家用风扇控制器

电工课程设计之

家用风扇控制器

山东大学(威海) 机械设计制造及其自动化 组员： 韩春腾

刘意雄 于一夫 李昂 宋岳 王晓凯

指导老师： 宁淑荣

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目录

前言 ........................................................................................... 3 摘要 ........................................................................................... 4 队员分工 ................................................................................... 6 第一章 设计任务要求 ............................................................. 7 第二章 设计方案分解 ............................................................. 8

2.1、由NE555进行脉冲设计 .............................................................................................. 8

2.2、状态锁存器 .................................................................................................................... 11 2.3、触发脉冲的形成 ............................................................................................................ 12 2.4、电机转速控制端 ............................................................................................................ 15

第三章 实验电路图 ............................................................... 16

3.1 MULTISIM 仿真电路图 .................................................................................................... 16

第四章 实验电路整体说明 ................................................... 17

4.1、状态锁存器电路 ............................................................................................................ 17 4.2、触发脉冲电路 ................................................................................................................ 17 4.3、“风种”三种方式的控制电路 ...................................................................................... 18

第五章 实物安装与调试 ....................................................... 19 第六章 故障分析与电路改进 ............................................... 20 第七章 设计心得 ................................................................... 21 参考文献 ................................................................................. 23 附录一 ..................................................................................... 24

实验清单 ................................................................................................................................. 24

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前言

随着经济的发展，电风扇已是必不可少的家用电器。它经济、简便、实用，是每个人家里可以负担起的电器。并且随着科技的发展，电风扇的功能越来越完善，人们也更加注重电风扇的智能化、人性化。许多厂家在制作风扇是运用了集成芯片构成数字电路或者单片机技术，使电风扇的电路更加简单。

本次电工学课程设计实验就是运用了我们所学的数字电路的知识，来实现家用电风扇控制逻辑电路设计。设计内容是用一个按钮来实现风速强、中、弱的转换并且实现循环；一个按钮来实现风种从正常风、睡眠风、自然风的转换并且实现循环；并且用不同颜色LED灯的显示来表示风速与风种的状态各个状态。家用电风扇控制逻辑电路分为三大模块：第一个模块是风速的循环控制电路，利用74ls139、74ls08芯片实现三种状态的循环计数，并且利用高低电平实现LED灯的亮与灭；第二个模块是风种的循环控制电路，利用74ls139、74ls08、74ls01芯片实现三种状态的循环计数，并且利用高低电平实现LED灯的亮与灭；第三个模块是脉冲产生电路，利用555发生器产生周期为8s的方波，并且利用74ls139构成二分频电路形成周期为16s的方波，再利用74ls160芯片选择风种的输出。第四个模块是按钮控制电路，利用按钮来给芯片脉冲，实现风速、风种的选择，并且可以实现关机的功能。

本课题基本实现了四个模块的功能，将之有效的连接在一起，实现了家用电风扇控制逻辑电路的总体功能。虽然此次设计的电路较为简单，但它的成本较低，并且经济、实用而且风种、风种的选择体现了它的人性化，相信在市场有一定的潜力。

关键字：电风扇 循环控制 74ls139 74ls160 74ls01 74ls08 LED

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摘要

设计的家用电风扇具有控制风速选择和运行模式选择等功能，它的系统框图：

风速选择 停机 风种选择 上电复位 脉冲信号发生电路 风种选择电路 风种形成电路 风速选择电路 输出电路 图（1） 电风扇系统框图

在电路板上有六个指示灯指示电扇的状态。三个按键分别为选择不同的操作－风速、风种、停止。其操作方式和状态指示如下：

1、电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键电扇才会响应，其初始工作状态为“风速”－弱，“风种”－正常位置，且相应的指示灯亮。

2、电扇一经启动后，再按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的一种状态；同时，按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。

3、在电扇任意工作状态下，按“停止”键电扇停止工作，所有指示灯熄灭。 “风速”的弱、中、强对应电扇的转动由慢到快。

“风种”在正常位置是指电扇连续运转；在“自然”位置，是表示电扇模拟产生自然风，即运转4秒，间断4秒的方式；在“睡眠”位置，是产生轻柔的微风，电扇运转8秒，间断8秒的 方式。

