1 集成數(shù)字式鬧鐘 設(shè)計 方案 一 、 設(shè)計目的 1. 進一步熟悉和掌握數(shù)字電路的設(shè)計方法和步驟 2. 進一步將理論和實踐相結(jié)合 3. 熟悉和掌握仿真軟件的應(yīng)用 二、設(shè)計任務(wù)和要求 （ 1） 時鐘功能：具有 24小時或 12小時的計時方式，顯示時、分、秒。 （ 2）具有快速校準(zhǔn)時、分、秒的功能。 （ 3）能設(shè)定起鬧時間，響鬧時間為一分鐘，超過一分鐘自動停 ;具有人工止鬧功能；止鬧后不再重新操作，將不再起鬧。 （ 4）計時準(zhǔn)確度：每天計時誤差不超過 10秒。 （ 5）供電方式： 220v， 50交流中斷時，自動接上內(nèi)部備用電源供電，不影響計時功 能。 三、設(shè)計要求 1完成全電路 的理論設(shè)計 告要求寫明以下要求： （ 1）總體方案的選擇 （ 2）各個單元的選擇和設(shè)計 （ 3）仿真過程的實現(xiàn) 2 目錄 第一章：設(shè)計方案的選擇 (3) (3) (3) 第二章：電路的計算與分析 (6) (6) (7) 、秒計數(shù)器的設(shè)計 (10) (16) (17) 設(shè)計 (20) 第三章：仿真過程及結(jié)果分析 (21) (21) 析 (21) 第四章：總結(jié)與心得 (26) 第五章：附錄 (28) (28) (30) 第六章：參考文獻 (31) 3 第一章：設(shè)計方案的選擇 字鬧鐘的設(shè)計思想 要想構(gòu)成數(shù)字鬧鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源 能自動地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖信號，而脈沖源產(chǎn)生 的脈沖信號的頻率較高，因此，需要進行分頻，使得高頻脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于計時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為 1經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖作為計數(shù)器的輸入。由于計時的規(guī)律是： 60秒 =1分， 60分 =1小時， 60小時 =1天，這就需要對計數(shù)器分別設(shè)計為60進制， 60進制， 12進制或 24進制（本方案我選用 24進制）的，按時、分、秒的順序?qū)?shù)字顯示出來。 值得注意的是，任何計時裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時間電路，校準(zhǔn)電路一般采用自動校準(zhǔn)快速調(diào)整和手動調(diào)整，“自動調(diào)整”可利用開關(guān)閉合與斷開，使顯示時間隨 計時脈沖自動調(diào)整時間。手動調(diào)整可利用手動節(jié)拍調(diào)整顯示時間，基于本次實驗我采用了自動調(diào)整。 數(shù)字鬧鐘要求有定時響鬧的功能，故需要提供設(shè)定鬧時電路，并且有人工止鬧功能，止鬧后不再重復(fù)操作，將不再發(fā)生起鬧功能。 字鬧鐘組成框圖及工作過程 數(shù)字鬧鐘的組成框圖如圖 別由 整流電路 ， 數(shù)碼顯示電路 ,計時器 ，校時電路，分頻器及振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器組成。 4 圖 字鬧鐘組成框圖 秒 脈 沖 發(fā) 生 器 分 頻 器 晶 體 振 蕩 器 擴 展 功 能 鬧 鐘 功 能 時 顯 示 器分 顯 示 器 秒 顯 示 器 時 計 數(shù) 器分 計 數(shù) 器秒 計 時 器 校 準(zhǔn) 電 路 整 流 電 路 5 它的工作過程：本設(shè)計開關(guān)用的較多，主要有校時設(shè)置開關(guān)六個，手動止鬧開關(guān)一個，鬧時設(shè)置開關(guān)十六個。開關(guān) 關(guān) 關(guān) 關(guān) 關(guān) 開關(guān) F秒個位校準(zhǔn)開關(guān)，同時也是控制電路正常工作開關(guān)， N 人工止鬧開關(guān)。啟動前 A、 B、 C、 D、 動后進行校準(zhǔn)，先校準(zhǔn)小時：開關(guān) 一秒鐘顯示器的數(shù)字改變一次，當(dāng)顯示需要校準(zhǔn)的數(shù)字時斷開開關(guān) A，再將開關(guān) 樣當(dāng)計時器顯示了正確的時間時，斷開開關(guān) B，這樣時校準(zhǔn)完成。