目录
1 简易洗衣机控制电路的设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2 1.1设计目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.2设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2简易洗衣机控制电路总体方案的设计与实现．．．．．．．．．．．2 2.1设计方案原理框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.2.1电路设计思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.2.2电路总体电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.2.3仿真过程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.3各模块电路功能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3.1开发环境 PROTEUS 简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3.2秒脉冲发生器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3.3分秒计数器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
2.3.4洗涤时间设置电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
2.3.5工作状态显示电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
2.3.6控制开关．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
2.3.7报警电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3简易洗衣机控制电路安装与调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 4 简易洗衣机控制电路工作分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.1 陈述简易洗衣机控制电路工作过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.2 简易洗衣机控制电路设计结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5 心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
6 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
7 7本科生课程设计成绩评定表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
1 简易洗衣机控制电路的设计要求
1.1设计目的
1)掌握数字电路中选择器、计数器、译码显示等单元电路的综合应用。
2)熟悉洗衣机控制器的工作原理及相应的组合逻辑电路和时序电路。
3)掌握数字电路各部分电路与总体电路的设计、调试、模拟仿真、故障排除及安
装的方法
1.2设计要求
洗衣机电机的工作顺序：
启动——>正转20s——>暂停10s——>反转20s——>暂停10s——>停止
①设计一个定时器控制洗衣机电机的运转，
②用4个LED模拟洗衣机的动作状态:LED1～LED4右移循环点亮表示正转，
LED1～LED4左移循环点亮表示反转，LED1～LED4同时闪烁点亮表示暂停，全灭为停止。
③用数码管显示洗涤时间，按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到
停机，并发出音响信号报警。
④洗涤时间在0-60分钟内可由用户任意设定，并设置启动键，在预置定时时间
后，按启动键开始机器运转。
⑤设置停止键，在洗涤过程中随时按该键可终止动作，并使显示器清0。
2简易洗衣机控制电路总体方案的设计与实现
2.1设计方案原理框图
首先，控制开关 SW1 接地，洗衣机不转动，这时用户自定义洗涤时间，然后将控制开关 SW1 接高电平，接通电源。 555 构成的多谐振荡器产生的 1Hz555由脉冲信号经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数。利用秒计数器十位上的数值变换表示出电机运转状态，同时利用计数器和门电路设计出合适电路使 LED工作达到设计要求；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示灯闪烁。
图1 电路设计框图
2.2电路设计
2.2.1电路设计思路
对于洗衣机电机的工作顺序：“启动——>正转20s——>暂停10s——>反转20s——>暂停10s——>停止... ”设计一个定时器控制洗衣机电机的运转,分析知道其一次运转的周期有60s，且其呈现周期循环，我们可利用计数器的功能进行60s 的计数，即需要一个秒计数器，并利用洗衣机电机工作状态转换的时间来设置正转、暂停、反转。
如此则需为计数器设置一合适脉冲，设计中的秒计数器所需脉冲必为1HZ 脉冲，因此我们可以考虑555定时器，利用其构成多谐振荡器产生矩形脉冲信号。
而对于用数码管显示洗涤时间，按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，且洗涤时间在0-99分钟内可由用户任意设定，并设置启动键，在预置定时时间后，按启动键开始机器运转，分析知道我们还需要设置一个分钟计数器，可以利用秒计数器的借位端 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从而构成分计数器的工作脉冲。
在要求中要求倒计时且有启动开关，显然我们需要递减计数器，和利用开关控制计数器清零端 CR 的电平或555电源输入以控制电路工作。
