數(shù)電課設(shè)報(bào)告上課自動(dòng)打鈴電路

1、 武漢理工大學(xué)數(shù)字電子線路基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書 目錄正文31概述32方案設(shè)計(jì)與論證42.1方案一42.2方案二42.3方案的選擇43單元電路的設(shè)計(jì)53.1振蕩器電路的設(shè)計(jì)53.2數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)73.3校時(shí)電路的設(shè)計(jì)93.4控制打鈴電路104整體電路仿真125實(shí)物制作156數(shù)據(jù)檢測及電路調(diào)試177前景展望188個(gè)人總結(jié)199參考文獻(xiàn)2110附錄22附錄一元件清單表22摘要 上課自動(dòng)打鈴電路的設(shè)計(jì)主要包括脈沖產(chǎn)生電路、數(shù)字鐘顯示電路、校時(shí)電路、控制打鈴電路四個(gè)部分。利用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號控制輸入數(shù)字鐘計(jì)時(shí)單元，數(shù)字鐘的主要設(shè)計(jì)思想是利用74LS160芯片作為加法計(jì)數(shù)器，用門電

2、路連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能。其功能組要有：啟動(dòng)、運(yùn)行、復(fù)位、校時(shí)和定時(shí)打鈴等。數(shù)字鐘運(yùn)行計(jì)時(shí)必須要準(zhǔn)確，才能保證打鈴電路時(shí)間的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：顯示 打鈴 定時(shí) 校時(shí)AbstractAutomatic ringing the bell for class circuit design mainly includes the pulse generating circuit, the digital clock display circuit, the school bell circuit, the control ring circuit four parts. Usin

3、g 555 multivibrator composed of produce certain frequency signal control input digital clock timing unit, the main design idea is to use the digital clock 74 ls160 chip as addition counter, gate connection is used to implement the operation of the digital clock, so as to realize the basic function o

4、f digital clock. The functional group to be: start, run, reset, and timing when the school bell, etc. Digital clock timing operation must be accurate, to ensure the accuracy of the bell ring circuit time.Keywords: show timing ,when it is ringing ,timing,correction time正文1概述自動(dòng)打鈴電路系統(tǒng)由主體數(shù)字鐘電路和控制打鈴擴(kuò)展電路兩

5、大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能：報(bào)時(shí)和定時(shí)功能。 晶體振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。 分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768（152）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路：時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)

6、數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 譯碼驅(qū)動(dòng)電路：譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。 報(bào)時(shí)電路：報(bào)時(shí)電路功能,即在時(shí)間到達(dá)指定值時(shí)數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒。2方案設(shè)計(jì)與論證2.1方案一采用小規(guī)模集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，用振蕩器產(chǎn)生脈沖并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。2.2方案二利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，在按鍵較少的情況下，采用獨(dú)立式4個(gè)按鍵，經(jīng)軟件設(shè)計(jì)指定的I/O口，送出邏輯電平，控制數(shù)碼管顯示，根據(jù)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)要求與原理以及特性，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。2.3方案的選擇

7、由于我們對于單片機(jī)的系統(tǒng)知識及編程還了解不深，而且采用集成芯片進(jìn)行組合設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，簡單而且擴(kuò)展性好，容易選擇，所以選用方案一。按照要求需有4位時(shí)鐘顯示，即時(shí)和分，故需搭建一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘；要能按照要求時(shí)刻進(jìn)行打鈴，故需有控制電路對時(shí)間進(jìn)行判斷，進(jìn)而打鈴；另外還需設(shè)計(jì)時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路，因此將電路分成三個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是脈沖發(fā)生部分，數(shù)字鐘部分，打鈴部分?？傠娐方Y(jié)構(gòu)如下：振蕩電路控制打鈴電路數(shù)字鐘電路校時(shí)電路圖1 總電路結(jié)構(gòu)3單元電路的設(shè)計(jì)3.1振蕩器電路的設(shè)計(jì)石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生

