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1、辽宁工程技术大学电子技术课程设计综述电风扇简称电扇，香港称为风扇，日本及韩国称为扇风机，是一种利用电动机驱动扇叶旋转，来达到使空气加速流通的家用电器，主要用于清凉解暑和流通空气。在社会高度文明的今天，家用电风扇的使用变得极为普通平常。但是随着近年来，人们生活水平的提高，对家用电风扇的质量要求也越来越高。以前单一的只能控制风速和定时的电风扇已经不能够满足人们的需求，这就要求要出现一种功能更全，操作更方便的电风扇来取代以前的老式机电风扇。目前市场上流行的最先进的是定位于空调和风扇之间的空调扇，它以水为介质，利用物质的相变吸热规律及水的蒸发潜能原理工作，可送出低于室温的冷风，而内置的常规电热源可送出
2、温暖湿润的风。本设计仅从电路硬件出发，用数字逻辑电路来完成设计。它较之以前的电扇有可靠性高，反映速度快，控制更方便的优点。本设计在机电电风扇的基础上，增加了自动控制风速和风种，并对其控制功能进行了新的设计，使其操作更为方便，从而普遍满足人们的需要。在本设计中，我们主要通过从数字电路中学习到的知识，对电风扇的风速控制、风种控制等部分的电路进行数字逻辑设计，然后进行电路组装，形成一个完整的电风扇的控制电路。1电风扇本章主要介绍电风扇的一些基本知识，包括电风扇的结构，分类及其他的一些基本概念。进一步研究电风扇的基本工作原理，分析其工作过程。1.1 电风扇的起源与发展电风扇简称电扇，香港称为风扇，日本
3、及韩国称为扇风机，是一种利用电动机驱动扇叶旋转，来达到使空气加速流通的家用电器，主要用于清凉解暑和流通空气。广泛用于家庭、办公室、商店、医院和宾馆等场所。电扇主要由扇头、风叶、网罩和控制装置等部件组成。扇头包括电动机、前后端盖和摇头送风机构等。机械风扇起源于1830年，一个叫詹姆斯拜伦的美国人从钟表的结构中受到启发，发明了一种可以固定在天花板上，用发条驱动的机械风扇。这种风扇转动扇叶带来的徐徐凉风使人感到欣喜，但得爬上梯子去上发条，很麻烦。 1872年，一个叫约瑟夫的法国人又研制出一种靠发条涡轮启动，用齿轮链条装置传动的机械风扇，这个风扇比拜伦发明的机械风扇精致多了，使用也方便一些。 1880
4、年，美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，再接上电源，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来，这是世界上第一台电风扇。1.2 电风扇的工作原理电风扇的主要部件是：交流电动机。其工作原理是：通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为热能。 电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来
5、以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。1.3 电风扇的分类1、按电动机结构可分为：有单相电容式、单相罩极式、三相感应式、直流及交直流两用串激整流子式电风扇。 2、按用途分类可分为：家用电风扇和工业用排风扇。 家用电风扇：有吊扇、台扇、落地扇、壁扇、顶扇、换气扇、转页扇、空调扇（即冷风扇）等；台扇中又有摇头的和不摇头之分，也有的转页扇；落地扇中有摇头、转页的。还有一种微风小电扇，是专门吊在蚊帐里的，夏日晚上睡觉，一开它顿时就微风习习，可以安稳地睡上一觉，还不会生病。 工业用排风扇：主要用于强迫空气对流之用。电风扇用久以后，扇
6、叶的下面很容易沾上很多灰尘。这是电风扇在工作时，由于扇叶和空气相互摩擦而使扇叶带上了静电，带电的物体能够吸引轻小物体的性质，从而能够吸收室内飘浮的细小灰尘造成的。1.4 电风扇的结构转子：由磁铁、扇叶及轴组成；定子：由硅钢片、线轴及轴承组成；控制电路：由IC感应磁铁；N.S.极经由电路控制其线圈导通而产生内部激磁使转子旋转。图1-1为家用电风扇操作面板示意图。图1-1 家用电风扇操作面板示意图在面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
7、”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。电风扇的扇操作状态的所有变换过程如图1-2所示。图1-2 电扇操作状态转换图2 电风扇电机及电源电路2.1电风扇的电机上面介绍的是
