简易电子闹钟的设计报告.docx
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简易电子闹钟的设计报告
编号：
基础工程设计说明书
题目：
LED强度可调驱动电路设计
院（系）：
电子工程与自动化学院
专业：
光电信息科学与工程
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学号：
**********
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职称：
高级实验师
2017年1月1日
摘要
目前，LED灯的亮度可调通过有两种可行方案：
第一种是通过占空比电压来输出不同的电压，从而实现亮度可调；第二种通过控制数模转换器来输出不同的电流，然后经过放大器来进行发大，从而实现输出不同的电压，来实现亮度可调。
对于第一种方案，优点是设计简单，且使用的电子器件类较少，造价成本低，其集成度低，电路原理不复杂，适于现代社会发展的需求。
对于第二种方案，它设计图复杂，其集成度不高，且使用了数模转换器，因此和第一种设计方案相比略高。
所以本设计采用了第一种方案。
本设计的结果是设计制作一种路LED光强独立可调的led调光电路；自动调光时可使等在熄灭、微亮、较量及最亮四种状态中不断循环；实现灯光的循环调节功能（循环时间分别为为2s、4s、6s、8s、10s、12s）；
关键词：
LED；色温；RGB；驱动；调光
Abstract
AttheendoftwentiethCentury,theelectronictechnologyhasdevelopedrapidly.Inthepromotion,themodernelectronicproductshavepenetratedalmostallareasofthesociety.Ithasgreatlypromotedthedevelopmentofsocialproductiveforcesandtheimprovementofsocialinformation.Timeisalwayssovaluabletopeople,theworkofthebusyandcomplicatedandeasytomakepeopleforgetthecurrenttime.Forgettodo,whenitisnotveryimportant,thisnothurttheimportantessentials.Simpleelectronicalarmclockisausedtoafteracertainperiodoftimethroughthealarmsoundsandwakesuptheuserasimpleelectroniccircuitandisusedtopreventnapsleepoverdotheinstrumentfromtimetotimetowakeuptheuser'srole.Thissystemmainlyconsistsof555timersquarewavesignalgeneratorandtheinputcontrolthroughthekeyinputcontrolofthetwobitcountertimingcircuitcanbeinputtotheinputofatimeoftheelectronicclock,simulationandtimeintervalcanbewithin99secondsofcontinuousadjustable.
关键词：
定时电路；555定时器；多谐振荡器；定时闹钟
Keywords:
timingcircuit;555timer;multiharmonicoscillator;timeclock
引言
随着电子技术的飞速发展，电子控制电路在日常生活中有着大量的应用并广泛地应用于工农业的生产和电子新产品的开发应用之中。
为进一步巩固和加强“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程的理论知识，用PROTEL等电路设计软件。
用mulsitim进行仿真进行PCB印制电路板设计，用PROTEL等电路设计软件，掌握常用电子电路的一般设计方法提高电子电路的设计能力，熟悉并学会选用电子元器件了解电子产品研制开发过程，掌握电子电路中基本单元电路的构成原理，学会撰写课程设计总结报告，加强论文写作能力通过查阅手册和文献资料培养独立分析问题和解决问题的能力，培养创新能力和创新思维。
把设计、组装、调试的内容进行全面的总结，将实践内容上升到理论高度。
研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