8、機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而機(jī)械振動(dòng)和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限止時(shí)，才達(dá)到最后穩(wěn)定。這用壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。電路圖如下：圖2 晶振電路圖3 仿真圖圖4 波形圖晶振為32.768kHz，經(jīng)過CD4060進(jìn)行14分頻可得到2Hz的脈沖輸出，再經(jīng)過一個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻即可實(shí)現(xiàn)1Hz的脈沖輸出。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高，但耗電量將增大。如果精度要求不高也可以采用由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。為了觀看效果方便，我們也利用555芯片做了多諧振蕩器電路產(chǎn)生的脈沖。如圖5所示。設(shè)振蕩頻率f=1KHz

9、，R為可調(diào)電阻，微調(diào)R1可以調(diào)出1KHz輸出。圖5 555振蕩電路輸出高電平時(shí)間 T=(R12+R8)Cln2 輸出低電平時(shí)間T=R8Cln2 振蕩周期 T=(R12+2R8)Cln2Multism仿真波形如下：圖6 仿真方波3.2數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì) 圖4 74ls160引腳圖圖5 74ls160功能表圖 圖7 四段譯碼顯示電路 圖8 七段譯碼顯示電路我采用了四個(gè)計(jì)數(shù)器74ls160組成計(jì)數(shù)電路，分計(jì)數(shù)由兩個(gè)74ls60芯片與相應(yīng)的門電路構(gòu)成60進(jìn)制，時(shí)計(jì)數(shù)由兩個(gè)74ls160芯片與相應(yīng)的門電路構(gòu)成24進(jìn)制。并通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。由于計(jì)數(shù)器74ls160是脈沖上升沿觸發(fā)的，所以分計(jì)數(shù)器電路的個(gè)位

10、向十位的進(jìn)位是通過進(jìn)位端接一個(gè)反相器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)分顯示為59的時(shí)候，分十位向時(shí)個(gè)位進(jìn)位。開始我直接由計(jì)數(shù)器輸出連接四段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，后來由于購買元件時(shí)只有七段數(shù)碼管，而且通過譯碼器譯碼輸出顯示結(jié)果穩(wěn)定，所以我修改了譯碼顯示電路，先通過譯碼器74ls48進(jìn)行譯碼輸出，再接四位共陰七段數(shù)碼管，顯示結(jié)果正常。3.3校時(shí)電路的設(shè)計(jì) 圖9校時(shí)電路因?yàn)橐刂茣r(shí)鐘可調(diào)，可采用一個(gè)D觸發(fā)器與開關(guān)控制0101的變換，即上升沿觸發(fā)的74LS160在開關(guān)的一次轉(zhuǎn)換時(shí)就會觸發(fā)一次，從而達(dá)到加“分”加“時(shí)”的功能。S1控制輸入脈沖或加“分”信號，S2控制加“時(shí)”還是加“分”，S4控制電平轉(zhuǎn)換，S3控制加“時(shí)”信號與“分

11、”的進(jìn)位信號。3.4控制打鈴電路圖10 鎖存器加比較器選取時(shí)間點(diǎn)圖11 延時(shí)輸出電路打鈴時(shí)間分別為：8:00,8:45,8:55,9:40,10:10,10:55,11:05,11:50,14:00,14:45,14:55,15:40,16:00,16:45,16:55,17:40,18:00,18:45,18:55,19:40,8:00 我最初想的是將每個(gè)時(shí)間分別提取出來輸出高電平，但是工作及設(shè)計(jì)過程過于繁瑣和笨拙，所以我放棄了這種方案。但是對于提取時(shí)間的方法我想到了兩種：（1） 通過門電路來提取某個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)，再通過或門將這些時(shí)間點(diǎn)連起來，當(dāng)達(dá)到需要的時(shí)間點(diǎn)時(shí)會輸出為高電平，從而驅(qū)動(dòng)LE