8、电风扇的操作面板及操作状态，电风扇的另一个重要部分是电风扇电机及电机的逻辑控制电路，其中逻辑控制电路这是本文要设计的内容。但是逻辑控制电路一般的供给电源要求为+5V，所以一个稳定电源电路是逻辑电路正常稳定工作的保证。家用电风扇虽然分类很多，并且近几年又出现了空调扇等，而且许多电风扇应用微电子技术和微电脑技术，向多功能、舒适和高档方向发展，但其主要动力电机，今本上是一样的。台扇用电机多采用单相电容运转电机，输入功率为3285w。为降低成本，分页直径较小的台扇也有用单项罩极异步电动机。为了适应认得舒适要求，电动机采用电抗器、绕组轴头和电子线路等调速。电扇用电机采用单相电容运转电机，全封闭外传子结构
9、，输入公率一般为75100W。这种电机技术为14、16或18等，转速较慢，达到安全目的。点采用有多个轴头的电抗器与转换开关进行调速。2.2 电源电路 电路图如图2-1所示。该电路虽然结构简单，但可以从两个相同的次级绕组中产生出三组直流电压，它们是某些微处理机所需要的+5V、-5V和+12V。电路的特点是二极管D2、D3的连接方式，它们跨接在E2、E3这两组交流电源之间，起着全波整流作用。在正半周，E2通过D2对C2充电，电流路经 bC2(+)C2(-)D2a；在负半周，E3通过D3对C3充电，电流路经是dD3C2(+)C2(-)C。二极管D1和D4则构成一般的半波整流。两只三端稳压器7805输
10、入端电压分别由C2、C3提供，而7812输入端电压C1与C2上的电压正向相加后提供。图2-1 电风扇电源电路图3 单元电路设计3.1 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，简化后的状态转化表如表3-1所示。图中横线下数字为Q2、Q1、Q0的输出信号。根据表3-1状态转化图，利用卡诺图化简后，可得到Q0、Q1、Q2的输出信号逻辑表达式（它
11、们可适用于“风速”及“风种”电路）：表3-1 电扇简化操作状态表CLK的顺序Q2Q1Q0风速0123000100100100停止弱中强CLK的顺序Q2Q1Q0风种0123000100100100停止正常自然睡眠可选用4D上升沿触发器74LS175构成。175 为四上升沿 D 触发器，共有 54175/74175、54S175/74S175，54LS175/74LS175 三种线路结构形式。其主要电特性的典型值如下：当清除端（CR ）为低电平时，输出端 Q 为低电平。在时钟（CP）上升沿作用下，Q 与数据端（D）相一致。当 CP 为高电平或低电平时，D 对 Q 没有影响。CP 时钟输入端（上升沿
12、有效）。CR 清除端（低电平有效）1D4D 数据输入端，1Q4Q 输出端，1Q4Q 互补输出端。其功能表如表3-2所示。表3-2 74LS175功能表输入输出CLR0111CLK0D10Q010Q0Q101Q03.2 触发脉冲形成电路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（K1）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”（K1）、“风种”（K2）按键的信号和电扇工作状态信号（设ST为电扇工作状态，ST=0停，
13、ST=1运转）三者组合而成的。当电扇处于停止状态（ST=0）时，按K2键无效，CP信号将保持低电平；只有按K1键后，CP信号才会变成高电平，电扇也 同时进入运转状态（ST=1）。进入运转状态后，CP信号不再受K1键的控制，而是由K2键所控制。由此，我们可列出如表3-3所示的CP信号状态表，并可得到其输出逻辑表达式：（式中K1为风速键的状态，K2为风种键的状态）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3-4所示的ST信号状态表可得 当ST=0时，表示电扇停转。当ST=1时，表示电扇运转。最终，可以得到CP的逻辑表达式 表3-3 CP信号状态表K2K1STCP000011110
14、01100110101010100100111表3-4 ST信号状态表强(Q2)中(Q1)弱(Q0)ST000011110011001101010101011111113.3 电机转速控制电路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（如可控硅触发电路）。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。4 电风扇逻辑电路图示4.1为家用电风扇的逻辑控制电路原理图。图4-1 家用电风扇的逻辑电路图参考电路如图4.1可以从以下几个部分予以说明：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74LS175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74LS175的清零端（R）均与