电子闹钟已经是现代生活中经常用到的工具之一，是人们日常生活中随处可见的一种简单的电子仪器。
传统的电子闹钟只是机械控制,另外体积也很大,又不美观也不实用，而此设计的电子闹钟是用逻辑芯片设计而成的。
只要简单的设置好后，就能按照用户的设定，定时产生闹铃，也能给人们的生活带来方便。
电子闹钟在科学技术高度发展的今天,千家万户都少不了它,所以很多家庭个人都需要有一个电子闹钟，为人们提供报时方便。
本书将简要介绍模仿电子闹钟的基本设计原理和仿真过程。
1设计任务
1.1设计题目
制作一个简易电子闹钟。
1）具有自动清零功能；
2）具有可调节闹铃时间功能；
3）可自动或手动结束闹铃；
1.2设计要求
1、运用所学知识设计一个简易电子闹钟结果以扬声器提示。
2、在设计过程中要求做到电路清晰明了，结构简单，能够把电路中各部件的主要功能分析透彻。
3、进行电路原理图设计，用PROTEL等电路设计软件，用multisim进行仿真。
4、进行PCB印制电路板设计，用PROTEL等电路设计软件。
2系统的组成
2.1系统的组成总体框图
根据闹钟的基本功能拟出方案的原理方框图如下图所示：
图表1
图（2.1）方案原理方框图
2.2各部分系统的功能
时钟信号发生系统：
振荡器产生周期为1Hz振荡的矩形波信号；
倒计时控制系统：
接收时钟信号以及键盘的输入，并且完成倒计时的工作；
键盘输入系统：
完成所需倒计时的时间输入；
响铃系统：
发出响铃，提醒用户。
2.3方案可行性分析与仿真调试
此方案是否可行关键在于这四个部分的电路能否同时合理有效地工作。
2.3.1时钟信号发生系统
时钟信号发生系统的电路可用简单的555多谐振荡电路来实现，根据NE555频率计算软件计算如下：
图（2.3.1.1）555频率计算结果
得知其中：
R1=50kΩ，R2=47kΩ，C=10μF
其原理图如下：
图（2.3.1.2）时钟信号发生原理图
通过multisim软件仿真以及调试可知：
我们能够通过简单的555多谐振荡电路产生倒计时控制系统所需的时钟信号：
图（2.3.1.3）时钟信号发生仿真图
2.3.2按键输入系统
该系统主要由0~9九个拨动按键以及两片为8－3线优先编码器组成，编码器的输入端由第一片优先编码器的八位输入端跟第二片优先编码器前二位输入端组成。
输出端的低三位分别由两片优先编码器的A0非,A1非，A2非相与而成，第四位输出端取自第一片优先编码器的GS非端。
通过扩展两片为8－3线优先编码器可实现十种不同输入状态编码出倒计时系统所需的四位输入端。
图（2.3.2.1）按键输入原理图
根据优先编码器的功能表，当优先编码器其中一个输入端输入低电平，其他输入端为高电平时，优先编码器就能将0~9输入端地址位译码成四位二进制码，通过multisim软件仿真以及调试结果如下：
在multisim中用一个数码管接到该系统的四位输出端，调试该电路得知：
在开关0~9全部闭合的情况下，然后当打开其中任何一个开关，两片组合成的编码器的输入端为低电平，这时它的输出为对应打开开关端口数字。
图（2.3.2.2）按键输入仿真图
应该考虑到开关输入优先性问题，根据优先编码器的功能表得知D7端的优先性最高。
根据设计，在输入数字时只能打开需要输入数字相应的开关，应避免同时打开两个或两个以上的开关，否则可能会出现输入无效的情况。
2.3.3倒计时与响铃系统
倒计时系统由两片十进制可逆计数器、两片BCD-7段数码管译码器驱动器、两片共阳数码管组成。
系统的的信号输入取自555信号发生系统的输出的方波信号，信号直接输入第一片74LS192计数器的DWN非减计数输入端，UP非端接高电平，这样就能实现减计数功能。
计数器的扩展：
第一片计数器的进位输出端BRW非接到第二位计数器的DWN非减计数输入端，两片计数器的输出端分别接到段数码管译码器驱动器的输入端，通过数码管译码器驱动器译码，这样就能实现在共阳数码管显示两位数的倒计数效果：
图（2.3.3.1）倒计时原理图
通过multisim软件仿真以及调试结果如下：
当第一位计数器的DOWN非端接入1Hz占空比位50%的方波信号源，第一片计数器的进位输出端BO非接到第二位计数器的DOWN非减计数输入端，分别在两片计数器的输出端接入数码管，数码管便会进行每秒一次的进位减计数显示：
图（2.3.3.2）倒计时仿真图
响铃系统主要由电平保持电路和蜂鸣器组成。
由于计数器进位输出信号仅为一瞬间的电平变化，而闹铃需要保持响着，这就需要一个电平保持电路。
为了能够让这个系统自动停止闹钟，这个电路可由一片十进制可逆减计数器简单构成：
当这个计数器UP非端接收到倒计时系统的一个初始的进位信号，一个闹铃周期内，这个计数器的QA非端由低电平变为高电平，这样就能驱动蜂鸣器发出声音，当下一个周期到来的时候再由高电平变为低电平，这样就实现了闹钟的自动停止。
图（2.3.3.3）响铃系统原理图
