集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計(jì)報(bào)

1、集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)目的1 .進(jìn)一步熟悉和掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法和步驟2 .進(jìn)一步將理論和實(shí)踐相結(jié)合3 .熟悉和掌握仿真軟件的應(yīng)用二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求(1)時鐘功能：具有24小時或12小時的計(jì)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(jì)時準(zhǔn)確度：每天計(jì)時誤差不超過 10秒。(5)供電方式：220v, 50hz交流供電，當(dāng)交流中斷時，自動接上內(nèi)部備用電源供電，不影響計(jì)時功能。三、設(shè)計(jì)要求1 .完成全電路的理論設(shè)計(jì)2 .參數(shù)的計(jì)算和有關(guān)器件的選擇3 .對電路仿真

2、4 .撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告一份：A3圖紙至少一張，報(bào)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(jì)(3)仿真過程的實(shí)現(xiàn)目錄第一章：設(shè)計(jì)方案的選擇(3)1 .數(shù)字鬧鐘的設(shè)計(jì)思想(3)2 .數(shù)字鬧鐘組成框圖及工作過程(3)第二章：電路的計(jì)算與分析(6)1 .直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(6)2 .秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)(7)3 .時、分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) (10)4 .校時電路的設(shè)計(jì) (16)5 .鬧時電路的設(shè)計(jì)(17)6 .數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì)(20)第三章：仿真過程及結(jié)果分析 (21)1 .仿真軟件的簡介(21)2 .仿真分析 (21)第四章：總結(jié)與心得 (26)第五章：附錄(28)1 .元器件明細(xì)

3、表(28)2 .總電路原理圖 (30)第六章：參考文獻(xiàn) (31)第一章：設(shè)計(jì)方案的選擇1.1 數(shù)字鬧鐘的設(shè)計(jì)思想要想構(gòu)成數(shù)字鬧鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源一一能自動地產(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(jìn)行分頻，使得高頻脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于計(jì)時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”(頻率為1HZ),經(jīng)過分頻器輸 出的秒脈沖作為計(jì)數(shù)器的輸入。由于計(jì)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(jì)數(shù)器分別設(shè)計(jì)為 60進(jìn)制，60進(jìn)制，12進(jìn)制或24進(jìn)制（本方案我選用24進(jìn)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(jì)時裝置都有誤差，

4、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(jì)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(shí)驗(yàn)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。1.2 數(shù)字鬧鐘組成框圖及工作過程數(shù)字鬧鐘的組成框圖如圖1.1所示：分別由整流電路，數(shù)碼顯示電路，計(jì)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。教育資料圖1.1數(shù)字鬧鐘組成框圖它的工作過程：本設(shè)計(jì)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。

5、開關(guān) A-時十 位校準(zhǔn)開關(guān)，開關(guān)B-時個位校準(zhǔn)開關(guān)，開關(guān) C-分十位校準(zhǔn)開 關(guān)，開關(guān)D-分個位校準(zhǔn)開關(guān)，開關(guān)E-秒十位校準(zhǔn)開關(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 一人工止鬧開關(guān)。啟動前A、B、C、D、E都斷開，F(xiàn)合上。啟動后進(jìn)行校 準(zhǔn)，先校準(zhǔn)小時：開關(guān)A后合上，每一秒鐘顯示器的數(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)B合上，同 樣當(dāng)計(jì)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(jìn)行校準(zhǔn)。這樣電路就有了正常的 計(jì)時功能。接下來介紹鬧鐘功能，第一步：將開關(guān) N合上，以使蜂鳴器 接入電路中，第二步：設(shè)置鬧鈴時間。鬧鐘電路

6、中有四組（每組 有四個）開關(guān)，分別為A1、B1、C1、D1組，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(jìn)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(jìn)制數(shù)，對應(yīng)一位十進(jìn)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)N就能達(dá)到人 工止鬧的效果。第二章：電路的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析2.1 整流電路的設(shè)計(jì)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1:0.04的變壓器TRAN-2P2s橋式整流集成電路BR1,電容C1、C2構(gòu)成濾波電路以及集成穩(wěn)壓芯片

7、 7805組成，電路圖如圖2-1 :WE圖2-1整流穩(wěn)壓電路2.2 秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)選用方案二：石英晶體振蕩器(晶振頻率 f=32768hz)。(2)分頻器的設(shè)計(jì)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(kuò)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(jì)數(shù)器74LS90,74LS161 以及 14

