1、集成數字式鬧鐘設計報告一、設計目的1. 進一步熟悉和掌握數字電路的設計方法和步驟2. 進一步將理論和實踐相結合3. 熟悉和掌握仿真軟件的應用二、設計任務和要求（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）具有快速校準時、分、秒的功能。（3）能設定起鬧時間，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，當交流中斷時，自動接上內部備用電源供電，不影響計時功能。三、設計要求1完成全電路的理論設計2.參數的計算和有關器件的選擇3.對電路仿真4.撰寫設

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計（3）仿真過程的實現目錄第一章：設計方案的選擇(3)1.數字鬧鐘的設計思想(3)2.數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.直流穩壓電源的設計(6)2.秒脈沖發生器的設計(7)3.時、分、秒計數器的設計(10)4.校時電路的設計(16)5.鬧時電路的設計(17)6.數碼顯示電路的設計(20)第三章：仿真過程及結果分析(21)1.仿真軟件的簡介(21)2.仿真分析(21)第四章：總結與心得(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

3、考文獻(31)第一章：設計方案的選擇1.1數字鬧鐘的設計思想 要想構成數字鬧鐘，首先應選擇一個脈沖源能自動地產生穩定的標準時間脈沖信號，而脈沖源產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變為適合于計時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為1HZ），經過分頻器輸出的秒脈沖作為計數器的輸入。由于計時的規律是：60秒=1分，60分=1小時，60小時=1天，這就需要對計數器分別設計為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、秒的順序將數字顯示出來。 值得注意的是，任何計時裝置都有誤差，因此應考慮校準時間電路，校準電路一般采用自動校準快速調整和手

4、動調整，“自動調整”可利用開關閉合與斷開，使顯示時間隨計時脈沖自動調整時間。手動調整可利用手動節拍調整顯示時間，基于本次實驗我采用了自動調整。數字鬧鐘要求有定時響鬧的功能，故需要提供設定鬧時電路，并且有人工止鬧功能，止鬧后不再重復操作，將不再發生起鬧功能。1.2數字鬧鐘組成框圖及工作過程數字鬧鐘的組成框圖如圖1.1所示：分別由整流電路，數碼顯示電路,計時器，校時電路，分頻器及振蕩器構成的秒脈沖發生器組成。整流電路校 準 電 路秒 計 時 器 分計數器時計數器秒 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 器秒脈沖發生器圖1.1 數字鬧鐘組成框圖它的工作過程：本設

5、計開關用的較多，主要有校時設置開關六個，手動止鬧開關一個，鬧時設置開關十六個。開關A-時十位校準開關，開關B-時個位校準開關，開關C-分十位校準開關，開關D-分個位校準開關，開關E-秒十位校準開關，開關F秒個位校準開關，同時也是控制電路正常工作開關，N人工止鬧開關。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A后合上，每一秒鐘顯示器的數字改變一次，當顯示需要校準的數字時斷開開關A，再將開關B合上，同樣當計時器顯示了正確的時間時，斷開開關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N合上，以使

6、蜂鳴器接入電路中，第二步：設置鬧鈴時間。鬧鐘電路中有四組（每組有四個）開關，分別為A1、B1、C1、D1組，分別對應時的十位、分位和分的十位和分位，每組開關自上而下對應一組四位二進制數，只要將開關向上（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，對應一位十進制數，這樣就能設置不同的鬧鈴時刻，第三步：斷開開關N就能達到人工止鬧的效果。第二章：電路的設計計算與分析2.1 整流電路的設計在電力電子中，整流電路主要由變壓器、橋式整流電路、濾波電路、穩壓電路組成，根據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構成濾波電路以及集成穩壓芯片7805組成，電路圖如圖2-1：圖2-1 整流穩壓電路2.2秒脈沖發生器的設計秒脈沖發生器由振蕩器和分頻器構成。振蕩器是數字鐘的核心，振蕩器的穩定度及頻率的精確度決定了數字鐘的計時的準確程度。（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定時器構成的多諧振蕩器頻率不穩定，因此本設計選用方案二：石英晶體振蕩器（晶振頻率f=32768hz）。（2）分頻器的設計分頻器的功能主要有兩個：一是產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成分頻器的芯片有很多如3片中規模集成電路計數器74LS