通过multisim软件仿真以及调试结果如下：
multisim示波器中蓝色的线条为方波信号源模拟计数器输出的进位信号，可以看到，当该计数器接受到电平变化的进位信号，其QA端由低电平变为高电平，并且在接收到第二个电平变化的进位信号时，还是保持这高电平，这就意味着蜂鸣器能在接受到第一个到第二个电平变化的进位信号期间响铃。
图（2.3.3.4）响铃系统仿真图
由于现实元器件DXP2004中计数器输出端口的电平为实际需要的非，这与multisim模拟软件的有所不同，所以在实际原理图中应在输入输出端分别接上一个非门：
图（2.3.3.5）响铃系统实际原理图
2.3.4各系统的衔接与总原理图
1.信号发生系统的输出信号直接连到倒计时系统的减计数输入端；
2.按键输入系统与倒计时系统的衔。
因为输入的数字包括十位和个位两个部分，所以输入时需要切换输入的位数。
通过查询计数器的功能表得知：
当计数器的LD非端为低电平时，计数器的输出为预置输入端的值。
为了能控制十位和个位两个部分的输入，这就接需要用到两个开关。
当输入十位的数时，控制十位计数器的LD非端为低电平，控制个位计数器的LD非端为高电平。
同理，当输入个位的数时，控制十位计数器的LD非端为高电平，控制个位计数器的LD非端为低电平，这样个位和十位的输入就互不影响。
最后把按键输入系统的四个输出端分别并联到倒计时控制系统的两个计数器的预置数端，这样就能实现通过按键输入所需的倒计时。
3.倒计时系统与响铃系统通过一个电平保持电路衔接，保障在一个倒计时周期内闹铃一直响着，其原理已经有所描述。
完成各系统的衔接，得到的总原理图参见附录二。
3硬件设计
3.1元器件选择的依据以及元件参数的确定
电阻：
电阻的主要参数有阻值、功率、精度等。
555多谐振荡电路对于电阻器的精度一般无特别要求。
为提高电路工作的稳定性,以选用金属膜电阻为宜。
功率的选择又电路中消耗的功率大小来决定。
功率选择太小,发热严重,甚至烧毁。
所以选取金属膜电阻R1=50KΩ，R2=47KΩ。
电容器：
功率放大电路中用涤纶电容器和电解电容较多。
涤纶电容器无极性电解电容有极性电容器的主要参数是容量和耐压值。
在高保真功率放大电路中为达到良好的频响效果耦合退耦电容器以选用损耗低漏电小的电容器如阻电容器聚苯乙烯电容器等更好。
为确保音调电路提升和衰减的准确性有关电容器的误差应小于5%。
所以选定电解电容C1=01uf,胆电容C2=0.1uf。
开关：
采用三脚小电流拨动开关。
电源：
根据逻辑芯片的工作要求，电源一般用5V电源，可由usb电源提供。
蜂鸣器：
应采用有源蜂鸣器；
数码管：
应采用共阳7段数码管；
逻辑芯片：
计数器采用SN74LS192N集成同步计数器；
与非门采用SN74LS00四与非门集成芯片；
编码器采用SN74LS148N优先编码器；`
555定时器采用型号为LM555CN的555定时器；
数码管译码器采用DM74LS47N七位数码管译码器；
3.2PCB原理图与电路图布线设计
应用DXP2004软件设计印刷电路板,过程如下:
准备上述电路原理图,根据设计要求设计电路原理图并绘制原理图,放置元件，对各部件进行封装,然后由该原理图文件生成相应的网络表，导入PCB图。
元件的布局应合理，元件的布局应该采用手工布局，按键等原件应等该合理按顺序排好，各芯片对整齐等。
布线方式采用自动布线加手动调整。
根据设计，电路确定电路板的尺寸定义为10cm*10cm，PCB板应采用双面板。
参数设置，设置电路线宽：
0.8mm；安全距离：
0.4mm，其余参数应严格参照制作电路板的要求进行设置，最终得到的PCB图参见附录三。
3.3硬件制作
电路板采用腐蚀覆铜PCB板的方法制作。
将敷铜板裁成电路图所需尺寸,将电路图打印到蜡纸上，将双面的电路图对整齐，利用热转印把蜡纸上的电路图再印到覆铜的PCB板上，然后进行腐蚀，打磨，钻孔等。
需注意的是打印电路图时应采用反面印刷，这样转印到铜板的电路图才是正确的，双面板亦如此。
元件的焊接。
因条件和时间限制的原因，板子采用手工电烙铁焊接。
为了调试方便与芯片的便捷更换，所有芯片管脚先采用圆孔插针代替焊接到电路板上，其余元件按照原理图一一焊接到PCB板上。
先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、开关、连接件之类，这些器件放置好后再放置线路上的特殊元件和大的元器件，IC等，最后放置小器件等。
4系统调试
4.1信号发生器的调试
只把555芯片装在电路板的圆孔排针上，其余芯片位置留空。
接上电源，用示波器检测555芯片的输出管脚波形。
调节示波器，结果示波器显示一列方波，频率接近1Hz，但是占空比只有35%到40%左右，并不是占空比为50%的标准方波，这可能是在计算555外围元件参数是没考虑到的。
