怎么实现简易洗衣机控制的设计？

第一章 设计任务与要求

1.1 题目与任务要求

本课程设计是利用学习的模拟电子技术、数字电子技术知识进行的一次综合设计，要求完成的主要任务：

• 设计一个函数发生器，要求产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，且频率可调；
  
• 利用产生的波形去控制洗衣机运转频率；
  
• 当定时时间达到终点时，一方面使电机停机，同时发出音响（可用各种提示）提醒用户注意；
  
• 用两们数码管显示洗涤的预置时间（以分钟为单位），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到而停机；
  
• 三个LED灯表示“正转”、“暂停”、“反转”3个状态；
  
• 画出电路图；
  
• 利用Multisim软件对电路的仿真与调试。
  
  

控制洗衣机的电机做如下运转：





1.2 性能指标要求

• 产生四种频率可调的波形；
  
• 按倒计时方式对洗涤过程做计时显示，直到时间停止；
  
• 定时时间到终点，一方面电机停转，同时报警提醒用户注意；
  
• 仿真调试成功。
  
  

1.3 设计与调试

按照任务要求，计算参数，选择元器件。根据所设计的电路和所选择的元器件搭接安装电路，并按照调试步骤（调试步骤详见课程设计指导书）进行调试，逐步排除故障，最终达到设计要求。
第二章 设计方案

本定时器实际上包含两级定时的概念，一是总洗涤过程的定时，二是在总洗涤过程中又包含电机的正转、反转和暂停三种定时，并且这三种定时是反复循环直至所设定的总定时时间到为止。当总定时时间在设定一个时间T后，用倒计时的方法每分钟减1直至T变为0。在此期间，若秒十位为0或1则电机正传。若秒十位为2或5则电机停，若秒十位为3或4则电机反转。由于电机正反转一个循环周期正好是一分钟所以本电路采用秒十位控制电机的正反转。实现定时的方法很多，比如采用单稳电路实现定时，又如将定时初值预置到计数器中，使计数器运行在减计数状态，当减到全零时，则定时时间到。如图所示的电路原理框图就是采用这种方法实现的。由秒脉冲发生器产生的时钟信号经60分频后，得到分脉冲信号。洗涤定时的时间的初值通过开关设置到洗涤时间计数器中，每当分脉冲到来计数器减1，直至减到定时时间到为止。运行中间，剩余时间经译码后在数码管上进行显示。





第三章 波形发生电路

3.1 设计思路

比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
波形设计总电路图如图3.1.1所示。





波形设计总波形图如图3.1.2所示。





3.2 方波发生电路

因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分，因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈—正反馈，因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。方波电压状态如图3.2.1所示。





此电路由反相的输入比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。Uo通过R1对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高。当t趋于无穷时，Un趋于+Uz。但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，从Uo=+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R1对电容C反向充电。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz，但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。方波发生电路如下图3.2.2所示










3.3 三角波（锯齿波）发生电路

当方波发生电路的输出电压Uo=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降，而当Uo=-Uz时，Uo将线性上升。积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压Uo1，而且Uo1不是+Uz，就是-Uz。设初态时正好从-Uz跃变为+Uz，则积分电路反向积分，Uo随时间的增长线形下降，一旦Uo=-Ut，再稍减小，Uo1将从+Uz跃变为-Uz。积分电路正向积分，Uo随时间的增长线形增大，一旦Uo=+Ut再稍增大，Uo1将从-Uz跃变为+Uz。回到初态。积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程。因此产生自激振荡，三角波发生电路如图3.3.1所示。




方波-三角波（锯齿波）仿真图





3.4 三角波-正弦波电路图

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
正弦波电路如图3.4.1所示：





为使输出波形更接近正弦波：

• 传输特性曲线越对称线性区越窄越好；
  
• 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区；
  
• 图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中R4和R12调节三角波的幅度，R13调整电路的对称性。电容C1为隔直电容，C2和C3为滤波电容，以滤除谐波分量改善输出波形；
  
• 正弦波电路仿真图3.4.2。
  
  
  
  
  
  

第四章 单元电路的设计和元件的选择

4.1秒脉冲发生器

波形发生器产生频率可调方波










方波生成形成1kHz的方波，经过1000进制计数器1000分频，从而得到1Hz的方波，用来做标准脉冲，较为精确。
4.2 电机转动时间计时及电机驱动电路

• 将74LS192接成十进制加法计数器，用来控制电机转动秒计时的个位，将74LS161接成六进制加法计数器，用来控制电机转动秒计时的十位；
  
• 用74LS138及与非门构成控制器，用来控制模拟电机转动的方向及转动或停止的状态；
  
• 用74LS194模拟电机转动。74LS194的输出端接发光二极管；光点右移表示电机正转；光点左移表示电机反转；光点不移动表示电机停止转动。循环规律：正转20s-停止10s-反转20s-停止10s。
  
  

4.3 定时电路及报警提示电路

• 定时电路采用两片74LS190芯片对所设定的数值到计时，采用8个开关设定洗衣机总工作时间；
  
• 报警电路采用组合电路，总定时器计数到指定值，报警灯亮起，切断电路的工作状态，使电机停止转动
  
  

4.4 数码管驱动电路






第五章 检验

5.1 定时仿真

1、八分钟定时
将十位八路开关的第四个开关不接通，表示置数输入端为“0000”； 将个位四路开关的接通，表示置数输入端为“1000”，十分位显示为0，分钟为显示8。所以成功定时8分钟。





2、五十五分钟定时
将十位四路开关的第二，四个开关接通，表示置数输入端为“0101”； 将个位四路开关的第二，四个开关接通，表示置数输入端为“0101”，十分位显示为5，分钟为显示5。所以成功定时55分钟。





5.2 循环仿真

1、当十秒位为0或1时，4个灯右移表示洗衣机正传，仿真电路如下图所示










2、当十秒位为2或5时,4个灯保持不变表示洗衣机停止 ，仿真电路如下图所示










3、当十秒位为3或4时,4个灯左移亮表示洗衣机反转 ，仿真电路如下图所示










5.3 总电路仿真






第六章 附录