毕业设计毕业论文电子沙漏系统的设计.doc

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本科生毕业论文设计

电子沙漏系统的设计

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。

除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。

与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。

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授权声明

本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：

有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。

本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）：

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指导教师签名：

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摘要

本文分析了儿童玩具传统沙漏与电子模拟沙漏的不同之处,并考虑到产品制作成本和人们生活习惯及爱好不同的特点，利用CD4069芯片的工作特点结合三极管的开路特性，研究并设计了一种简单易行，造价低廉的电子玩具。

采用模拟电子技术与数字电子技术相结合的产品结构来进行信号模拟，并向CD4015芯片控制器提供时钟脉冲信号。

同时系统采用双开关调节的方式进行实物内部组网，易于安装，可以有效地提高数据传输的可调可控性能。

关键词：

CD4069芯片；时钟脉冲；CD4015芯片

ABSTRACT

Thispaperanalyzesthedifferencesofchiliren'stoys-traditionalhourglassandelectronicsimulation,andtakesthecostofproductsandthedifferentcharacteristicofpeople'slivinghabitsandtastesintoaccount.UsingtheworkingcharacteristicsofCD4069chipandcombiningtheopen-circuitcharacteristicsoftriodetoresearchanddesignasimpleandlowcostelectronictoys.AdoptingtheproductstructureofthecombinationofanalogeletronicsanddigitalelectronicstooffertheperiodicsignalforCD4015chipcontroller.Atthesametime,thesystemusesthewayofdualsuitchesadjustmenttotaketherealinternalnetwork,easytoinstallanditcanpromotetheadjustabilityofdatatransmission.

Keywords:

CD4069chip;Clockfrequency;CD4015chip

目录

1绪论 1

1.1电子沙漏的出现 1

1.2电子玩具系统的发展现状 1

2电子沙漏系统的构架 2

2.1电子沙漏的核心原理与应用 2

2.1.1CD4015主要功能介绍 2

2.1.2CD4015芯片的管脚说明 3

2.2时钟控制技术 3

2.2.1时钟控制技术简介 3

2.3亮点换位电路模块 4

2.3.1亮点换位电路 4

2.3.2重力控制模块 5

2.4模块组合 6

2.4.1模块组合工作过程 6

3电路整体分析 8

3.1电路整体分析 8

3.1.1主路工作过程 8

3.1.215位移位寄存器工作过程 9

3.1.3输入数据控制电路 9

3.1.4输出状态控制电路 9

3.1.5位置控制电路 10

3.1.6速度控制电路 10

4仿真过程 11

4.1软件及其功能简介 11

4.2点亮电路仿真过程 14

4.3时钟电路仿真过程 15

4.4控制电路仿真过程 16

4.4系统总电路模拟过程 17

5结论 19

6后续研究 19

参考文献 20

致谢 21

1绪论

1.1电子沙漏的出现

随着人们物质生活水平的不断提高，特别是人们对个人精神生活以及生活品味的重视，防盗报警系统已经慢慢深入到人们生活当中。

并且随着电子和通信技术的迅猛发展，各种新技术的不断涌现，传统的模拟玩具和一智智力玩具等形式已经难以适应当今社会新形势发展的需求。

因此，人们越来越迫切要求采用有效的措施，以满足日益增长的求新。

创新要求。

1.2电子玩具系统的发展现状

中华人民共和国国家统计局统计，2008年11月1日零时全国总人口为132802万人，居住在城镇的人口58157万人；城镇平均每个家庭户的人口为2.97人，共18844万户。