对于用4个 LED 模拟洗衣机的动作状态:LED1～LED4右移循环点亮表示正转， LED1～LED4左移循环点亮表示反转，LED1～LED4同时闪烁点亮表示暂停， LED1～LED4同时闪烁点亮并且蜂鸣器发出报警声为停止，显然可以利用移位寄存器来设计，但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路，利用了译码器和逻辑门电路构成了正转、暂停、反转的三种不同状态分别为01、00、11，同时利用这三种状态设计出计数器与逻辑门电路设计了与之对应的 LED 工作状态电路。
对于设置洗涤时间，我们可以设置分钟计数器来设置洗涤时间。
2.2.2电路总体电路图
图2 电路设计总图
2.2.3仿真过程图
图3 数码管显示
图4 LED显示
2.3各模块电路功能分析
2.3.1开发环境 PROTEUS 简介
PROTEUS 软件是由英国 LabCenter Electronics 公司开发的 EDA 工具软件，由 ISIS 和 ARES 两个软件构成，其中 ISIS 是一款便捷的电子系统仿真平台软件， ARES 是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式 SPICE 电路仿真、PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。
通过 PROTEUS ISIS 软件的 VSM（虚拟仿真技术），用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起仿真。
在原理图中，电路激励源、虚拟仪器、图表以及直接布置在线路上的探针一起出现在电路中。任何时候都能通过“运行”按钮或“空格”键对电路进行仿真。PROTEUS 有两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于图表的仿真。其中交互式仿真可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。
而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。
PROTEUS 软件的模拟仿真直接兼容厂商的 SPICE 模型，采用了扩充的SPICE3F5 电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过 8000 种的电路仿真模型。
PROTEUS 软件的数字仿真支持 JDEC 文件的物理器件仿真，有全系列的 TTL和 CMOS 数字电路仿真模型，同时一致性分析易于系统的自动测试。
PROTEUS 软件支持许多通用的微控制器，如 PIC、AVR、HC11 以及 8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。此外， PROTEUS 可对 IAR C-SPY、KEIL 等开发工具的源程序进行调试。
此外， PROTEUS 中配置了各种虚拟仪器，在如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。
2.3.2秒脉冲发生器
由 555 定时器构成的多谐振荡器产生秒脉冲
由 555 定时器构成的多谐振荡器的电路图如图 5 所示，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。因此采用此方案。
图 5 由 555 定时器构成的多谐振荡器
555 定时器构成的多谐振荡器所输出的矩形脉冲信号的频率计算式为
f= 1.43
(R1+2R2)C2（1）
故选定元件参数，R1=4.3K，R2=5.1K，C2=100uF，C1=10uF。其中电容 C1 的作用是抗干扰
图 6 555 定时器的引脚2.3.3分秒计数器
图7 分秒计数器
其中，74LS192 的引脚图如图 8 所示
图8 74LS192 的引脚图
表9 74LS192 功能表:
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、端接到高电平上，C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。
2.3.4洗涤时间设置电路
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。因此设计出洗涤时间设置电路如下图 6，每次按动开关都将使洗涤时间的对应位（十位或者个位）增加 1，最大增加至 9，又由于所设置洗涤时间为 60 分内，故当我们对洗涤时间进行设置时，十位所置数小于 6。
图10 洗涤时间设置电路
2.3.5工作状态显示电路
第一步：分析洗衣机的工作状态，对于洗衣机电机的工作顺序有“启动——>正转
20s——>暂停 10s——>反转 20s——>暂停 10s——>停止... ”，我们可以将三种工作状态假设为正转，暂停，反转依次设为 01,00,10。从而设计出合适电路如下图11。
图11 正反转工作状态电路
第二步：分析实验设计中要求用 4 个 LED 模拟洗衣机的动作状态:LED1～LED4右移循环点亮表示正转，LED1～ LED4 左移循环点亮表示反转，LED1～LED4 同时闪烁点亮表示暂停，全灭为停止，显然可以利用移位寄存器来设计，但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路，选择了利用正转、暂停、反转的三种不同状态分别为 01、00、10，以 1 表示工作以 0 表示暂停从而分次序的完成设计。
首先，考虑到 LED 的连续循环点亮，可以想到控制 LED 一端电平的连续循环变化达到要求，又由于有 4 个 LED,我们采用 4 进制计数器即可产生循环变化的 4个数，这样我们可以利用译码器从而在 4 个输出端得到依次变化的低电平，如此，我们可以将 LED 另一端接高电平，从而实现循环点亮。其次，考虑到存在正转和反转两种不同状态，我们需要改变译码器输入端的数字变化次序，如此分析四个数字变化规律，以及利用正反转表示状态的不同来设计出合适门电路。在此次设计中，我们采用 74ls192 构成一个 4 进制减数计数器，同时利用正反停指示器 1 在正转时电平为 0，反转时电平为 1 来构成合适门电路。
简略列出真值表如下表 12:
表12 真值表
于是我们可以发现我们可以利用异或门电路来完成这一构想，从而实现出正转与反转两种状态下 LED 不同的循环状态。
最后，剩下的就是暂停状态的显示了。先区分出暂停与工作状态的不同，利用上面设置的工作状态表示，我们可容易得到工作以 1 表示，暂停以 0 表示。如此可利用这两种电平控制译码器的工作，容易得到工作时状态如上步分析，暂停时灯全部熄灭。为使其能闪烁，我们可以考虑利用脉冲信号，工作状态的表示与门电路来设计。
综合上述分析，我们可以设计出 LED 控制电路如下图 13.