分校準(zhǔn)，秒校準(zhǔn)用同樣的方法進行校準(zhǔn)。這樣電路就有了正常的計時功能。 接下來介紹鬧鐘功能，第一步：將開關(guān) 使蜂鳴器接入電路中，第二步：設(shè)置鬧鈴時間。鬧鐘電路中有四組（每組有四個）開關(guān)，分別為 ，分別對應(yīng)時的十位、分位和分的十位和分位，每組開關(guān)自上 而下對應(yīng)一組四位二進制數(shù)，只要將開關(guān)向上（向上為高電平）或向下（向下為低電平）撥到合適的位置，就能得到不同的二進制數(shù)，對應(yīng)一位十進制數(shù)，這樣就能設(shè)置不同的鬧鈴時刻，第三步：斷開開關(guān) 6 第二章：電路的設(shè)計計算與分析 流電路的設(shè)計 在電力電子中，整流電路主要由變壓器、橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，根據(jù)整流電路的主要組成，我選用初、次級線圈之比為 1:式整流集成電路容 成濾波電路以及集成穩(wěn)壓芯片 7805組成，電路圖如圖 2 圖 2流穩(wěn)壓電路 7 秒脈沖發(fā)生器由振蕩器和分頻器構(gòu)成。 振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘的計時的準(zhǔn)確程度。 （ 1）振蕩器的選擇方案 方案一：采用 555 定時器與電阻和電容構(gòu)成多諧振蕩器 方案二：采用石英晶體振蕩器 由于 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器頻率不穩(wěn)定 ，因此本設(shè)計選用方案二：石英晶體振蕩器（晶振頻率 f=32768 （ 2）分頻器的設(shè)計 分頻器的功能主要有兩個： 一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號 二是提供功能擴展電路所需要的信號 能構(gòu)成分頻器的芯片有很多如 3 片中規(guī)模集成電路計數(shù)器744及 14 位二進制計數(shù)器，如 7474設(shè)計選用 觸發(fā)器構(gòu)成 15 分頻電路，其中 D 觸發(fā)器用來進行二分頻， 秒脈沖電路如圖 2 圖 28 一振蕩器和 14 級二進制串行計數(shù)器組成，所有計數(shù)器均為主從觸發(fā)器。 圖 2腳圖 管腳號 1 2 3 4 5 6 7 功能 12分頻輸出 13分頻輸出 14分頻輸出 6分頻輸出 5分頻輸出 7 分頻輸出 4分頻輸出 管腳號 8 9 10 11 12 13 14 功能 信號正向輸出 信號反向輸出 信號輸入 復(fù)位信號輸入 9 分頻輸出 8分頻輸出 管腳號 15 16 功能 10分頻輸出 9 D 觸發(fā)器管腳圖： 圖 2觸發(fā)器管教圖 輸入端 D n+1 說明 0 0 0 =0 0 1 0 1 0 1 =1 1 1 1 10 D 觸發(fā)器 管腳功能圖： 管腳號 對應(yīng)端 功能說明 1 R 置 0端（低電平有效 ） 2 D 輸入端 3 沖輸入端 4 S 置 1 端 5 Q 輸出端 、分、秒計數(shù)器的設(shè)計 秒信號經(jīng)過秒 計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別傳到顯示電路，以便實現(xiàn)數(shù)字顯示時、分、秒的要求。“秒”和“分”計數(shù)器應(yīng)為六十進制，“時”計時器應(yīng)為二十四或十二進制，本設(shè)計選擇二十四進制。要實現(xiàn)這一要求，計數(shù)電路 一般 采用 10進制計數(shù)器如 7474744次設(shè)計選擇 74 11 計數(shù)器 74腳圖： 圖 24教圖 74160計數(shù)器各管腳功能： 管腳 3、 4、 5、 6 分別對應(yīng) 輸入端， 14、13、 12、 11分別對應(yīng) 9對應(yīng) 同步 置數(shù)端， 2 對應(yīng) ，為信號輸入端 ,1 對應(yīng) ，為異步 清零端， 7、 10 管腳對應(yīng) 控制端 ,當(dāng) 7、 10 管腳接高電平芯片進入工作狀態(tài)，接低電平不工作。 a六十進制計數(shù)器 六十進制計數(shù)器有兩片中規(guī)模十進制計數(shù)器 74成，利用異步清零端 一片十進制計數(shù)器 74成六進制，再與另一片十進制計數(shù)器 74十 進制 ，各 個原理圖 如下圖 所示 ： 12 六進制計數(shù)器： 圖 2由 74理圖 13 六十進制計數(shù)器： 圖 2 7614 b. 