集成数字式闹钟设计方案.docx
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集成数字式闹钟设计方案
集成数字式闹钟设计方案
一、设计目的
1.进一步熟悉和掌握数字电路的设计方法和步骤
2.进一步将理论和实践相结合
3.熟悉和掌握仿真软件的应用
二、设计任务和要求
(1)时钟功能:
具有24小时或12小时的计时方式,显示时、分、秒。
(2)具有快速校准时、分、秒的功能。
(3)能设定起闹时间,响闹时间为一分钟,超过一分钟自动停;具有人工止闹功能;止闹后不再重新操作,将不再起闹。
(4)计时准确度:
每天计时误差不超过10秒。
(5)供电方式:
220v,50hz交流供电,当交流中断时,自动接上部备用电源供电,不影响计时功能。
三、设计要求
1.完成全电路的理论设计
2.参数的计算和有关器件的选择
3.对电路仿真
4.撰写设计报告一份:
A3图纸至少一,报告要求写明以下要求:
(1)总体方案的选择
(2)各个单元的选择和设计
(3)仿真过程的实现
第一章:
设计方案的选择………………………………(3)
1.数字闹钟的设计思想…………………………(3)
2.数字闹钟组成框图及工作过程………………(3)
第二章:
电路的计算与分析……………………………(6)
1.直流稳压电源的设计…………………………(6)
2.秒脉冲发生器的设计…………………………(7)
3.时、分、秒计数器的设计……………………(10)
4.校时电路的设计………………………………(16)
5.闹时电路的设计………………………………(17)
6.数码显示电路的设计…………………………(20)
第三章:
仿真过程及结果分析…………………………(21)
1.仿真软件的简介………………………………(21)
2.仿真分析………………………………………(21)
第四章:
总结与心得……………………………………(26)
第五章:
附录……………………………………………(28)
1.元器件明细表…………………………………(28)
2.总电路原理图…………………………………(30)
第六章:
参考文献…………………………………………(31)
第一章:
设计方案的选择
1.1数字闹钟的设计思想
要想构成数字闹钟,首先应选择一个脉冲源——能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号,而脉冲源产生的脉冲信号的频率较高,因此,需要进行分频,使得高频脉冲信号转变为适合于计时的低频脉冲信号,即“秒脉冲信号”(频率为1HZ),经过分频器输出的秒脉冲作为计数器的输入。
由于计时的规律是:
60秒=1分,60分=1小时,60小时=1天,这就需要对计数器分别设计为60进制,60进制,12进制或24进制(本方案我选用24进制)的,按时、分、秒的顺序将数字显示出来。
值得注意的是,任何计时装置都有误差,因此应考虑校准时间电路,校准电路一般采用自动校准快速调整和手动调整,“自动调整”可利用开关闭合与断开,使显示时间随计时脉冲自动调整时间。
手动调整可利用手动节拍调整显示时间,基于本次实验我采用了自动调整。
数字闹钟要求有定时响闹的功能,故需要提供设定闹时电路,并且有人工止闹功能,止闹后不再重复操作,将不再发生起闹功能。
1.2数字闹钟组成框图及工作过程
数字闹钟的组成框图如图1.1所示:
分别由整流电路,数码显示电路,计时器,校时电路,分频器及振荡器构成的秒脉冲发生器组成。
图1.1数字闹钟组成框图
它的工作过程:
本设计开关用的较多,主要有校时设置开关六个,手动止闹开关一个,闹时设置开关十六个。
开关A--时十位校准开关,开关B--时个位校准开关,开关C--分十位校准开关,开关D--分个位校准开关,开关E--秒十位校准开关,开关F—秒个位校准开关,同时也是控制电路正常工作开关,N—人工止闹开关。
启动前A、B、C、D、E都断开,F合上。
启动后进行校准,先校准小时:
开关A后合上,每一秒钟显示器的数字改变一次,当显示需要校准的数字时断开开关A,再将开关B合上,同样当计时器显示了正确的时间时,断开开关B,这样时校准完成。
分校准,秒校准用同样的方法进行校准。
这样电路就有了正常的计时功能。
接下来介绍闹钟功能,第一步:
将开关N合上,以使蜂鸣器接入电路中,第二步:
设置闹铃时间。