8、90,74LS161以及14位二進制計數器，如CD4020、CD4060、MC14020、MC14060、74HC4020、74HC4060。本設計選用CD4060芯片及D觸發器構成15分頻電路，其中D觸發器用來進行二分頻，秒脈沖電路如圖2-2：圖2-2 CD4060秒脈沖發生器CD4060芯片功能簡介：CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數器組成，所有計數器均為主從觸發器。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觸發器管腳圖： 圖2-4 D觸發器管教圖D觸發器真值表:輸入端DQnQn+1說明000Qn+1=0010101Qn+1=1111 D觸發器管腳功能圖： 管腳號對應端功能說明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、秒計數器的設計 秒信號經過秒計數器、分計數器、時計數器之后，分別傳到顯示電路，以便實現數字顯示時、分、秒的要求。“秒”和“分”計數器應為六十進制，“時”計時器應為二十四或十二進制，本設計選擇二十四進制。要實現這一要求，計數電路

10、一般采用10進制計數器如74LS190、74HC290、74HC390,74LS160等來實現計數單元的計數功能。本次設計選擇 74LS160計數器。計數器74LS160管腳圖： 圖2-5 74LS160管教圖74160計數器各管腳功能：管腳3、4、5、6分別對應D0、D1、D2、D3為輸入端，14、13、12、11分別對應Q0、Q1、Q2、Q3為輸出端，9對應LOAD端，為同步置數端，2對應CLK端，為信號輸入端,1對應MR端，為異步清零端，7、10管腳對應ENP、ENT為控制端,當7、10管腳接高電平芯片進入工作狀態，接低電平不工作。2.3.1 a六十進制計數器六十進制計數器有兩片中規模十

11、進制計數器74LS160構成，利用異步清零端MR將一片十進制計數器74LS160構成六進制，再與另一片十進制計數器74LS160連成六十進制，各個原理圖如下圖所示：六進制計數器： 圖2-6 由74LS160構成六進制計數器原理圖六十進制計數器： 圖2-7 由76LS160構成六十進制原理圖b. 二十四進制計數器 二十四進制計數器同樣用兩片中規模集成計數器74LS160構成，不過與構成六十進制的思路有些許不同，我是先將兩片74LS160構成一百進制計數器，再通過異步置零端，在100進制的基礎上構成二十四進制計數器。圖2-8一百進制原理圖，圖2-9為二十四進制原理圖 如下： 一百進制計數器： 圖2

12、-8 由74LS160構成的一百進制計數器二十四進制計數器： 圖2-9有74LS160構成的二十四進制計數器2.4 校時電路的設計 在剛接通電源或者時鐘走時出現誤差時，則需要進行時間的校準。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b 在分校正時不影響秒和時的正常計數校時方式：c 快校：通過開關控制，使計數器對1HZ的校時脈沖計數d 慢校：用手動產生單脈沖做校時脈沖本設計使用快校方式。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C、D分別一端接計數器的控制端ENP和ENT端，另一端經過一電阻接到一直流電源上，當開關合上， 控制端為為高電平，處于有效狀態，在計數

13、脈沖的作用下，可對分十位和分個位單獨計數，當記到正確的時刻時再斷開開關，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 鬧時電路的設計 鬧時電路設計我選用了四組開關和四片數值比較器74S85，兩組開關和兩片數值比較器用來設定小時鬧鈴時刻，另兩組開關和兩片數值比較器時用來設定分鐘鬧鈴時刻的。數值比較器74S85管腳圖： 圖2-11 74S85管腳圖數值比較器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：通過四組開關分別調整鬧鐘時間，如將第一組開關自上而下的第三個開關向上撥，接到高電平端，其余三個開關向下撥，接地（即低電