能够拥有电子玩具系统的家庭按5/100计算，年销量为2942万件，年销额为18.4亿。

正因如此，近年来电子玩具总销售量都呈现连续攀升的势头，随着人们生活水平的提高，有更多的人选用了电子玩具娱乐，每年的增长幅度都在28％以上。

尖端科技的发展改变了人们的生活，但有一点可以肯定，人们花太多时间在电脑上，久而久之，副作用就产生了，比如说腕关节内侧综合症，肌肉萎缩以及维他命D缺乏症。

而这些症状越来越多地在孩子们身上体现出来。

人们希望电脑将会让孩子们掌握科技技能，并鼓励他们不光是整日游手好闲地玩电脑游戏或是在聊天室聊天，而是做更多更有意义的事情。

现在玩具要有特色，不仅包括动漫玩具，礼品，饰品，还有个性的创意制作。

相比于传统的玩具，电子玩具更具竞争优势和市场发展前景，还抓住了青少年的好奇心，提高了青少年的创新意识。

如今，人们已经在新科技产品中找到了科技和娱乐之间的平衡。

很多高科技产品就特别受孩子和年轻人欢迎，因为它们适应他们的生活方式、需求，并且教他们怎样与日益增长的电子世界接轨。

2电子沙漏系统的构架

本文所设计的系统主要面向青少年设计，本系统由CD4015芯片构成主控部分，对由重力作用产生的信号变化进行检测，并进行一系列的变化。

以达到传统沙漏的流动特点。

一旦变化信号，就会产生彩灯移位，以便人们观赏。

本文所设计的调节功能模块包括：

信号变化接收模块、调节模块和时钟模块三个部分。

每个功能模块都是独立的模块，拥有自己的调节电路。

2.1电子沙漏的核心原理与应用

沙漏是一种古老的计时工具，也是一种玩具。

电子沙漏用电子电路控制的发光二极管表示沙粒，模拟沙漏的运动过程。

电子沙漏会像真正的沙漏一样，上部的沙粒（点亮的发光二极管）一粒一粒往下掉，下部的沙粒一粒一粒堆起来。

漏完以后，将电子沙漏倒过来，又会重新开始一粒一粒往下漏。

CD4015是双串入并出四位移位寄存器。

D为串行数据输入端，CL端每输入一个上升沿时钟时，D端的数据从Q1向Q4传递一位。

比如D端输入一个4位的串行数据dcba，第一个时钟上升沿时，Q1=aQ2、Q3、Q4=0第二个时钟上升沿时，Q1=bQ2=aQ3,Q4=0第三个时钟上升沿时，Q1=cQ2=bQ3=aQ4=0第四个时钟上升沿时，Q1=dQ2=cQ3=bQ4=a这个网址上可以下到CD4015BC的数据表，可以参考一下以下网址.对于封装形式分SOIC-16和DIP-16两种。

2.1.1CD4015主要功能介绍

·与CD4069兼容

·多个CD4069可以组合使用

·两个CD4015可以组成一个15位移位寄存器

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

高频率

·1个串口输入端

·低功耗模式

·片内振荡器和时钟电路

2.1.2CD4015芯片的管脚说明

图2-1CD4015的管脚结构

CD4015结构和工作原理：

集成电路CD4015,属于CMOS电路，是双4位串入-并出移位寄存器，它的每组都有一个时钟、清除和串入端；加在DS端上的数据在时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。

2个相同的，相互独立的4位并行输出/串行输入寄存器组成。

每个寄存器分别有时钟和复位输入及一单串行输入，且有各自的“Q”输出。

所有寄存器位均为D型主从触发器。

加在数据输入端得逻辑电平传送至第一寄存器位，在每一个上沿传送到下一位。

复位线上的高电平完成所有位的复位加在数据输入端得逻辑电平传送至第一寄存器位，在每一个上沿传送到下一位。

复位线上的高电平完成所有位的复位。

2.2时钟控制技术

2.2.1时钟控制技术简介

这里的时钟控制系统主要采用1/3个CD4069芯片相结合的办法，以达到简单的控制作用。

CD4069简要说明：

CD4069是一个六非门电路,就是在一个集成电路中有六个非门,非门的功能是（反相）即输入0则输出1,输入1则输出0.

图2-2CD4069的各管脚详解

图2-3时钟控制电路

此为时钟控制电路：

两个阻值分别为1M和100K的电阻与1/3个CD4069芯片以及4.7u的电感组成的时钟振荡器。

该振荡器的具体功能是：

产生一个频率约为1Hz的连续方波，作为移位寄存器的时钟脉冲CP.如想改变振荡频率，可通过改变C1及R18的大小来调节，其中T≈2RC.

2.3亮点换位电路模块

2.3.1亮点换位电路

图2-4亮点换位电路

亮点换位电路是亮点换位的核心。

由PNP和NPN型两个三极管组成，具体工作原理是根据三极管的开关特性的要求形成通路的开路，进而实现VD`和VD的点亮循环。

其中PNP和NPN型三极管分别为9012和9013，R1~R15和R1`~R15`为100Ω.

晶体管VT1～VT15构成15个NPN型射极跟随器，分别控制发光二极管VD1～VD15。

晶体管VT1`～VT15`构成15个PNP型射极跟随器，分别控制发光二极管VD1`～VD15`。

15位移位寄存器的每一位寄存单元的Q输出端，同时接有NPN型（VT）和PNP型（VT`）两个射极跟随器。

以第一寄存单元为例：

当Q=1时，NPN晶体管VT1导通，发光二极管VD1亮；同时PNP晶体管VT`截止，发光二极管VD1`熄灭。

当Q=0时，NPN晶体管VT1截止，VD1灭；PNP晶体管VT1`导通，VD1`亮。

2.3.2重力控制模块

由于电源开关S1、S2同时要控制移位寄存器输入数据D的状态，而D的状态又应与电子沙漏的摆放位置相关，因此S1、S2设计成重力开关，结构如图2-5所示。

当电子沙漏的VD发光二极管在上部时，重力开关的位置是S2在上、S1在下，这时，落下的金属球使S1接通，+4.5V电源经VD18提供给电路工作。

由于VD17的阻隔作用，+4.5V电源不能到达D端，D=0.当将电子沙漏颠倒过来后（VD`发光二极管在上部），变为S1在上、S2在下，这时，落下的金属球使S2接通，+4.5V电源经VD17提供给电路工作，同时经V