1單元電路工作原理 9 3.3.2元件參數(shù)選擇 11第4章 軟件仿真 12 4.1 仿真

3、電路圖 12 4.2 仿真過程 12 4.3 仿真結(jié)果 13第5章 安裝調(diào)試 14 5.2 安裝調(diào)試過程 14 5.3 故障分析 14 第6章 結(jié)論 16第7章 使用儀器設(shè)備清單 17 參考文獻(xiàn) 18 收獲、體會和建議 19 第1章 概述 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié),它使我們通過設(shè)計(jì)和搭建一個(gè)實(shí)用電子產(chǎn)品雛形,鞏固和加深在數(shù)字電子技術(shù)課程中的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)中的基本技能,訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時(shí)的動手能力。通過該課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出符合任務(wù)要求的電路,掌握通用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻(xiàn)檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力,同時(shí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)和

4、畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)。另外，它能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。能合理、靈活地應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實(shí)現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)。培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立準(zhǔn)備資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力。培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。培養(yǎng)書寫綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，從選擇設(shè)計(jì)方案開始，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，選擇合適的器件，畫出設(shè)計(jì)電路圖（對制作實(shí)物還應(yīng)安裝、調(diào)試，直至實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能）。對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，才能寫出完整的課

5、程設(shè)計(jì)報(bào)告。 電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和步驟是：分析設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)，選擇總體方案，設(shè)計(jì)單元電路，選擇器件，計(jì)算參數(shù)，畫總體電路圖。進(jìn)行仿真試驗(yàn)和性能測試。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往反復(fù)進(jìn)行以上各步驟，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方便同學(xué)們靈活掌握。本次設(shè)計(jì)只是簡單地應(yīng)用74190,74138,74160,以及555定時(shí)器組成的小型數(shù)字系統(tǒng)。 第2章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)有4個(gè)狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)，洗衣狀態(tài)，脫水狀態(tài)，排水狀態(tài)。當(dāng)有洗衣信號時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)控制狀態(tài)，依次執(zhí)行操作，可從信號燈觀察到所處狀態(tài)。（1）當(dāng)定時(shí)時(shí)間達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，一方面使電機(jī)停機(jī)，同時(shí)用指示燈提醒用戶注意。 （2

6、）用兩位數(shù)碼管顯示洗滌的預(yù)置時(shí)間（以分鐘為單位），按倒計(jì)時(shí)方式對洗滌過程作計(jì)時(shí)顯示，直到時(shí)間到而停機(jī)。2.2 設(shè)計(jì)要求 假設(shè)自動洗衣機(jī)的定時(shí)操作順序是，洗衣10min，排水2min,脫水3min，然后停止。前面已經(jīng)聲明過具體的洗衣機(jī)工作原理不會涉及，另外突然斷電不考慮重新給電的突發(fā)情況。 第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 方案論證 自動洗衣機(jī)控制器只是用于顯示洗衣機(jī)所處的狀態(tài)和時(shí)間，不涉及洗衣機(jī)洗衣時(shí)的內(nèi)部工作原理。他利用555定時(shí)器提供的脈沖作為工作的基礎(chǔ)，為74LS190，74LS160提供脈沖。74LS190作為倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器同時(shí)用顯示器進(jìn)行顯示。74LS160座位加法計(jì)數(shù)器（02）用來控制74LS

7、138即控制那3個(gè)循環(huán)狀態(tài)，同時(shí)用74LS138來控制相應(yīng)的指示燈顏色來表明當(dāng)前所處的狀態(tài)。紅燈代表初始狀態(tài)，黃燈代表洗衣狀態(tài)，綠燈代表排水狀態(tài)，藍(lán)燈代表脫水狀態(tài)。循環(huán)圖如圖3-1所示：紅燈（停止?fàn)顟B(tài)）黃燈（洗衣狀態(tài)） 輸入洗衣信號 輸 束 入 信 結(jié) 號 紅燈（停止?fàn)顟B(tài)）綠燈（排水狀態(tài)）圖3-1 循環(huán)狀態(tài)圖3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明 開始 用555定時(shí)器產(chǎn)生多諧振蕩脈沖 輸入洗衣信號 進(jìn)入洗衣倒計(jì)時(shí)狀態(tài)進(jìn)入脫水倒計(jì)時(shí)狀態(tài)進(jìn)入排水倒計(jì)時(shí)狀態(tài)處于停止?fàn)顟B(tài)若再有洗衣信號，再次進(jìn)入洗衣，脫水，排水循環(huán)狀態(tài)。 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。555定時(shí)器產(chǎn)生多