14、平），則對應數值2，將第二組，第三組，第四組開關同樣操作，則對應的了22點22分，當各個計數器輸出值分別都為2時，四片計數器的QA=B都輸出高電平，經過一個與非門和一個非門，接到三級管上，使三極管基級導通，進而集電極導通，繼而驅動蜂鳴器發聲。當響鈴一分鐘后，蜂鳴器停止鳴叫。人工止鬧的實現：使用一個開關N，該開關在三極管的基級端，使用鬧鐘功能時，將開關N閉合;停止鬧鐘功能時，將開關斷開，這就實現了“止鬧后不再重新操作，將不再發生起鬧”的功能2.6 數碼顯示電路：數碼顯示電路器件的選用應注意譯碼器和顯示器件的相互配合。一是驅動電路要足夠大，二是邏輯電平要匹配。為了節約空間及降低復雜度，本設計我選用

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數碼顯示器7SEG_BCD 第三章:仿真過程及結果分析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、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，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公司開發的電路分析與仿真軟件。該軟件的特點是：集原理圖設計、仿真和PCB設計于一體，真正實現從概念到產品的完整電子設計工具，具有模擬電路、數字電路、單片機應用系統、嵌入式系統（不高于ARM7）設計與仿真功能，具有全速、單步、設置斷點等多種形式的調試功能，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試環境，具有強大的原理圖到PCB板設計功能，可以輸出多種格式的電路設計報表。擁有P

17、ROTEUS電子設計工具，就相當于擁有了一個電子設計和分析平臺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，這就導致了仿真過程中種種錯誤的出現，我在設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范而出現不規則的連線方式，例如出現斜線現象，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器滿六十向分計數器進一，分計數器滿六十進向時計數器進一，而忽略了秒計數器對時計數器在進位方面的影響，這就導致了分計數器對應的顯示器顯示59數值，秒計數器對應的顯示器顯示00數值時，下一個秒脈

18、沖到來后，直接向時計數器進一，而正確的應該是分顯示器顯示59數值，秒顯示器顯示59數值時，下一個秒脈沖到來后才向時計數器進一。而且除此之外還有一個大弊端，那就是在分顯示器顯示59數值整個一分鐘過程中，由于時計數器ENP、ENT一直為高電平，處于有效狀態，隨著秒脈沖不斷計數。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）蜂鳴器驅動電壓過大問題:由于proteus軟件中蜂鳴器驅動電壓默認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，因此將分計數器的對應十位計數器的Q2、Q1端，對應個位計數器的Q3、Q1引出四條線接到一個四端口的與非門，將秒計數器做同樣的操作，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器的ENT、ENP（即控制端），這樣就完成了向時計數器的完美進位了。原理圖如圖3-3：圖3-3 進位問題解決方案原理圖（3）蜂鳴器驅動電壓過大解決方案：雙擊蜂鳴器修改蜂鳴器的驅動電壓為1V就可以了第四章：總結與心得我們學習了數字電路和模

20、擬電子電路，對電子技術有了一些初步的了解，但那畢竟都是一些純理論的知識，通過這次數字鬧鐘的課程設計，我們才把學到的知識與部分實踐相結合，從中對我們所學的知識有了更進一步的理解數電課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧起此次課程設計，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，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次數電課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有

21、理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做數電課程設計，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次數電課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在李老師的辛勤指導下，終于游逆而解。總體來說,這次實習我受益匪淺.在摸索該如何設計電路使之實現所需功能的過程中,特別有趣,培養了我的設計思維,增加了實際操作能力.在讓我體會到了設計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂. 這次數電課程設計,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計上有了很大的進步。加深了我們對組合邏輯電