8、 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如 CD4020、CD4060、MC14020、MC14060、74HC4020、74HC4060。本設(shè)計(jì)選用 CD4060芯片及D觸發(fā)器構(gòu)成15分頻電路，其中D觸發(fā)器用來進(jìn)行二分CD4060由一振蕩器和14級二進(jìn)制用行計(jì)數(shù)器組成，所有計(jì) 數(shù)器均為主從觸發(fā)器。CD4060管教圖:圖2-3 CD4060管腳圖CD4060各管腳功能:管腳號1234567功能12分13分146分5分7分4分頻輸頻輸分頻頻輸頻輸頻輸頻輸出出輸出出出出出管腳號891011121314功能Vss接信號信號信號復(fù)位9分8分地正向輸出反向輸出輸入信號輸入頻輸出頻輸出管腳號1516功能10分頻輸出Vdd電源D

9、觸發(fā)器管腳圖： 一 .Id q I-rr j 一74LS74圖2-4 D觸發(fā)器管教圖D觸發(fā)器真值表:輸入端DQnQn+1說明000Qn+1=0010101Qn+1=1111D觸發(fā)器管腳功能圖:管腳號對應(yīng)端功能說明1R置0端（低電平后效）2D輸入端3CLK脈沖輸入端4S置1端5Q輸出端2.3 時、分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)秒信號經(jīng)過秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時計(jì)數(shù)器之后，分別傳 到顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧?計(jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，“時”計(jì)時器應(yīng)為二十四或十二進(jìn)制，本設(shè) 計(jì)選擇二十四進(jìn)制。要實(shí)現(xiàn)這一要求，計(jì)數(shù)電路一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器如 74LS190、74HC290、74HC39

10、0,74LS160 等來實(shí)現(xiàn)計(jì) 數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。本次設(shè)計(jì)選擇 74LS160計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器74LS160管腳圖:7F"§ 8S 5S圖2-5 74LS160管教圖sLsm74160計(jì)數(shù)器各管腳功能：管腳3、4、5、6分別對應(yīng)D0、D1、D2、D3為輸入端，14、13、12、11分別對應(yīng)Q0、Q1、Q2、Q3為輸出端，9對應(yīng)LOAD 端,為同步置數(shù)端，2對應(yīng)CLK端，為信號輸入端,1對應(yīng)MR端， 為異步清零端，7、10管腳對應(yīng)ENP、ENT為控制端，當(dāng)7、10管 腳接高電平芯片進(jìn)入工作狀態(tài)，接低電平不工作。2.3.1a.六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器有兩片中規(guī)模十進(jìn)制計(jì)數(shù)器7

11、4LS160構(gòu)成,利用異步清零端MR將一片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成六進(jìn)制，再與另一片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160連成六十進(jìn)制，各個原理圖如下圖所示:六進(jìn)制計(jì)數(shù)器:7ALsc)0157712U77U1L1RLOADCLK4 ENT ENPRCOQ3Q2CTQ0D3D2D1DO74LS160圖2-6由74LS160構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理圖六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器:圖2-7由76LS160構(gòu)成六十進(jìn)制原理圖b.二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器同樣用兩片中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成，不過與構(gòu)成六十進(jìn)制的思路有些許不同，我是先將兩片74LS160構(gòu)成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再通過異步置零端，在100進(jìn)制 的基礎(chǔ)上

12、構(gòu)成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖2-8 一百進(jìn)制原理圖，圖2-9 為二十四進(jìn)制原理圖如下：一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器：圖2-8由74LS160構(gòu)成的一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器:圖2-9有74LS160構(gòu)成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.4 校時電路的設(shè)計(jì)在剛接通電源或者時鐘走時出現(xiàn)誤差時，則需要進(jìn)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(jì)數(shù)b . 在分校正時不影響秒和時的正常計(jì)數(shù)校時方式：c.快校：通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對1HZ的校時脈沖計(jì)數(shù)d. 慢校：用手動產(chǎn)生單脈沖做校時脈沖本設(shè)計(jì)使用快校方式。圖2-10為分校準(zhǔn)電路原理圖：圖2-10分校準(zhǔn)電路原理圖說明：開關(guān)C、D分別一端接計(jì)數(shù)器的控制端

13、 ENP和ENT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(jì)數(shù)脈沖的作用下，可對分十位和分個 位單獨(dú)計(jì)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。2.5鬧時電路的設(shè)計(jì)鬧時電路設(shè)計(jì)我選用了四組開關(guān)和四片數(shù)值比較器74S85,兩組開關(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74S85管腳圖:1012131591412341174SB5765圖2-11 74S85管腳圖數(shù)值比較器74S85功能表:5螞圾*j > >i(til如%4兆

