集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計報

1、集成數(shù)字式鬧鐘設(shè)計報告一、設(shè)計目的1. 進(jìn)一步熟悉和掌握數(shù)字電路的設(shè)計方法和步驟2. 進(jìn)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，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)

2、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(xì)表(28)2.總電路原理圖(30)第六章：參

3、考文獻(xiàn)(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(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(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

4、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(zhǔn) 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(kuò)展功能晶 體 振 蕩 器分 頻 器秒脈沖發(fā)生器圖1.1 數(shù)字鬧鐘組成框圖它的工作過程：本設(shè)

5、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(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時功能。接下來介紹鬧鐘功能，第一步：將開關(guān)N合上，以使

6、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(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

7、,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(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=32768hz）。（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(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)模集成電路計數(shù)器74LS

8、90,74LS161以及14位二進(jìn)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(jìn)行二分頻，秒脈沖電路如圖2-2：圖2-2 CD4060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(jìn)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2-3 CD4060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Vs

9、s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2-4 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=1111 D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?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，“時”計時器應(yīng)為二十四或十二進(jìn)制，本設(shè)計選擇二十四進(jìn)制。要實現(xiàn)這一要求，計數(shù)電路

10、一般采用10進(jìn)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2-5 74LS160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(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。2.3.1 a六十進(jìn)制計數(shù)器六十進(jìn)制計數(shù)器有兩片中規(guī)模十

11、進(jìn)制計數(shù)器74LS160構(gòu)成，利用異步清零端MR將一片十進(jìn)制計數(shù)器74LS160構(gòu)成六進(jìn)制，再與另一片十進(jìn)制計數(shù)器74LS160連成六十進(jìn)制，各個原理圖如下圖所示：六進(jìn)制計數(shù)器： 圖2-6 由74LS160構(gòu)成六進(jìn)制計數(shù)器原理圖六十進(jìn)制計數(shù)器： 圖2-7 由76LS160構(gòu)成六十進(jìn)制原理圖b. 二十四進(jìn)制計數(shù)器 二十四進(jìn)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(jìn)制的思路有些許不同，我是先將兩片74LS160構(gòu)成一百進(jìn)制計數(shù)器，再通過異步置零端，在100進(jìn)制的基礎(chǔ)上構(gòu)成二十四進(jìn)制計數(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)制計數(shù)器： 圖2

12、-8 由74LS160構(gòu)成的一百進(jìn)制計數(shù)器二十四進(jìn)制計數(shù)器： 圖2-9有74LS160構(gòu)成的二十四進(jìn)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(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1HZ的校時脈沖計數(shù)d 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(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(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)

13、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。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2-11 74S85管腳圖數(shù)值比較器74S85功能表：圖2-12 74S85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)埽拥兀吹碗?/p>

14、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

15、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，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，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器

16、，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：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，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)計功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計報表。擁有P

17、ROTEUS電子設(shè)計工具，就相當(dāng)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：（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： 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數(shù)器滿六十向分計數(shù)器進(jìn)一，分計數(shù)器滿六十進(jìn)向時計數(shù)器進(jìn)一，而忽略了秒計數(shù)器對時計數(shù)器在進(jìn)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

18、沖到來后，直接向時計數(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(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

19、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(jìn)位了。原理圖如圖3-3：圖3-3 進(jìn)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

20、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(jìn)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

21、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?？傮w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與設(shè)計上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對組合邏輯電