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电扇操作状态的所有变换过程如图所示。

正常 自然 睡眠 停止 弱 中 强

图（2）操作状态变换过程

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队员分工

题目 韩春腾 刘意雄

于一夫

任务

宋岳

分配

李昂 王晓凯

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1、 负责分配整体任务及任务调整工作； 2、 主要学习仿真软件MULTISIM； 3、 负责电路的仿真工作；

4、 负责实验电路的设计及推理工作，理解其原理；

1、 负责实验电路的设计及推理工作，理解其原理； 2、 连接电路，主要负责领取元件、电路板布局、原理讲解和芯片连接监督工作

3、 在实验进行过程中，必要时完成电路性能完善、改进工作；

4、 连接电路时，主要负责芯片性能检查、连接电路；

1、 相关资料查询工作；

2、 负责报告中各个模块原理推理及书写工作。； 3、 负责报告的部分书写和整体排版工作；

4、 负责报告的所需图片截取和表格建立工作；

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第一章 设计任务要求

设计并制作一个家用风扇控制器。控制器面板为：按钮三个，分别为风速、风种和停止。LED指示灯6个，指示风速强、中、弱，风种为睡眠、自然和正常。

电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮，只有按下“风速”键时，才会响应，进入起始工作状态；电扇在任何状态，只要按停止键，则进入停止状态。 处于工作状态时，有：

初始状态为：风速弱，风种正常；

按“风速”键，其状态由“弱、中、强、弱、……”循环； 按“风种”键，其状态由“正常、睡眠、自然、正常、……”循环；

风速的弱、中、强对应电扇的转动由慢到快； 风种

正常电扇连续运转；

自然－电扇模拟自然风，即转4s，停4s； 睡眠—电扇慢转，产生轻柔的微风，转8s，停8s； 按照风速与风种的设置输出相应的控制信号；

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第二章 设计方案分解

2.1、由NE555进行脉冲设计

设计要求：

在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。

实验电路需要两个脉冲，其中之一为周期8S的脉冲，其中高电位4S，低电位4S，作为“自然”状态的信号；第二个为周期16S的脉冲，其中高电位8S，低电位8S，作为“睡眠”状态的输入信号。

图（3）“风种”三种工作方式波形

设计思路：

采用74ls160作为“风种”方式控制器，由74ls139的三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。

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由NE555发生器产生周期8S的脉冲，其中高电位4S，低电位4S；经过

74ls139芯片得到第二个所需脉冲，周期16S的脉冲，其中高电位8S，低电位8S。

符合要求的脉冲产生之后，采用74ls160作为“风种”方式控制器，对三种脉冲在三种方式下进行选择。由风种选择电路的Q3、Q4和Q5作为选择信号。有3种情况，即001、010和100。分别对应选通D1、D2和D4输入端。 实验电路图：

图（4） 555发生器脉冲产生Multisim仿真电

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图（5） 四进制完成自然风的四秒周期、八进制完成睡眠风的八秒周期电路图

实验推理：

NE555脉冲产生参数设计，

T10.7(R1R2)C1T2

0.7R2C1

TT1T2 由于， T1 所以， R2T2

R1

根据设计所需参数得出： R1 =2kΩ R2 =2kΩ C1 =470μF 由于由NE555产生信号太小，高电平约0.5，需经过运算放大器放大10倍之后在进行二分频。运算放大器采用同相输入法，由公式u0(1RF)uI可取RF9K，R3R31K。

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因此，可以得到所需的三种脉冲，为简化电路采用74ls160芯片作为“风种”方式控制器，由74ls160的三个输出端选中其中的一种方式。正常工作时，电路中用接通高电平作为控制输入；间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。

2.2、状态锁存器

“风速”、“风种”这两种操作各有三种工作状态和一种停止状态需要保存

和指示，因而对于每种操作都可以采用三个触发器来锁存状态，触发器输出1表示工作状态有效，0表示无效，当三个输出为全0则表示停止状态。

为了简化设计，可以考虑采用带有直接清零端的触发器，这样将停止键与清零端相连就可

以实现停止的功能，简化后的状态转化图如图（7）所示。 图中横线下数字×××为Q2、Q1、Q0的输出信号。

根据 图(7) 状态转化图，利用化简后，可得到Q0、Q1、Q2的输出信号逻辑表达式（它们可适用于“风速”及“风种”电路）：

n1nQ0Q1nQ0nQ1n1Q0n1Q2Q1nn1nnQ3Q4Q3n1nQ4Q3

n1nQ5Q5可选用4D上升沿触发器74LS175构成。

Q2Q1Q0 风速 Q5Q4Q3 风种 11

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图（7）状态转化图

2.3、触发脉冲的形成

根据前面的逻辑表达式，我们可以利用D触发器建立起“风速”及“风种”