14、XXXXXKXXX100434=可XXA »4<1XXXXXX4、曷XXXXXXXXMXXMHMXXXXX¥KK£XK010100000Q1 0I 014=44消4居XXXXKXI0Q0C14叫4二%4叫31Q0 :001Q0Q014=44噸4=44 = 44謂4消4送 4叫 A-J.工 4遇4 = 44M4M4叫4 =%4咽4咽001010圖2-12 74S85功能表鬧鐘電路原理圖:教育資料圖2-13鬧鐘電路原理圖功能簡介：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)?，?地（即低電平），則對應(yīng)

15、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(diǎn)22分，當(dāng)各個計(jì)數(shù)器輸出值分別都 為2時，四片計(jì)數(shù)器的QA=B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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了 “止鬧后不再重新操作，將不再發(fā)生起鬧”的功能 2.6數(shù)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

16、設(shè)計(jì)我選用了一個集成顯示器7SEG_BCD 高顯示器有四個管腳，可以直接提供 BCD碼的譯碼和顯示。圖2-14數(shù)碼顯示器7SEG_BCD第三章：仿真過程及結(jié)果分析3.1 仿真軟件的簡介：Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼 調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年又增加了 Co

17、rtex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。 在編譯方面，它也支持 IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。該軟件的特點(diǎn)是：集原理圖設(shè)計(jì)、仿真和PCB設(shè)計(jì)于一體，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計(jì)工具，具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)（不高于ARM7）設(shè)計(jì)與仿真功能，具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)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Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，具有強(qiáng)大的原理圖到PCB板設(shè)計(jì)功能，可以輸出多種格式的電 路設(shè)

18、計(jì)報(bào)表。擁有PROTEUS電子設(shè)計(jì)工具，就相當(dāng)于擁有了個電子設(shè)計(jì)和分析平臺3.2 仿真分析a.仿真時遇到的問題由于思維的局限性及理論知識在實(shí)際運(yùn)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(jì)過程中主要遇到以下問題：(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 3-1 :U6圖3.1連線錯誤示例圖(2)分時進(jìn)位方面問題：由于思維的局限性，最初只考慮到了秒計(jì)數(shù)器滿六十向分計(jì)數(shù)器進(jìn)一，分計(jì)數(shù)器滿六十進(jìn)向時計(jì)數(shù)器進(jìn)一，而忽略了秒計(jì)數(shù)器對時計(jì)數(shù)器在進(jìn)位方面的影響，這就 導(dǎo)致了分計(jì)數(shù)器對應(yīng)的顯示器顯示 59數(shù)值，秒計(jì)數(shù)器對應(yīng)的顯示器顯示0

19、0數(shù)值時，下一個秒脈沖到來后，直接向時計(jì)數(shù)器進(jìn)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(jì)數(shù)器進(jìn)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(jì)數(shù)器ENP、ENT 一直為高電平，處于有效狀態(tài)，隨 著秒脈沖不斷計(jì)數(shù)。錯誤連線圖如圖 3-2仿真錯誤圖：T !工我事y 丁上|三二二二EEEi-virTT f圖3-2進(jìn)位連線錯誤示例圖(3)蜂鳴器驅(qū)動電壓過大問題：由于proteus軟件中蜂鳴器驅(qū)動電壓默認(rèn)12V,而電路提供的直流電壓為 5V左右，因此無法驅(qū)動蜂鳴器使其鳴響。b.仿真問題的解決方案(1)連線問題的

20、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(jìn)行合適重新排版，這樣問題也就解決了。(2)進(jìn)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(jì)數(shù)器的對應(yīng)十位計(jì)數(shù)器的 Q2、Q1端，對應(yīng)個位計(jì)數(shù)器的Q3、Q1引出四條線接到一個四端口的與非門，將秒計(jì)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，冉將該與非門的輸出端接到時計(jì)數(shù)器的ENT、ENP (即控制端)，這樣就完成了向時計(jì)數(shù)器的完美進(jìn)位了。原理圖如圖 3-3:教育資料教育資料圖3-3進(jìn)位問題解決方案原理圖(3)蜂鳴器

21、驅(qū)動電壓過大解決方案：雙擊蜂鳴器修改蜂鳴器的教育資料驅(qū)動電壓為1V就可以了第四章：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(jì)，我們才把學(xué)到的知識與部分實(shí)踐相結(jié)合，從中對 我們所學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解數(shù)電課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)提出，分析 和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能 力的具體訓(xùn)練和考察過程.回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗 多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)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

22、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(jì)使我懂得了理論 與實(shí)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(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提 高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)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(jì)，難 免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計(jì)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，掌握得不夠牢周。這次數(shù)電課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)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?？傮w來說，這次實(shí)習(xí) 我受益匪淺 在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中 ， 特別有趣,培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力.在讓我體會 到了設(shè)計(jì)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(jì)，雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1.提高了我們的