1、简易电子闹钟的设计论文报告编号： 基础工程设计说明书简易电子闹的钟设计电子工程与自动化学院光电信息科学与工程李朝庭1300820112汪杰君副教授题 目： 院 （系）：专 业：学生姓名：学 号：指导教师：职 称： 2015年 9 月18日摘 要20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。简易电子闹钟是
2、一个用于在一定时间后通过发出闹铃声而唤醒用户的简单电子电路，是用来防止午觉睡过头的仪器起定时唤醒用户的作用。本系统主要由555 定时器构成的方波信号发生器和通过按键输入控制的两位计数器延时定时电路构成成的能够输入任意时间进行倒计时的电子时钟，模拟且定时时间间隔可在99秒范围内连续可调。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词：定时电路；555 定时器；多谐振荡器；定时闹钟Abstract At the end of twentieth Century, the electronic technology has developed rapidly. In the promotion, the modern
3、 electronic products have penetrated almost all areas of the society. It has greatly promoted the development of social productive forces and the improvement of social information. Time is always so valuable to people, the work of the busy and complicated and easy to make people forget the current t
4、ime. Forget to do, when it is not very important, this not hurt the important essentials. Simple electronic alarm clock is a used to after a certain period of time through the alarm sounds and wakes up the user a simple electronic circuit and is used to prevent nap sleep overdo the instrument from t
5、ime to time to wake up the users role. This system mainly consists of 555 timer square wave signal generator and the input control through the key input control of the two bit counter timing circuit can be input to the input of a time of the electronic clock, simulation and time interval can be with
6、in 99 seconds of continuous adjustable.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。关键词：定时电路；555 定时器；多谐振荡器；定时闹钟Key words: timing circuit; 555 timer; multi harmonic oscillator; time clock残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。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P
7、ROTEL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。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。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
8、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。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。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
9、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：响铃系统时钟信号发生系统倒计时控制系统键盘输入系统图表 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
10、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=50k，R2=47k，C=10F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：怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。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09九个拨动按键以及两片为83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
11、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83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。谚辞調担鈧谄动禪泻類。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09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：嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。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09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
12、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。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。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。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。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
13、减计数功能。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。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：颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。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：濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。图（2.3
14、.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。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。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
15、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。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。图（2.3.3.4）响铃系统仿真图由于现实元器件DXP 2004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：赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。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
16、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。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。3.倒计时系统与
17、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。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。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。根据设计要求，选取金属膜电阻R1=50K，R2=47K。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。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
18、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。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。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LM555C
19、N的555定时器；数码管译码器采用DM74LS47N七位数码管译码器；3.2 PCB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。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。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
20、电路板的要求进行设置，最终得到的PCB图参见附录三。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。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。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。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
21、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。最终得到的实物图参见附录四。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。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。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.2 计数器以及数码管显示
22、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。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。通过飞线设计，结果个位
23、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。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。4.3 响铃系统调试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，把计数器的进位信
24、号接到响铃系统的输入端，响铃系统接收到一个变化的信号，蜂鸣器两端的电压就会发生变化，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。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。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。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。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
25、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。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。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
26、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：稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。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，
27、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。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。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。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。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
28、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。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。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
29、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。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。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
30、，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。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。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
31、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：呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。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：电源接口处没有设计二极管防止反接电路，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，在电源处还应设计滤波电容，因为在不同条件下，每个电源输出的电压电流等参数不一样。经调试，该电路的按键开关输入系统并不能稳定正常工作，这是仿真与实际制作的环节中要值得注意的地方。仿真并不等于实物电路
32、，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。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。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