严格来说，这并不会影响到计数器计数所需的高低电平信号，因此可认为时钟信号发生系统正常工作。
4.2计数器以及数码管显示的调试
把555芯片和两片计数器还有数码管译码器等原件装在电路板的圆孔排针上，按键输入等芯片位置留空。
接上电源，结果数码管不亮。
检查数码管得知，该数码管是共阴数码管，所以不能点亮，这是由于原件配发出错照成的。
由于电路需要的是共阳数码管，重新购置两个共阳数码管重新接上后数码管才亮，但是并没有倒计时的计数显示。
通过查询74ls192芯片资料以及检查计两个数芯片得知，芯片正常计数时它的MR端必须接低电平，而在原理图及PCB图上该芯片的14脚MR端没有接低电平，这是设计上疏忽的结果。
解决方法是直接将两片计数器芯片的14脚MR端背面直接飞线到附近的低电平节点上。
通过飞线设计，结果个位的数码管显示倒计时计数，但是显示十位的管子显示乱码。
这问题可能出在十位计数器和该数码管的显示译码器上。
利用示波器，根据计数器的功能表一一检测该计数器的输出端高低电平，结果得知该计数器的输出电平符合输入方波周期的个数。
再根据74ls47数码管译码器的功能表及引脚图检查该数码管译码器，得知该芯片的8脚GND端没有接低电平，而个位显示的译码芯片的接了低电平，这就确定了问题出在这个管脚上。
通过飞线把显示个位的译码芯片的8脚与十位的8脚连在一起，结果两个数码管均正常显示倒计时。
4.3响铃系统调试
把计数器的进位信号接到响铃系统的输入端，当两位计数器倒计时全部到0时，十位计数器的进位输出端会出一个进位信号，实际调试表明蜂鸣器接收到进位信号后发出来响铃，因此响铃系统正常工作。
4.4按键输入电路的调试
只把两片译码器芯片跟与非门芯片接到电路中，其余芯片不接，然后通过检测此系统输出的二进制值是符合按键开关的输入值，这样以检测此电路模块是否正常。
但是实际测试得到的是输出端全部都是高电平，经过反复通过芯片的功能表检查芯片的引脚接线以及确认线路的连接正确，结果还是不正常工作。
为了能够比较好地解决能够调节闹铃时间这个问题，最后放弃了这个按键输入的功能，取而代之的是通过控制计数器的MR端的高低电平开启或关闭个位或十位的计数功能来实现时间的调节。
原理如下：
当把个位计数器的MR端悬空，十位计数器的MR端接低电平，个位计数器就停止计数。
这时555组成多谐振荡器的方波信号会直接输入到十位计数器的输入端，十位计数器会进行以每秒一次的倒计时计数。
当计数器的倒计时到所需的及时后，就把个位计数器的MR端接低电平，两个计数器就会正常进行倒计时，而且倒计时为0的时候就会发出响铃，这样就通过等待选择十位计数器的倒计数设置闹了弄个的时间。
此方法的缺点是通过等待设置时间，还有只能设置0，10,20,30……到90秒数的设置。
经过上述几个步骤的调试，最终板子的功能基本得以实现。
5结论
经过这几天的设计制作以及调试，有以下几点总结：
设计总结：
在画原理图时为了避免电路走线的混乱，应该善于利用总线跟网络标号这两个工具，这样能使电路原理更加清晰明了。
了便于调试，各模块应该合理分开摆放在合适的位置。
为了便于人工焊接，应把尽量保证板子上层的焊接点尽量少。
该电路没有涉及到高频模块，因此没有考虑到干扰这方面。
但是有以下几点是要注意的：
电路原理的正确性。
这是制作电路板最基本、最重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。
这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到，一般的作品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的CAD软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。
电路的可靠性。
连接正确的电路板不一定可靠性好，例如模块选择不合理，元件及安装固定不正确，元器件布局布线不当等都可能导致PCB不能可靠地工作。
再如多层板和单、双面板相比，设计时要容易得多，但就可靠而言却不如单、双面板。
从可靠性的角度讲，结构越简单，使用面越小，板子层数越少，可靠性越高。
两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合。
电路的合理性。
这是PCB 设计中更深一层，更不容易达到的要求。
一个印制板组件，从印制板的设计、制作、装配、调试，无不与印制板的合理与否息息相关，例如板子形状选得不好加工困难，引线孔太小装配困难，没留试点高度困难，板外连接选择不当维修困难等等。
每一个困难都可能导致成本增加，工时延长。
而每一个造成困难的原因都源于设计者的失误。
没有绝对合理的设计，只有不断合理化的过程。
它需要设计者的责任心和严谨的作风，以及实践中为断总结、提高的经验。