图13 LED 控制电路
2.3.6控制开关
利用借位端由 1 变为 0，作为 D触发器下降沿的脉冲，然后利用相应的门电路来控制计数器的清零端 MR 和 DN 端，从而达到控制计数器的要求。为达到使计数器清零效果，利用复位开关人为的制造下降沿脉冲来控制D触发器的工作。利用工作开关控制多谐振荡器的电源输入，从而控制脉冲的产生，实现控制电路的目的。
设计中为尽量利用资源，以 LED 作为了洗衣机停止的报警系统，停止时显示屏均为 0 且 LED 闪烁，此时可控制开关切断电源。
图14 控制开关电路
2.3.7报警电路
当数码管显示的时间变为“零”的时候，报警电路会驱动蜂鸣器发出声音报警。当计数器进行减计数到零后，74LS290 芯片的四个输出端都为低电平，于是我们采用四输入与非门讲低电平转化为高电平。
图15 报警电路
3简易洗衣机控制电路安装与调试
调试与设计是不同的两个过程，调试比设计难得多。在整个系统的调试过程中，调试要注意模块化，要从最底层开始，逐级通过后才能进行下一步的工作按照设计电路图连接实物元器件，连接完成后测试电路，发现并解决了下列问题：
1．在第一次把译码显示电路的连出来的时候，出现了分秒计数器中一个LED无法显示的状况。
初步以为是电路图的问题，可是经过电路仿真发现电路图并没有问题；之后将74LS48译码器的D、C、B、A四个输入端分别接四个高低逻辑电平，测试发现LED数码管可以显示相对应的十进制数字，排除74LS48译码器坏损；最后测试了所有的接地和电源，发现是由于74LS192芯片未接入电源，连接电源后，LED数码显示管正常工作。
2．在调试报警装置的时候，出现了报警器无法报警的问题。
通过检查所有芯片的连接，发现反馈线连接错误，之后改动反馈线解决了此问题。
3．连接好所有模块后，进行整体调试时又出现了计数器无法正常置零复位的状况。
通过检查电路连接情况，发现有些地方接触不好，最后将所有接触有问题的地方重新连接，并且重新检查多次后进行检测调试，最终才实现了理想的结果。
4 简易洗衣机控制电路工作分析
4.1 陈述简易洗衣机控制电路工作过程
信号经过一个控制电路后进入分秒计数器进行分秒计数，首先进行开机清零，用户利用“＋”“－”按钮以分为单位置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。先正传20秒LED1～LED4右移循环点亮表示正转，再暂停10秒，LED1～LED4同时闪烁点亮表示暂停，再反转20秒，LED1～LED4左移循环点亮表示反转，再暂停10秒，如此反复。全灭为停止。
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。
4.2 简易洗衣机控制电路设计结果分析
通过开关控制在洗衣机启动之前进行置数，预定好时间后，控制sw1使其正常工作，开始工作后，ＬＥＤ等开始右移２０秒，闪烁１０秒，左移２０秒，闪烁１０秒，如此反复，再时间变成０时，报警器报警，实验结果与实验设计要求一致，可见电路运行正常。
5 心得体会
6 参考文献
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[2]伍时和《数字电子技术基础》北京清华大学出版社2009.04
[3]Adel S Sedra and Keneth C S mith.Microelectronic Circuit.4rd
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[4]齐占庆，王振臣．电气控制技术【M】北京: 机械工业出版社，2002
[5]史国生．电气控制与可编程控制器技术【M】北京: 化学工业出版社，2003
[6]张万忠．可编程控制器应用技术【M】北京: 化学工业出版社，2001．
[7]王兆义．小型可编程控制器实用技术【M】北京: 机械工业出版社，2002