8、諧振蕩脈沖波作為74LS190計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖。剛開始紅燈亮代表初始狀態(tài)，當(dāng)給一個(gè)洗衣信號時(shí)，黃燈亮起代表洗衣機(jī)處于洗衣狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始洗衣時(shí)間10min倒計(jì)時(shí)，洗衣時(shí)間結(jié)束綠燈亮起代表洗衣機(jī)處于排水狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始排水時(shí)間2min倒計(jì)時(shí)，排水時(shí)間結(jié)束藍(lán)燈亮起代表洗衣機(jī)處于脫水狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始脫水時(shí)間3min倒計(jì)時(shí)，脫水時(shí)間結(jié)束紅的亮起代表洗衣機(jī)此時(shí)回到初始狀態(tài)。若給一個(gè)洗衣信號，則重復(fù)上述過程。 圖3-2 系統(tǒng)原理圖3.3 單元電路設(shè)計(jì)3.3.1 單元電路工作原理 多諧振蕩電路以555定時(shí)器為核心元件以及電阻和電容作為定式元件產(chǎn)生周期為1s的時(shí)鐘脈沖。由于接通電源瞬間，電容C來不

9、及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于1/3Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，三極管截止。這時(shí)，電源經(jīng)過R1，R2對電容C充電，使電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到2/3Vcc時(shí)，輸出Uo為低電平，三極管導(dǎo)通。把Uc從1/3Vcc上升到2/3Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān)。充電時(shí)間常數(shù)為T充=（R1+R2）*C。由于三極管導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和三級管放電，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPL的長短與電容的放電時(shí)間有關(guān)。放電時(shí)間常數(shù)T放=R2*C。隨著電容的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到1/3Vcc時(shí)，輸

10、出Uo為高電平，三極管截止，Vcc再次對電容充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得到矩形波。電路一旦起振后，Uc電壓總是在1/3Vcc2/3Vcc之間變化。 倒計(jì)時(shí)單元是以74LS190作為核心元件。加減控制端：當(dāng)其為低電平時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，當(dāng)其為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)需用減法計(jì)數(shù)器。CP：時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效。A,B,C,D：數(shù)據(jù)輸入端，用于預(yù)置計(jì)數(shù)器的初始狀態(tài)。LD：異步預(yù)置控制端，低電平有效，即該端為低電平時(shí)，經(jīng)數(shù)據(jù)輸入端A,B,C,D對計(jì)數(shù)器的輸出端QA，QB，QC，QD的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)置，當(dāng)需要清零時(shí)，給數(shù)據(jù)輸入端均輸入低

11、電平即可，該端通常處于高電平。QA，QB，QC，QD：計(jì)數(shù)器輸出端。作加法計(jì)數(shù)器時(shí)由QD輸出可作十分頻器，由QC輸出作八分頻器，由QB輸出可作四分頻器，由QA輸出可作二分頻器。ET：使能端，低電平有效，即當(dāng)該端為低電平時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，當(dāng)其為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器禁止計(jì)數(shù)，輸出保持原來狀態(tài)。RC進(jìn)借位輸出端：用來作n位級聯(lián)使用，當(dāng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)時(shí)該端作為進(jìn)位輸出端，當(dāng)進(jìn)行減計(jì)數(shù)時(shí)該端作為借位輸出端，低電平有效，即通常處于高電平，出現(xiàn)進(jìn)借位信號時(shí)為低電平，進(jìn)借位信號為負(fù)脈沖，不過本次設(shè)計(jì)不涉及進(jìn)借位變化。MAX/MIN：最高/最低位輸出端，即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到最高/最低位時(shí)，該端出現(xiàn)狀態(tài)脈沖，狀態(tài)脈沖為