锁存状态电路，但这两部分电路的输出信号状态的变化还有赖于各自的触发脉冲。在“风速”部分的电路中，可以利用“风速”按键(X)所产生的脉冲信号作为D触发器的触发脉冲。而“风种”部分电路的触发脉冲CP则是由“风速”（X）、“风种”（Z）按键的信号和电扇工作状态信号（设ST为电扇工作状态，ST1停，

ST0运转）三者组合而成的。当电扇处于停止状态（ST1）时，按Z键无效，

CP信号将保持低电平；只有按X键后，CP信号才会变成高电平，电扇也 同时进入运转状态（ST0）。进入运转状态后，CP信号不再受X键的控制，而是由Z键所控制。由此，我们可列出如表（1）所示的CP信号状态表，并可得到其输出逻辑表达式：

CPXSTZST

（式中X为风速键的状态，Z为风种键的状态）

Z 0 0

X 0 0 12

ST 1 0 CP 0 0 电工课程设计

0 0 1 1 1 1

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1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 表（1）CP信号状态表 由于ST信号可由“风速”电路输出的三个信号组合而成。因而从表（2）所式

的ST信号状态表可得 STQ0Q1Q2

当ST1时，表示电扇停转。 当ST0时，表示电扇运转。

最终，可以得到CP的逻辑表达式

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强(Q2) 0 0 0 0 1 1 1 1 中(Q1) 0 0 1 1 0 0 1 1 弱(Q0) 0 1 0 1 0 1 0 1 ST 1 0 0 0 0 0 0 0 表（2）信号状态表

图（8）风速电路图

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图（9）风种电路图

2.4、电机转速控制端

由于电扇电机的转速通常是通过电压来控制的而我们要求有弱、中、强三种转速，因而在电路中需要考虑三个控制输出端（弱、中、强），以控制外部强电线路。这三个输出端与指示电扇转速状态的三个端子不同，还需要考虑“风种”的不同选择方式。如果用1表示某挡速度的选通，用0表示某挡速度的关断，那么“风种”信号的输入就使得某挡电机速度被连续或间断地选中，例如风种选择“自然”风，风速选择“中”时，电机将运行在中速并开“4秒”停“4秒”，反映到面板上为L2和L5灯亮。表现在转速控制端“中”上就是出现连续的1状态或间断的1和0状态。

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第三章 实验电路图

3.1 MULTISIM 仿真电路图

图（11）MULTISIM 仿真电路图

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第四章 实验电路整体说明

参考电路如图（11）可以从以下几个部分予以说明：

4.1、状态锁存器电路

“风速”、“风种”两种状态锁存器电路均采用二片4D触发器74ls139构成，每片三只D触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74ls139的清零端（R）均与停止键

4.2、触发脉冲电路

键X按动后形成的触发信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。 键X、Z及部分门电路74LS01、74LS08构成了“风种”状态电路触发信号CP。电扇停转时，ST＝0，X＝0，故图中与非门U2输出为高电平，U3输出也为高电平，因而U4输出的CP信号为低电平。当按下X键后，X输出高电平，U2输出低电平，故CP变为高电平，并使D触发器翻转，“风种”功能处于“正常”状态。同时，由于X键输出的上升沿信号，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，ST＝1。电扇运转后，U2输出始终为高电平，这样CP信号与Z的状态相同。每次按下Z并释放后，CP信号上就会产生一个上升沿使 “风种”状态发生变化。在工作过程中，CP的波形图如图6.1所示。

图（13） CP的波形图

在参考电路图（11）中，X平时为低电平，而Z平时为低电平，在实验时，

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可选用实验箱中的单次脉冲开关表示X、Z。

4.3、“风种”三种方式的控制电路

在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。参考电路中，采用74LS160作为“风种”方式控制器，由74LS139的三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入，如图6.2所示波形。