制作总结：
在转印双面板电路时，应先用订书机将蜡纸上的双面电路图对齐好，再讲覆铜板插入中间进行热转印，这样能够较好地保证转印出来的PCB板两面的电路以及通孔对称上。
转印有时会将蜡纸上的一层薄膜同时附到板子上，附有薄膜的地方会腐蚀不到，影响了腐蚀效果。
为了较好的进行腐蚀，转印后应先检查板子表面是否有一层氧化薄膜，如果有应先将此层膜小心刮掉再进行腐蚀。
腐蚀的时候，应把握好时间，不让板子腐蚀过度或者腐蚀未完全。
腐蚀过程中应尽量避免吸入反应产生的有毒气体。
钻孔时应从板子的正面钻入，这会有利于元件的插入以及焊接。
焊接元件时，先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、开关、连接件之类，这些器件放置好后再放置线路上的特殊元件和大的元器件，IC等，最后放置小器件等。
调试总结：
调试应该分模块进行，类似状态变量法，各模块调试先后按照信号流动的顺序进行，最后一起调试，遵循先部分后整体的原则。
调试时应严格对照芯片的功能表进行一一检测各芯片元件的功能，若发现问题，要把问题一点一点缩小，这才能找到问题所在。
硬件电路焊完之后，在上电之前一定要先用万用表检测电源和地之间是否短路。
上电之后要用示波器观察信号的在电路中变化的情况，与设计当初的情况相比较，找出差别，并进行分析。
在系统各个部分都调试完毕之后，即可以进行整个系统的调试。
由于前面各个部分的调试做的都比较充分，所以在实际调试过程中，能够较顺利的实现整个系统预期的功能。
系统的性能分析：
经调试分析，此系统的时钟信号发生系统与倒计时系统均能稳定正常工作，能在倒计时结束后一直发出响铃。
响铃后计数器自动再从99秒开始倒时计数，倒计时完后即自动停止响铃，实现了自动停止闹铃的功能。
能够通过两个计数器的MR端高低电平开关实现清零功能。
系统能在设定的时间内闹铃，只能设置0，10,20,30……到90秒数的设置。
本系统通过测试，能够实现以下功能：
1）具有清零功能；
2）具有可调节闹铃时间功能；
3）可自动或手动结束闹铃；
不足之处：
电源处没有设计二极管防止反接的电路，倘若在调试或试用板子时把电源的正负两极接反，这可能会造成芯片以及板子电路的烧毁。
为了保证每个电子元件工作的稳定，在电源处应设计滤波电容，毕竟个电源输出的电压电流等参数不一样。
仿真并不等于实物电路，仿真平台有许多确定的条件，而实际制作之中参与者或多或少的不确定因素，只有通过不断调试才能实现板子的原有功能。
为期两个星期的课程设计已接近尾声。
我也终于顺利地完成了课题——简易电子钟的制作硬件设计,从中我学到了很多知识,提高了自身能力,受益匪浅。
理论和实践相结合对于我们电子专业的学生来说尤为重要。
两年期间，我们学习了很多书本知识，但是实际的操作和动手能力的培养相对来说比较少。
这次课程设计课题比较新颖并强调了对平时所学内容的综合应用，同时又给了我们充分的操作训练的机会，真正实现了理论联系实际。
我在课程设计的过程中，时常要运用到以前课上老师教授的知识。
通过不断地计算和分析，我深深地明白：
理论上正确的电路在实际中还要经过反复的检测和调试，才能达到最终满意的结果。
汗水是有的。
但是，只有通过不断的磨练，不断地实践，这样才能积累经验，才能让自己练就一番过硬的技能。
谢辞
本作品以及论文的完成，得益于桂电各老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累。
更得益于导师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血。
在此对导师汪杰君教授表示感谢！
还要特别感谢大学两年学习期间给我诸多教诲和帮助的电子工程与自动化学院的各位老师与同学，你们给予我的指导和教诲我将永远记在心里！
感谢和我一起生活两年的室友，是你们让我们的寝室充满快乐与温馨，“君子和而不同”，我们正是如此！
愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐！
是你们我大学的这一阶段——课程设计阶段给自己的指导，给了我耐心的指导和无私的帮助。
为了指导我们的课设论文，她们放弃了自己的休息时间，她们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。
同时，再次感谢养育我的父母，感谢所有任课老师和所有同学在这两年年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。
正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天
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