12、D燈亮。但是這樣需要的門電路過多，太過繁瑣，連線太多，不實(shí)用。（2） 先經(jīng)過一個(gè)鎖存器將我們需要的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)鎖存，再通過數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行選擇，當(dāng)時(shí)間與選出的時(shí)間一致時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出高電平，LED燈亮，這個(gè)方法通過鎖存器來進(jìn)行既定時(shí)間的選擇，比用門電路來說相對簡單一些，但是要把每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都提取出來，仍舊較為繁復(fù)。 經(jīng)過仔細(xì)尋找規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，從8：00到8:45再到8:55再到9:40，這中間的時(shí)間間隔為45分鐘，10分鐘，45分鐘?？梢愿鶕?jù)此規(guī)律，只需把8點(diǎn)整的信號取出來輸出高電平驅(qū)動(dòng)LED燈亮，再通過上述規(guī)律的延時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)8點(diǎn)到8:45再到8:55再9：40燈亮的循環(huán)過程。 為了實(shí)現(xiàn)延時(shí)，

13、開始我想的是用D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，8:00輸出的高電平先通過一個(gè)計(jì)數(shù)器電路加一，再經(jīng)過D觸發(fā)器分頻，通過數(shù)據(jù)選擇器，計(jì)數(shù)器的輸出與數(shù)據(jù)選擇器的地址端相連來控制數(shù)據(jù)選擇器輸出高低電平。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，輸出端接四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，其為高電平出發(fā)，第一個(gè)高電平輸入后，若計(jì)數(shù)器加1，但是通過一個(gè)D觸發(fā)器二分頻，將D觸發(fā)器的脈沖端接分個(gè)位的計(jì)數(shù)脈沖，即經(jīng)過一個(gè)D觸發(fā)器，延時(shí)為2分鐘，經(jīng)過兩個(gè)延時(shí)4分鐘，經(jīng)過三個(gè)延時(shí)8分鐘不滿足我們所說的10分鐘、45分鐘、30分鐘，所以這個(gè)方法不可行。 后經(jīng)過比較研究和老師提示，可以分別經(jīng)過四十五進(jìn)制、十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器進(jìn)行延時(shí)，其中計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖端必須與數(shù)字時(shí)鐘部分

14、分信號的計(jì)數(shù)脈沖相連接，如圖11所示。4整體電路仿真圖12 8：00響鈴圖8:00出現(xiàn)高電平燈亮，持續(xù)時(shí)間大約為一分鐘，。圖13 燈亮?xí)r波形圖經(jīng)過45分鐘延時(shí)，又出現(xiàn)一個(gè)高電平燈又亮：圖14 延時(shí)45分鐘后燈亮10分鐘后，又有一個(gè)高電平，燈亮：圖15延時(shí)10分鐘后燈亮如此循環(huán)往復(fù)，再經(jīng)過45分鐘后燈又亮。即可以實(shí)現(xiàn)打鈴。整體電路仿真如下：圖16 整體仿真圖 仿真控制打鈴電路的基本原理為：當(dāng)8：00輸出高電平時(shí)控制打鈴部分輸出高電平，此處通過一個(gè)或門連接四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，再經(jīng)過一個(gè)或門連接LED和100歐姆限流電阻組成的顯示電路，led亮；上升沿脈沖使得計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)加1，輸出為0001，此

15、時(shí)Q0端輸出為高電平，連接45進(jìn)制計(jì)數(shù)器個(gè)位的使能端，使得45進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作，當(dāng)其達(dá)到44時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，經(jīng)過Q0，Q1的與門接四進(jìn)制計(jì)數(shù)器前的兩個(gè)或門，使得他們都輸出高電平，一個(gè)使LED燈亮，一個(gè)通過輸出的高電平促使四進(jìn)制計(jì)數(shù)器再次加1，輸出為0010，此時(shí)Q1端輸出高電平，連接10進(jìn)制計(jì)數(shù)器的使能端，使10進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作，與45進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作時(shí)相同，輸出的高電平使得計(jì)數(shù)器加1，此時(shí)輸出0011，經(jīng)過45分鐘延時(shí)，燈亮，再輸入一個(gè)高電平四進(jìn)制計(jì)數(shù)器清零，與上相同，四進(jìn)制循環(huán)。5實(shí)物制作 按照原理圖配置相應(yīng)參數(shù)的元器件，在進(jìn)行裝配之前應(yīng)該先用萬用表進(jìn)行相關(guān)元器件檢測，由于芯片較多，所以把相應(yīng)的