12、正脈沖，即MAX/MIN端通常為低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器記錄到最高或最低位時(shí)，MAX/MIN端成為高電平，利用此原理結(jié)合74LS160來設(shè)定一定時(shí)間內(nèi)對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)。循環(huán)控制單元電路是以74LS160和74LS138作為核心元件來控制循環(huán)狀態(tài)和燈的變化。74LS160的清除端是異步的。當(dāng)清除端/MR為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE為低電平時(shí)，在CP上升沿作用下，輸出端Q0Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0P3一致。當(dāng)CP由低至高跳變或跳變前，如果計(jì)數(shù)控制端CEP、CET為高電平，則PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變。74LS138又稱為三線-八線譯碼器，

13、當(dāng)一個(gè)選通端為高電平時(shí)，另兩個(gè)選通端為低電平時(shí)，可將地址端的二進(jìn)制編碼在對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。3.3.2 元件參數(shù)選擇 定時(shí)器選用LM555CM，循環(huán)控制選用74LS160D和74LS138D，倒計(jì)時(shí)選用74LS190。 第4章 軟件仿真4.1仿真電路圖仿真電路圖如圖4-1所示：該設(shè)計(jì)圖為通電后洗衣機(jī)處于初始狀態(tài)，指示燈顯示為紅色，通過空格鍵來控制洗衣機(jī)的洗衣信號。 圖4-1 仿真電路截圖4.2仿真過程聲明：本次仿真本應(yīng)該是以分鐘為單位，但是為了減少等待時(shí)間，特意將555定時(shí)器的調(diào)頻電阻選的比較小。仿真軟件開關(guān)打開后，看到紅燈亮起（代表處與停止?fàn)顟B(tài)），兩個(gè)顯示器上顯示的10代表洗衣要進(jìn)行1

14、0“分鐘”。按下空格控制J1開關(guān)（如圖4-1靠右）切換到高電平，黃燈亮起即進(jìn)入洗衣倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，并以此作為循環(huán)狀態(tài)的開始。洗衣倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，綠燈亮起即進(jìn)入排水倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，排水倒計(jì)時(shí)結(jié)束購，藍(lán)燈亮起即進(jìn)入脫水狀態(tài)，脫水倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，按下空格鍵控制開關(guān)J1切換到低電平，回到停止?fàn)顟B(tài)。4.3仿真結(jié)果 在仿真的過程中，出現(xiàn)的結(jié)果基本符合要求，計(jì)數(shù)器的工作也很理想，指示燈動作也很好，定時(shí)結(jié)束時(shí)，自動跳到下一循環(huán)狀態(tài)，同時(shí)指示燈亮，提醒時(shí)間到。唯一不足的是，脫水結(jié)束后，仍然需要手動控制開關(guān)來結(jié)束循環(huán)狀態(tài)，防止進(jìn)入無休止的循環(huán)當(dāng)中。除此之外，由于555定時(shí)器的電阻值設(shè)定的不是很理想，以至于出現(xiàn)的脈沖波形不是標(biāo)

15、準(zhǔn)的占空比為百分之五十的方波。另外，藍(lán)綠指示燈亮?xí)r，黃燈總是先閃爍一下，不仔細(xì)看可能發(fā)現(xiàn)不了，這個(gè)問題可能是由于軟件的仿真問題。畢竟整個(gè)電路都通電，不可能做得那么完全仿真。不過，總的來說，在交通燈的基礎(chǔ)上來做此設(shè)計(jì)，感覺還是方便了不少，仿真結(jié)果還是比較令人滿意的，比較成功。 第5章 安裝調(diào)試5.1 安裝調(diào)試過程 交通燈在仿真過程中總是第一次燈的顯示時(shí)間不對應(yīng)，但是在經(jīng)過一次循環(huán)之后就開始進(jìn)入正常對應(yīng)狀態(tài)。跟同學(xué)們一起討論后，得出結(jié)論，可能是由于我們使用的仿真軟件是multisim11，而老師可能需要我們用multisim7，畢竟版本還是存在差別的。忽略此處問題后，在焊電路板是也是問題百出。因?yàn)?/p>