二十四進制計數(shù)器 二十四進制計數(shù)器同樣用兩片中規(guī)模集成計數(shù)器 74成，不過與構(gòu)成六十進制的思路有些許不同，我是先將兩片74百 進制計數(shù)器，再通過 異步置零 端，在 100進制的基礎(chǔ)上構(gòu)成 二十四 進制計數(shù)器。 圖 2理圖 ，圖 2如下： 一百進制計數(shù)器： 圖 2 7415 二十四進制計數(shù)器： 圖 2416 時電路的設(shè)計 在剛接通電源或者時鐘走時出現(xiàn)誤差時，則需要進行時間的校準(zhǔn)。 校時電路的要求 a 在小時校正 時不影響分和秒的正常計數(shù) b 在分校正時不影響秒和時的正常計數(shù) 校時方式： c 快校：通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對 1d 慢校：用手動產(chǎn)生單脈沖做校時脈沖 本設(shè)計使用快校方式。圖 2 分 校準(zhǔn)電路原理圖： 圖 2準(zhǔn)電路 17 原理圖說明： 開關(guān) C、 D 分別一端接計數(shù)器的控制端 ，另一端經(jīng)過一電阻接到一直流電源上，當(dāng)開關(guān)合上， 控制端為為高電平，處于有效狀態(tài)，在計數(shù)脈沖的作用下，可對 分 十位和 分 個位單獨計數(shù)，當(dāng)記到正確的時刻時再斷開開關(guān)，這樣電路就完成了校正功能。 時 和秒校正電路與時校正電路原理一樣。 時電路的設(shè)計 鬧時電路設(shè)計我選用了四組開關(guān)和四片數(shù)值比較器 74組開關(guān)和兩片數(shù)值比較器用來設(shè)定小時鬧鈴 時刻 ，另兩組開關(guān)和兩片數(shù)值比較器時用來 設(shè)定 分鐘 鬧鈴時刻 的。 數(shù)值比較器 74腳圖： 圖 2418 數(shù)值比較器 74能表： 圖 2419 鬧鐘電路 原理圖： 圖 2鐘電路原理圖 20 功能簡介： 通過四組開關(guān)分別調(diào)整鬧鐘時間，如將第一組開關(guān)自上而下的第三個開關(guān)向上撥，接到高電平端，其余三個開關(guān)向下?lián)?，接地（即低電平），則對應(yīng)數(shù)值 2，將第二組，第三組，第四組開關(guān)同樣操作，則對應(yīng)的了 22點 22分，當(dāng)各個計數(shù)器輸出值分別都為 2 時，四片計數(shù)器的 都輸出高電平，經(jīng)過一個與非門和一個非門，接到三級管上，使三極管基級導(dǎo)通，進而集電極導(dǎo)通，繼而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)響鈴一分鐘后，蜂鳴器停止鳴叫。 人工止鬧的實現(xiàn)：使用一個開關(guān) N，該開關(guān)在三極管的基級端，使用鬧鐘功能時，將開關(guān) N 閉合 ;停止鬧鐘功能時，將開關(guān)斷開，這就 實現(xiàn)了“止鬧后不再重新操作，將不再發(fā)生起鬧”的功能 碼顯示電路 ： 數(shù)碼顯示電路器件的選用應(yīng)注意譯碼器和顯示器件的相互配合。一是驅(qū)動電路要足夠大，二是邏輯電平要匹配。為了節(jié)約空間及降低復(fù)雜度，本設(shè)計我選用了一個集成顯示器 7顯示器有四個管腳，可以直接提供 的譯碼和顯示。 圖 221 第三章 :仿真過程及結(jié)果分析 真軟件的簡介： 世界上著名的 具 (仿真軟件 )，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到 單片機 與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將 電路仿真 軟件、 計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持 8051、2/16/18/24/30/8086 和 2010 年又增加了 列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持 多種 編譯器 。 軟件的特點是：集原理圖設(shè)計、仿真和 正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計工具，具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)（不高于 計與仿真功能，具有全速、單步、設(shè)置斷點等多種形式的調(diào)試功能，具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表，支持51 具有強大的原理圖到 以輸出多種格式的電路設(shè)計報表。