16、16腳芯片及排座和14腳芯片及排座分開放置，并且將各種芯片的引腳圖查閱清楚，繪制其大致的連線圖。并進(jìn)行圖17 數(shù)字鐘顯示電路正面圖圖18數(shù)字鐘顯示電路背面焊接圖圖19 脈沖產(chǎn)生電路正面圖圖20 脈沖產(chǎn)生電路背面圖完成裝配及焊接布線，并且在焊接完一部分電路之后檢測其通斷，防止虛焊。6數(shù)據(jù)檢測及電路調(diào)試調(diào)試及檢測有以下步驟：1、節(jié)點(diǎn)調(diào)試焊接電路板的過程中，無論是加飛線，還是埋導(dǎo)線，或者說是拉錫線都要用萬用表測一下通斷情況。尤其是電阻，焊接前一定要測量它的阻值和通斷情況。還有就是一些較小的芯片，上面可能會有好幾個(gè)端口，一定要注意不能短路。這些小細(xì)節(jié)一定要在調(diào)試的過程中加以注意。2、直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試

17、 接220V交流電源，檢測經(jīng)過變壓器、整流橋、濾波電容及穩(wěn)壓管7812，輸出電壓為5V左右，直流穩(wěn)壓電路工作正常，得到需要的直流電壓。3、晶體振蕩電路的調(diào)試通過示波器觀察振蕩電路的輸出波形，開始時(shí)發(fā)現(xiàn)其輸出的并不是方波，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是芯片沒有接電源正，后經(jīng)過連線檢測，輸出的為方波，并且通過CD4060接不同的引腳，經(jīng)過不同分頻，其方波的寬度不同。4、數(shù)字鐘顯示電路的調(diào)試檢查各點(diǎn)的通斷，已經(jīng)連接高低電平各點(diǎn)正常，再接通電源，開始時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不亮，后發(fā)現(xiàn)是地線沒有接，接通GND后數(shù)碼管亮，但并不是顯示4個(gè)零，而是4個(gè)8，繼續(xù)檢查電路連線，發(fā)現(xiàn)時(shí)十位的數(shù)碼管對應(yīng)的譯碼器沒有接地。但是接地后，其余三個(gè)數(shù)

18、碼管顯示為0，但是時(shí)十位的數(shù)碼管熄滅。經(jīng)過多次電路檢查，尚未發(fā)現(xiàn)問題。7前景展望上課打鈴裝置在我們學(xué)習(xí)生活中應(yīng)用廣泛，而且一般都是比較輕便小巧的裝置，一般都采用了微電腦芯片，成本相對來說較低，而且可以通過精確的由用戶來設(shè)置時(shí)間，相關(guān)打鈴參數(shù)。所以我們用芯片做的數(shù)字打鈴電路相對來說是比較復(fù)雜而且成本高，不精確。如果要精確的實(shí)現(xiàn)打鈴功能，并且廣泛應(yīng)用，我覺得還是市場用的微電腦芯片或者單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)比較簡便實(shí)用。所以我對于利用數(shù)電集成芯片來做這些自動(dòng)打鈴裝置并不看好，除非有成本更低，功能更全的芯片。8個(gè)人總結(jié) 雖說已經(jīng)做了幾次課設(shè)，但是這次的課設(shè)是我耗費(fèi)時(shí)間和精力最長，并且電路都是我自行設(shè)計(jì)并且付

19、諸實(shí)施的?？吹秸n設(shè)的題目時(shí)，我便一頭霧水，雖然對于數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)和顯示我們做過實(shí)驗(yàn)我較為熟悉，但是真正仿真做起來我還是感覺有點(diǎn)吃力。我沒有選用比較常用的74ls90的芯片，而是選擇了74ls160，分鐘的計(jì)數(shù)為60進(jìn)制，時(shí)的計(jì)數(shù)為24進(jìn)制，并通過譯碼器連接七段顯示數(shù)碼管，經(jīng)過幾番連接調(diào)試數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)部分完成，但是這一部分設(shè)計(jì)仿真調(diào)試還是耗費(fèi)了我1天的時(shí)間，我對74ls160的同步置數(shù)、異步清零功能也有了進(jìn)一步的了解，對74ls48的譯碼輸出和芯片引腳也有了了解。接下來是控制打鈴部分，這也是我最頭疼的地方，對于某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的提取輸出高電平我可以通過門電路完成，但是感覺芯片過于繁雜，我又想一些較為簡易