图（14） “风种”三种工作方式波形

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第五章 实物安装与调试

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第六章 故障分析与电路改进

1、 改进提问：风扇最终输出端只有一个，怎样实现风速风种的双重控制？ 分析回答：①通过风速、风种电路的串联控制实现； ②通过与门芯片来实现双输入的选择。通过老师指点和连接复杂程度比较比较选择第二种方法更为简便且性能稳定。

2、 改进提问：在仿真运行过程中出现了个别芯片由于缺少模拟端口无法模拟运行的情况。

分析回答：上网查找错误原因是由于步长太小。

3、 改进提问：在仿真过程中速度太慢，特别是在测555产生脉冲周期时。 分析回答：通过改变Multisim软件中步长参数来实现，可以使运行速度加快。从而节约时间，加快进度。

4、 改进提问：连接电路时脉冲触发“风速”显示正常，但“风种”显示不正常。整体测试正常，但单个测试出现问题，偶尔下降沿也会触发。 分析回答：“风种”电路比较复杂，其触发脉冲是CPK1STK2ST，较难控制。在实际连接电路中，其中一个与非门芯片存在故障；并且线路连接接口并不十分可靠；负脉冲产生存在故障导致出现以上问题。

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第七章 设计心得

通过自己和同组人的努力，实验还是很圆满的完成了。刚开始拿到课程题目，都不知道所以然，因为这种课程设计还是我们第一次做，而且对家用电风扇的设计也不太了解。我们首先是查找相关资料，来了解这个设计。后来在图书馆查找相关书籍，在网上收集一些资料，才慢慢对家用电风扇的设计有了初步的了解。

最终，通过验证证明，该设计方案是成功的。其中难免存在一些错误和缺陷，请老师能给予批评和指证，使该设计更加准确。

通过此次课程设计让我亲身参与电子产品的设计使我更加深深地体会到：现代社会是灵活多变的社会，是信息的社会，很多与人们生活紧密相关的产品都是电子产品。作为一名机械类专业，且已经要进入大三的我们，我认识到我不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。

——刘意雄

通过本学期紧张而充实的课程设计，我学到了很多东西，并对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。做好一个课程设计或毕业设计不仅要具备扎实的书本知识并会善于应用，还要学会查阅资料，对以前学过的知识不清楚的地方还要进行复习，实在搞不明白的地方要向老师或同学请教，这样才可能做出一个比较不错的课程设计。

此次课程设计我参与了其中电路设计与仿真接，在整个过程中我们遇到很多问题，没有头绪，甚至要推翻从头来过。但是整个团队在最后都坚持下来，我想正是这份坚持和不放弃的信念，才使得最后可以圆满的完成此次课程设计。我们每个人学到的东西都受益良久。

——韩春腾

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作为第一次做课程设计，也是大学生活中少有的组队项目，我们的确在一开始手忙脚乱。但是大家齐心协力，通过在图书馆查阅资料、上网搜寻相关信息、请教老师等途径，很快便有了坚持的方向与明确的分工。这一次课程设计让我在专业知识上学到很多，学会了一些作为一个机械类专业的学生所应学会的仿真软件如multisim等，。当然，在专业之外我们也学到很多，作为人数最少的团队，我们每人多分担一点工作量，团结一致，一直要求完成最好最快，最终我们也用成果证明了我们的努力。

——李昂

这次课程设计我在组里主要承担电路连接过程。这一次课程设计让我在专业知识方面有了很大的提高，对电工知识有了清晰更深层次的认知。也学会了作为一名机械专业学生应当学会的仿真软件multisim等。同样，对于设计过程要求严谨性的思维以及逻辑性要求也有了更深入的体会。

——于一夫

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参考文献

⑴《现代电子学及应用》，童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年 ⑵《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年

⑶《集成电子技术基础教程》，郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社，2002年5月

⑷《电子技术课程设计指导》 彭介华编，高等教育出版社，1997年10月 ⑸《新编555集成电路应用800例》 陈永甫编著 电子工业出版社 2000年

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附录一

实验清单

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

发光二极管 555定时器 单刀单掷开关 电钮 74LS160D 与非门 非门 与门 74LS139D 2千欧电阻 470μF电容 10nF电容 5v电源 导线 6个 1个 2个 2个 3个 2个 7个 3个 2个 2个 1个 1个 1个 若干 24