16、以前沒怎么用過烙鐵，所以烙鐵毫不留情給了我一個(gè)教訓(xùn)，盡管老師已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了很多次了，注意安全。后來焊扳子時(shí)，又遇到一個(gè)比較嚴(yán)峻的問題，就是不會布線，線頭接的非常難看，長短控制的不合理，線路實(shí)在是太過于雜亂，這也為我最后的失敗埋下了伏筆。老師提示先把簡單的的任務(wù)焊完再去焊接擴(kuò)展任務(wù)。由于自己過于自信一開始就想著去焊接擴(kuò)展任務(wù)，自認(rèn)為按著自己的電路圖就可以達(dá)到目的。忽略了老師分而治之的思想，也為最后的失敗埋下濃重的一筆。給出一天的時(shí)間，沒能焊出一個(gè)完整的板子，真是有點(diǎn)莫大的遺憾。5.2 故障分析板子焊好一部分開始調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)竟然一個(gè)彩燈都不亮，在老師的提醒和幫助下，教會我怎么測試線路有沒有短路。最后找

17、到一根線頭由于錫加的太多了，和另一個(gè)線頭稍微有點(diǎn)挨得近了，解除之后，終于取得了一點(diǎn)小成就，彩燈亮了。但是燈亮的順序還是有點(diǎn)小問題。毫無規(guī)律可言，這個(gè)問題，由于驗(yàn)收時(shí)間快到了，根本就沒心思去查找出電路問題所在，最后不了了之。除此之外，可能線的排布也有問題，畢竟線路布局不合理，電線長度控制的不夠合理，導(dǎo)致線路看著十分復(fù)雜，而且，有些線頭由于電線的張力，很有可能出現(xiàn)松動之類的問題。這可能為失敗埋下了很大的伏筆。另外一些元器件的排布不合理，也可能帶來一些隱患。 第6章 結(jié)論該小型數(shù)字系統(tǒng)可以完成循環(huán)狀態(tài)的的倒計(jì)時(shí)功能，相對比較簡單。 紅燈 停止?fàn)顟B(tài) 黃燈 洗衣狀態(tài) 綠燈 排水狀態(tài) 藍(lán)燈 脫水狀態(tài) 控制

18、開關(guān)之后就開始進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，在到達(dá)結(jié)束狀態(tài)時(shí)，再給一個(gè)控制開關(guān)一個(gè)信號，就回到停止?fàn)顟B(tài)。 第7章 使用儀器設(shè)備清單定時(shí)模塊： LM555CM，電容10uf和10mf，電阻1k倒計(jì)時(shí)模塊： 74LS190D，74LS40D,74LS08D,74LS09N,DCD_HEX循環(huán)控制模塊：74LS160D,74LS138D,74LS04D,74LS11D,單刀雙置開關(guān)，紅黃藍(lán)綠指示燈每個(gè)模塊都用的：VCC 5V,接地參考文獻(xiàn)1. 馬學(xué)文 李景宏主編，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程。北京：科學(xué)出版社，2013.032. 李晶皎，李景宏編著.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，20123. 高吉祥，易凡編著.電子

19、技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，20024. 陳大欽編著. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，2000收獲、體會和建議 本次課程設(shè)計(jì)，我花了很多時(shí)間，主要是在控制電路上，當(dāng)時(shí)實(shí)在是想不到該怎樣用三個(gè)燈分別表示三種狀態(tài)，去圖書館查資料時(shí)也沒找到相符合的資料，后來在網(wǎng)上找的論文也有很多問題，要求也和本次課程設(shè)計(jì)的要求出入很大?？梢哉f，這次課設(shè)的電路基本上是自己設(shè)計(jì)出來的。雖然花了不少的時(shí)間，但是收獲真的不小。它使我對課本以及以前學(xué)過的知識有了一個(gè)更好的總結(jié)與理解，也讓我知道了，光分開是不夠的，從外面學(xué)到的知識要形成一個(gè)整體，這也很好的訓(xùn)練了對開發(fā)一個(gè)小型數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該有怎樣的思路和準(zhǔn)備更清晰。 在設(shè)計(jì)