20、的方法，而后是查找有關(guān)資料，我看到了鎖存器加比較器來提取某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的方法，感覺相比來說這個(gè)方法簡便并且還可調(diào)，所以我采用了這個(gè)方法。但是怎么讓20個(gè)時(shí)刻都輸出高電平，我想了很多，查閱了很多資料，試了通過555振蕩器延時(shí)、D觸發(fā)器延時(shí)，但是都太過于繁瑣，后來在老師的指導(dǎo)下，通過計(jì)數(shù)器來進(jìn)行延時(shí)，45分鐘延時(shí)即通過45進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行延時(shí)，計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端接分個(gè)位的脈沖輸入。但是對于延時(shí)的問題我又糾結(jié)了好久怎么先輸出高電平再延時(shí)，而且怎么循環(huán)延時(shí)，反復(fù)詢問老師，進(jìn)行仿真，在延時(shí)之前加一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并且通過一個(gè)或門進(jìn)行高電平輸出即可。感覺自己以前的想法都過于死板，結(jié)合門電路的使用，我的仿真重要達(dá)

21、到了需要的效果。但是仍舊較為繁瑣。 焊接并將電路付諸實(shí)踐是最重要的環(huán)節(jié)，我們?nèi)ベ徺I元器件過程中發(fā)現(xiàn)，由于芯片數(shù)量過多，焊下來成本居然到了150元，市場上一個(gè)比較普通的打鈴器大概也就五六十元，顯然我們成本太高，而且工作量很大，所以我們向老師申請了兩個(gè)人共同焊接，當(dāng)時(shí)我是想畢竟仿真已經(jīng)出來了結(jié)果，焊接應(yīng)該沒有問題。后來我發(fā)現(xiàn)，僅僅是焊接數(shù)字鐘顯示部分的電路，我就從早上8點(diǎn)焊到了晚上12點(diǎn)，更不要說還有更加重要的控制打鈴部分，所以因?yàn)榫€路太多，為了避免出錯(cuò)，我們決定控制打鈴部分用杜邦線來連接，還可以節(jié)省一部分時(shí)間。振蕩電路的焊接相對簡單很多，但是數(shù)字鐘部分我連接5V電源進(jìn)行檢驗(yàn)，燈一直有一個(gè)不亮，而

22、且數(shù)字不會自行跳動(dòng)，檢查了好幾遍線路，把幾個(gè)可能虛焊或短路的地方都進(jìn)行了完善，數(shù)字鐘仍舊是不亮，但是可以靠手動(dòng)的開關(guān)來跳動(dòng)，但是這明顯不符合我們設(shè)計(jì)的初衷，電路中沒有發(fā)現(xiàn)有少焊、虛焊的地方，脈沖也沒有錯(cuò)誤，我們不得已先去進(jìn)行下一步的控制打鈴部分。 經(jīng)過多方詢問，做過數(shù)字鐘的同學(xué)也遇到了類似的問題，或許是因?yàn)榉抡嫔系男酒c實(shí)際的芯片有出入，或者連線時(shí)某些效果達(dá)不到，在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)檢查調(diào)試，這些問題我們都沒有解決，不得已我們的設(shè)計(jì)沒有付諸實(shí)踐。 一個(gè)多星期先是5天的電路設(shè)計(jì)，后是2天的焊接，又兩天的調(diào)試，雖然沒有出來結(jié)果，失望還是有的，但是在這些天我學(xué)到了很多，一遍遍的查閱數(shù)電相關(guān)知識，我對于一些芯片的功能更加了解，而且焊接的電路連線頗多，也鍛煉了我的動(dòng)手能力。在調(diào)試過程中我們也對電路一遍遍研究，商量解決的辦法，追根溯源，雖說沒有解決大問題，也排除了一些小干擾，我也體會到