闹钟电路中有四组(每组有四个)开关,分别为A1、B1、C1、D1组,分别对应时的十位、分位和分的十位和分位,每组开关自上而下对应一组四位二进制数,只要将开关向上(向上为高电平)或向下(向下为低电平)拨到合适的位置,就能得到不同的二进制数,对应一位十进制数,这样就能设置不同的闹铃时刻,第三步:
断开开关N就能达到人工止闹的效果。
第二章:
电路的设计计算与分析
2.1整流电路的设计
在电力电子中,整流电路主要由变压器、桥式整流电路、滤波电路、稳压电路组成,根据整流电路的主要组成,我选用初、次级线圈之比为1:
0.04的变压器TRAN-2P2S,桥式整流集成电路BR1,电容C1、C2构成滤波电路以及集成稳压芯片7805组成,电路图如图2-1:
图2-1整流稳压电路
2.2秒脉冲发生器的设计
秒脉冲发生器由振荡器和分频器构成。
振荡器是数字钟的核心,振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的计时的准确程度。
(1)振荡器的选择方案
方案一:
采用555定时器与电阻和电容构成多谐振荡器
方案二:
采用石英晶体振荡器
由于555定时器构成的多谐振荡器频率不稳定,因此本设计选用方案二:
石英晶体振荡器(晶振频率f=32768hz)。
(2)分频器的设计
分频器的功能主要有两个:
一是产生标准秒脉冲信号
二是提供功能扩展电路所需要的信号
能构成分频器的芯片有很多如3片中规模集成电路计数器74LS90,74LS161以及14位二进制计数器,如CD4020、CD4060、MC14020、MC14060、74HC4020、74HC4060。
本设计选用CD4060芯片及D触发器构成15分频电路,其中D触发器用来进行二分频,秒脉冲电路如图2-2:
图2-2CD4060秒脉冲发生器
CD4060芯片功能简介:
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器组成,所有计数器均为主从触发器。
CD4060管教图:
图2-3CD4060管脚图
CD4060各管脚功能:
管脚号
1
2
3
4
5
6
7
功能
12分频输出
13分频输出
14分频输出
6分频输出
5分频输出
7分频输出
4分频输出
管脚号
8
9
10
11
12
13
14
功能
Vss接地
信号正向输出
信号反向输出
信号输入
复位信号输入
9分频输出
8分频输出
管脚号
15
16
功能
10分频输出
Vdd电源
D触发器管脚图:
图2-4D触发器管教图
D触发器真值表:
输入端D
Qn
Qn+1
说明
0
0
0
Qn+1=0
0
1
0
1
0
1
Qn+1=1
1
1
1
D触发器管脚功能图:
管脚号
对应端
功能说明
1
R
置0端(低电平有效)
2
D
输入端
3
CLK
脉冲输入端
4
S
置1端
5
Q
输出端
2.3时、分、秒计数器的设计
秒信号经过秒计数器、分计数器、时计数器之后,分别传到显示电路,以便实现数字显示时、分、秒的要求。
“秒”和“分”计数器应为六十进制,“时”计时器应为二十四或十二进制,本设计选择二十四进制。
要实现这一要求,计数电路一般采用10进制计数器如74LS190、74HC290、74HC390,74LS160等来实现计数单元的计数功能。
本次设计选择74LS160计数器。
计数器74LS160管脚图:
图2-574LS160管教图
74160计数器各管脚功能:
管脚3、4、5、6分别对应D0、D1、D2、D3为输入端,14、13、12、11分别对应Q0、Q1、Q2、Q3为输出端,9对应LOAD端,为同步置数端,2对应CLK端,为信号输入端,1对应MR端,为异步清零端,7、10管脚对应ENP、ENT为控制端,当7、10管脚接高电平芯片进入工作状态,接低电平不工作。
2.3.1
a.六十进制计数器
六十进制计数器有两片中规模十进制计数器74LS160构成,利用异步清零端MR将一片十进制计数器74LS160构成六进制,再与另一片十进制计数器74LS160连成六十进制,各个原理图如下图所示:
六进制计数器:
图2-6由74LS160构成六进制计数器原理图
六十进制计数器:
图2-7由76LS160构成六十进制原理图
b.二十四进制计数器
二十四进制计数器同样用两片中规模集成计数器74LS160构成,不过与构成六十进制的思路有些许不同,我是先将两片74LS160构成一百进制计数器,,再通过异步置零端,在100进制的基础上构成二十四进制计数器。
图2-8一百进制原理图,图2-9为二十四进制原理图如下:
一百进制计数器:
图2-8由74LS160构成的一百进制计数器
二十四进制计数器:
图2-9有74LS160构成的二十四进制计数器
2.4校时电路的设计
在刚接通电源或者时钟走时出现误差时,则需要进行时间的校准。
校时电路的要求
a.在小时校正时不影响分和秒的正常计数
b.在分校正时不影响秒和时的正常计数
校时方式:
c.快校:
通过开关控制,使计数器对1HZ的校时脉冲计数
d.慢校:
用手动产生单脉冲做校时脉冲
本设计使用快校方式。
图2-10为分校准电路原理图:
图2-10分校准电路
原理图说明:
开关C、D分别一端接计数器的控制端ENP和ENT端,另一端经过一电阻接到一直流电源上,当开关合上,控制端为为高电平,处于有效状态,在计数脉冲的作用下,可对分十位和分个位单独计数,当记到正确的时刻时再断开开关,这样电路就完成了校正功能。
时和秒校正电路与时校正电路原理一样。
2.5闹时电路的设计
闹时电路设计我选用了四组开关和四片数值比较器74S85,两组开关和两片数值比较器用来设定小时闹铃时刻,另两组开关和两片数值比较器时用来设定分钟闹铃时刻的。
数值比较器74S85管脚图:
图2-1174S85管脚图
数值比较器74S85功能表:
图2-1274S85功能表
闹钟电路原理图:
图2-13闹钟电路原理图
功能简介:
通过四组开关分别调整闹钟时间,如将第一组开关自上而下的第三个开关向上拨,接到高电平端,其余三个开关向下拨,接地(即低电平),则对应数值2,将第二组,第三组,第四组开关同样操作,则对应的了22点22分,当各个计数器输出值分别都为2时,四片计数器的QA=B都输出高电平,经过一个与非门和一个非门,接到三级管上,使三极管基级导通,进而集电极导通,继而驱动蜂鸣器发声。
当响铃一分钟后,蜂鸣器停止鸣叫。
人工止闹的实现:
使用一个开关N,该开关在三极管的基级端,使用闹钟功能时,将开关N闭合;停止闹钟功能时,将开关断开,这就实现了“止闹后不再重新操作,将不再发生起闹”的功能
2.6数码显示电路:
数码显示电路器件的选用应注意译码器和显示器件的相互配合。
一是驱动电路要足够大,二是逻辑电平要匹配。
为了节约空间及降低复杂度,本设计我选用了一个集成显示器7SEG_BCD,高显示器有四个管脚,可以直接提供BCD码的译码和显示。
图2-14数码显示器7SEG_BCD
第三章:
仿真过程及结果分析
3.1仿真软件的简介:
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。
该软件的特点是:
①集原理图设计、仿真和PCB设计于一体,真正实现从概念到产品的完整电子设计工具,②具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统(不高于ARM7)设计与仿真功能,③具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能,④具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表,⑤支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的软件编译和调试环境,⑥具有强大的原理图到PCB板设计功能,可以输出多种格式的电路设计报表。
拥有PROTEUS电子设计工具,就相当于拥有了一个电子设计和分析平台
3.2仿真分析
a.仿真时遇到的问题
由于思维的局限性及理论知识在实际运用上存在一些相对误差,这就导致了仿真过程中种种错误的出现,我在设计过程中主要遇到以下问题:
(1)连线问题:
由于制图空间有限及排版不规而出现不
规则的连线方式,例如出现斜线现象,如下图3-1:
图3.1连线错误示例图
(2)分时进位方面问题:
由于思维的局限性,最初只考虑到了秒计数器满六十向分计数器进一,分计数器满六十进向时计数器进一,而忽略了秒计数器对时计数器在进位方面的影响,这就导致了分计数器对应的显示器显示59数值,秒计数器对应的显示器显示00数值时,下一个秒脉冲到来后,直接向时计数器进一,而正确的应该是分显示器显示59数值,秒显示器显示59数值时,下一个秒脉冲到来后才向时计数器进一。
而且除此之外还有一个大弊端,那就是在分显示器显示59数值整个一分钟过程中,由于时计数器ENP、ENT一直为高电平,处于有效状态,随着秒脉冲不断计数。
错误连线图如图3-2
仿真错误图:
图3-2进位连线错误示例图
(3)蜂鸣器驱动电压过大问题:
由于proteus软件中蜂鸣器驱动电压默认12V,而电路提供的直流电压为5V左右,因此无法驱动蜂鸣器使其鸣响。
b.仿真问题的解决方案
(1)连线问题的解决:
斜线的出现主要是由于刚开始排版时,器件排列过于紧密,因而在器件之间没有留下布线的空间,因此我把各个器件进行合适重新排版,这样问题也就解决了。
(2)进位问题的解决:
既然要满足分显示器和秒显示器同时为59,下一个秒脉冲到来时,时显示器才能加一位,因此将分计数器的对应十位计数器的Q2、Q1端,对应个位计数器的Q3、Q1引出四条线接到一个四端口的与非门,将秒计数器做同样的操作,再将两个与非门的输出端接到两端口的与非门,再将该与非门的输出端接到时计数器的ENT、ENP(即控制端),这样就完成了向时计数器的完美进位了。
原理图如图3-3:
图3-3进位问题解决方案原理图
(3)蜂鸣器驱动电压过大解决方案:
双击蜂鸣器修改蜂鸣器的驱动电压为1V就可以了
第四章:
总结与心得
我们学习了数字电路和模拟电子电路,对电子技术有了一些初步的了解,但那毕竟都是一些纯理论的知识,通过这次数字闹钟的课程设计,我们才把学到的知识与部分实践相结合,从中对我们所学的知识有了更进一步的理解
数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计,至今我仍感慨颇多,的确,从选题到定稿,从理论到实践,在短短的两个星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做数电课程设计,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
这次数电课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在老师的辛勤指导下,终于游逆而解。
总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高:
1.提高了我们的逻辑思维能力,使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。
加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识,进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。
另外,我们还更加充分的认识到,数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性
2,查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要,我们在设计电路时,遇到很多不理解的东西,有的我们通过查阅参考书弄明白,有的通过网络查到,但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。
3,相互讨论共同研究也是很重要的,经常出现一些问题,比如电路设计中的分频器的设计,开始并不理解分频器的原理,但是和其他的专业同学讨论后,理解了分频器的基本原理后,很快的设计了电路原理图
第五章附录
(1)元器件明细表:
元器件名称
符号
主要参数
数量(个)
备注
电阻
R1\R3\R5\R6
1欧姆
1\1\1\1
无
R2\R4
8欧姆
1\1
R7
10M
1
与非门
74LS13
无
1
三端口输入
与非门
74LS00
无
3
二端口输入
与非门
74LS13
无
1
四端口输入
与门
74LS08
无
3
两端口输入
与门
74LS21
无
2
四端口输入
非门
74LS14
无
1
无
数值比较器
74S85
无
4
四位数值比较器
计数器
74LS160
无
6
十进制计数器
蜂鸣器
BUZZER
驱动电压1V
1
无
晶振
CRYSTAL
F=32.768
1
无
三极管
NPN
无
1
无
单刀单掷开关
SW-SPDT
无
7
无
单刀双掷开关
SW-SPST
无
16
无
数码显示器
7SEG-BCD
无
6
无
电容
C1\C2\C3
10uf\480uf\220uf
1\1\1
无
整流桥
BR1
无
1
无
变压器
TRAN-2P2S
无
1
线圈比值为25
(2)总电路原理图:
七.参考文献
1.阎石数字电子技术基础第五版高等教育2006
2.武玉升,高婷婷电子技术—设计与制作中国电力2012
3.筱康,钦湘电子技能与实训 理工大学2009