擁有 相當(dāng)于擁有了一個電子設(shè)計和分析平臺 a仿真時遇到的問題 由于思維的局限性及理論知識在實際運用上存在一些相對誤差，這就導(dǎo)致了仿真過程中種種錯誤的出現(xiàn) ，我在設(shè)計過程中主要遇到以下問題： 22 （ 1） 連線問題： 由于制圖空間 有限及排版不規(guī)范而出現(xiàn)不 規(guī)則的連線方式 ，例如出現(xiàn)斜線現(xiàn)象，如下圖 3 圖 線錯誤示例圖 （ 2）分 時進位方面問題： 由于思維的局限性，最初只考慮到了秒計數(shù)器滿六十向分計數(shù)器進一，分計數(shù)器滿六十進向時計數(shù)器進一 ，而忽略了秒計數(shù)器對時計數(shù)器在進位方面的影響， 這就導(dǎo)致了分計數(shù)器對應(yīng)的顯示器顯示 59 數(shù)值 ，秒計數(shù)器 對應(yīng)的顯示器 顯示 00數(shù)值 時， 下一個秒脈沖到來后，直接向時計數(shù)器進一， 而正確的應(yīng)該是分顯示器顯示 59 數(shù)值，秒顯示器顯示 59 數(shù)值時，下一個秒脈沖到來后才向時計數(shù)器進一。 而且除此之外還有一個大弊端，那就是在分顯示器顯示 59數(shù)值整個一分鐘過程中，由于時計數(shù)器 于有效狀態(tài)，隨著秒脈沖不斷計數(shù)。 錯誤連線圖如圖 33 仿真錯誤圖： 圖 3位連線錯誤示例圖 24 （ 3）蜂鳴器驅(qū)動電壓過大問題 :由于 件中蜂鳴器驅(qū)動電壓默認(rèn) 12V，而 電路提供的直流電壓為 5此無法驅(qū)動蜂鳴器使其鳴響。 題的解決方案 （ 1）連線問題的解決：斜線 的出現(xiàn)主要是由于 剛開始排版時，器件排列過于緊密，因而在器件之間沒有留下布線的空間，因此我把各個器件進行合適重新排版，這樣問題也就解決了。 （ 2）進位問題的解決：既然要滿足 分顯示器和秒顯示器同時為59，下一個秒脈沖到來時，時顯示器才能加 一位，因此將分計數(shù)器的對應(yīng)十位計數(shù)器的 應(yīng)個位計數(shù)器的 出四條線接到一個四端口的與非門，將秒計數(shù)器做同樣的操作，再將兩個與非門的輸出端接到兩端口的與非門，再將該與非門的輸出端接到時計數(shù)器的 控制端），這樣就完成了向時計數(shù)器的完美進位了。原理圖如圖 3 25 圖 3位問題解決方案原理圖 （ 3）蜂鳴器驅(qū)動電壓過大解決方案：雙擊蜂鳴器修改蜂鳴器的驅(qū)動電壓為 126 第四章：總結(jié)與心得 我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電路和模擬電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步的了解，但那畢竟都是一些純理論的知識，通過這次數(shù)字鬧鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的知識與部分實踐相結(jié)合，從中對我們所學(xué)的知識有了更進一步的理解 數(shù)電課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識 ,發(fā)現(xiàn) ,提出 ,分析和解決實際問題 ,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié) ,是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程 今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過 的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次數(shù)電課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做數(shù)電課程設(shè)計，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 這次數(shù)電課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在 李 老師的辛勤 指導(dǎo) 下，終于游逆而解 。總體來說 ,這次實習(xí)我受益匪淺 路 使之實現(xiàn)所需功能的過程中 ,特別有趣 ,培養(yǎng)了我的設(shè)計思維 ,增加了實際操作能力 體會到了設(shè)計的艱辛的同時 ,更讓我體會到成功的喜悅和快樂 . 這次數(shù)電課程設(shè)計 ,雖然短暫但是讓我得到多方面的提高： 我們在邏輯電路的分析與設(shè)計上有了很大的進步。加深了我們對組合邏輯電路與時序邏輯電路的認(rèn)識，進一步增進了對一些常見邏輯