集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計報

..集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計報告一、設(shè)計目的進一步熟悉和掌握數(shù)字電路的設(shè)計方法和步驟進一步將理論和實踐相結(jié)合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?！?具有快速校準時、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?！?計時準確度：每天計時誤差不超過10秒?！?供電方式：220v,50hz交流供電,當交流中斷時,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2.參數(shù)的計算和有關(guān)器件的選擇3.對電路仿真4.撰寫設(shè)計報告一份：A3圖紙至少一張,報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)目錄第一章：設(shè)計方案的選擇………………<3>1.數(shù)字鬧鐘的設(shè)計思想…………<3>2.數(shù)字鬧鐘組成框圖及工作過程………………<3>第二章：電路的計算與分析……………<6>1.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計…………<6>2.秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計…………<7>3.時、分、秒計數(shù)器的設(shè)計……<10>4.校時電路的設(shè)計………………<16>5.鬧時電路的設(shè)計………………<17>6.數(shù)碼顯示電路的設(shè)計…………<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.元器件明細表…………………<28>2.總電路原理圖…………………<30>第六章：參考文獻…………<31>第一章：設(shè)計方案的選擇1.1數(shù)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)定的標準時間脈沖信號,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1HZ,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)考慮校準時間電路,校準電路一般采用自動校準快速調(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。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。整流電路校準電路秒計時器分計數(shù)器 時計數(shù)器 秒顯示器分顯示器 時顯示器 鬧鐘功能擴展功能晶體振蕩器分頻器秒整流電路校準電路秒計時器分計數(shù)器 時計數(shù)器 秒顯示器分顯示器 時顯示器 鬧鐘功能擴展功能晶體振蕩器分頻器秒脈沖發(fā)生器它的工作過程：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)A--時十位校準開關(guān),開關(guān)B--時個位校準開關(guān),開關(guān)C--分十位校準開關(guān),開關(guān)D--分個位校準開關(guān),開關(guān)E--秒十位校準開關(guān),開關(guān)F—秒個位校準開關(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、E都斷開,F合上。啟動后進行校準,先校準小時：開關(guān)A后合上,每一秒鐘顯示器的數(shù)字改變一次,當顯示需要校準的數(shù)字時斷開開關(guān)A,再將開關(guān)B合上,同樣當計時器顯示了正確的時間時,斷開開關(guān)B,這樣時校準完成。分校準,秒校準用同樣的方法進行校準。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)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)N就能達到人工止鬧的效果。第二章：電路的設(shè)計計算與分析2.1整流電路的設(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1:0.04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7805組成,電路圖如圖2-1：圖2-1整流穩(wěn)壓電路2.2秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計秒脈沖發(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)字鐘的計時的準確程度?！?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=32768hz?！?分頻器的設(shè)計分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標準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74LS90,74LS161以及14位二進制計數(shù)器,如CD4020、CD4060、MC14020、MC14060、74HC4020、74HC4060。本設(shè)計選用CD4060芯片及D觸發(fā)器構(gòu)成15分頻電路,其中D觸發(fā)器用來進行二分頻,秒脈沖電路如圖2-2：圖2-2CD4060秒脈沖發(fā)生器CD4060芯片功能簡介：CD4060由一振蕩器和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。CD4060管教圖：圖2-3CD4060管腳圖CD4060各管腳功能：管腳號1234567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891011121314功能Vss接地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1516功能10分頻輸出Vdd電源D觸發(fā)器管腳圖：圖2-4D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〔低電平有效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74LS190、74HC290、74HC390,74LS160等來實現(xiàn)計數(shù)單元的計數(shù)功能。本次設(shè)計選擇74LS160計數(shù)器。計數(shù)器74LS160管腳圖：圖2-574LS160管教圖74160計數(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74LS160構(gòu)成,利用異步清零端MR將一片十進制計數(shù)器74LS160構(gòu)成六進制,再與另一片十進制計數(shù)器74LS160連成六十進制,各個原理圖如下圖所示：六進制計數(shù)器：圖2-6由74LS160構(gòu)成六進制計數(shù)器原理圖六十進制計數(shù)器：圖2-7由76LS160構(gòu)成六十進制原理圖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74LS160構(gòu)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74LS160構(gòu)成一百進制計數(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2-8一百進制原理圖,圖2-9為二十四進制原理圖如下：一百進制計數(shù)器：圖2-8由74LS160構(gòu)成的一百進制計數(shù)器二十四進制計數(shù)器：圖2-9有74LS160構(gòu)成的二十四進制計數(shù)器2.4校時電路的設(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。校時電路的要求在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)在分校正時不影響秒和時的正常計數(shù)校時方式：快校：通過開關(guān)控制,使計數(shù)器對1HZ的校時脈沖計數(shù)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2-10為分校準電路原理圖：圖2-10分校準電路原理圖說明：開關(guān)C、D分別一端接計數(shù)器的控制端ENP和ENT端,另一端經(jīng)過一電阻接到一直流電源上,當開關(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：圖2-1174S85管腳圖數(shù)值比較器74S85功能表：圖2-1274S85功能表鬧鐘電路原理圖：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)?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,當各個計數(shù)器輸出值分別都為2時,四片計數(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,進而集電極導(dǎo)通,繼而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。當響鈴一分鐘后,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,本設(shè)計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)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真,一鍵切換到PCB設(shè)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、PCB設(shè)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、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,20XX又增加了Cortex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。該軟件的特點是：①集原理圖設(shè)計、仿真和PCB設(shè)計于一體,真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計工具,②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ARM7設(shè)計與仿真功能,③具有全速、單步、設(shè)置斷點等多種形式的調(diào)試功能,④具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表,⑤支持KeilC51uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,⑥具有強大的原理圖到PCB板設(shè)計功能,可以輸出多種格式的電路設(shè)計報表。擁有PROTEUS電子設(shè)計工具,就相當于擁有了一個電子設(shè)計和分析平臺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：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：圖3.1連線錯誤示例圖〔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ENP、ENT一直為高電平,處于有效狀態(tài),隨著秒脈沖不斷計數(shù)。錯誤連線圖如圖3-2仿真錯誤圖：圖3-2進位連線錯誤示例圖〔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Q2、Q1端,對應(yīng)個位計數(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ENT、ENP〔即控制端,這樣就完成了向時計數(shù)器的完美進位了。原理圖如圖3-3：圖3-3進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,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.回顧起此次課程設(shè)計,至今我仍感慨頗多,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,只有理論知識是遠遠不夠的,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.在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(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.在讓我體會到了設(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：1.提高了我們的邏輯思維能力,使我們在邏輯電路的分析