電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)之懶人鬧鐘的設(shè)計(jì)

夏雙 張曉春

【摘要】本實(shí)驗(yàn)基于數(shù)字電路理論采用了深入淺出，難度遞進(jìn)的方法，向?qū)W生講解了數(shù)字鐘的原理及制作過(guò)程。更將數(shù)字鐘與紅外遙控器結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路 ?數(shù)字鐘 ? 紅外遙控

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM1-4;G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）43-0223-01

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

實(shí)驗(yàn)任務(wù)： 根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)多功能數(shù)字時(shí)鐘。

基礎(chǔ)要求： （1）準(zhǔn)確顯示時(shí)間：實(shí)現(xiàn)60秒、60分、24小時(shí)的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示。（2）手動(dòng)對(duì)時(shí)、分的校對(duì)，要求按下校時(shí)、校分按鈕（或開(kāi)關(guān)）時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器或分計(jì)數(shù)器以每秒加一的速度循環(huán)計(jì)數(shù)。

擴(kuò)展要求：（1）具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。每到整點(diǎn)的前十秒即發(fā)出報(bào)時(shí)信號(hào)，且報(bào)時(shí)信號(hào)能持續(xù)一定的時(shí)間。（2）定點(diǎn)報(bào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。

創(chuàng)新要求：（1）利用NE555集成芯片制作一紅外遙控器的發(fā)射端，繪制原理圖并用仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真。（2）制作并焊接數(shù)字鐘及紅外遙控器發(fā)射端的硬件電路。（3）利用紅外遙控器實(shí)現(xiàn)一鍵關(guān)閉鬧鐘的止鬧效果。（4）在滿(mǎn)足基礎(chǔ)要求、擴(kuò)展要求的基礎(chǔ)上自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)其它功能。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求

a.課前準(zhǔn)備

（1）查閱資料掌握數(shù)字鐘的工作原理。（2）完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)中的相關(guān)內(nèi)容。（3）復(fù)習(xí)組合邏輯電路和計(jì)數(shù)譯碼電路的相關(guān)知識(shí)，盡可能地查找滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)器材。

b.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

教師講解整體項(xiàng)目功能并組織學(xué)生針對(duì)整體項(xiàng)目劃分和各子項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方法分組討論，包括任務(wù)討論和方案可行性分析。

（1）在Multisim中繪制自己設(shè)計(jì)的電路仿真圖并測(cè)試其可行性。（2）在數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上搭建電路并記錄運(yùn)行結(jié)果。（3）制作并焊接硬件電路。

學(xué)生采用全英文完成報(bào)告撰寫(xiě)，并通過(guò)分組演講、答辯，學(xué)習(xí)交流不同解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是一個(gè)比較完整的系統(tǒng)，需要學(xué)習(xí)研究相關(guān)原理，設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證，再進(jìn)元件選擇、系統(tǒng)仿真、硬件制作、調(diào)試測(cè)試、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)：

（1）將系統(tǒng)分解成若干個(gè)子項(xiàng)目，明確每個(gè)子項(xiàng)目的功能、各項(xiàng)目之間的連接關(guān)系等。構(gòu)建總體方案與框圖，清晰地表示系統(tǒng)的工作原理。（2）講解由555電路構(gòu)成多諧振蕩器的原理。

（3）講解紅外遙控器的基本工作原理。（4）復(fù)習(xí)由門(mén)電路構(gòu)成一般控制電路的方法。（5）復(fù)習(xí)計(jì)數(shù)器的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，講解不同類(lèi)型計(jì)數(shù)器件構(gòu)成不同進(jìn)制數(shù)器的工作方法。引導(dǎo)學(xué)生用不同的集成芯片制作數(shù)字鐘。（6）復(fù)習(xí)Multisim的操作特點(diǎn)。（7）向?qū)W生介紹制作硬件電路的一些基本注意事項(xiàng)。（8）在實(shí)驗(yàn)完成后，組織學(xué)生以項(xiàng)目演講、作品展示、答辯、評(píng)講的形式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生拓寬知識(shí)面。

4.實(shí)驗(yàn)原理及方案

數(shù)字鐘可以被拆解為：秒脈沖發(fā)生電路，時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)譯碼顯示電路、時(shí)間校準(zhǔn)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、定點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、紅外遙控電路共六個(gè)部分。

（1）秒脈沖發(fā)生電路。這部分是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器作為震蕩源，經(jīng)過(guò)整形，分頻后獲得周期為1s的“秒”脈沖信號(hào)。在精度要求不高時(shí)可由邏輯門(mén)電路或555定時(shí)器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器。

（2）時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。這部分電路包含兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器以及相應(yīng)的譯碼顯示電路?！懊搿泵}沖信號(hào)經(jīng)過(guò)第一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行60分頻后，得到“分”脈沖，“分”脈沖再經(jīng)過(guò)60分頻后，得到“小時(shí)”脈沖。時(shí)、分、秒各級(jí)計(jì)數(shù)器經(jīng)譯碼顯示后，即可讀出時(shí)間。（3）時(shí)間校準(zhǔn)電路。這部分電路包括?！皶r(shí)”，和?！胺帧彪娐罚瑑蓚€(gè)電路完全相同，每個(gè)電路均由一個(gè)基本RS觸發(fā)器和由三個(gè)與非門(mén)構(gòu)成的2選1電路組成，當(dāng)按下校準(zhǔn)按鈕時(shí)，秒脈沖信號(hào)可直接進(jìn)入時(shí)計(jì)數(shù)器或分計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)快速校準(zhǔn)時(shí)間的功能。（4）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。根據(jù)要求，電路應(yīng)該在整點(diǎn)前10秒之內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的QC和QA 、個(gè)位的QD和QA及秒計(jì)數(shù)器十位的QC和QA相遇，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。學(xué)生也可用其他方式達(dá)到整點(diǎn)報(bào)時(shí)的效果。（5）定點(diǎn)報(bào)時(shí)電路（鬧鐘功能）。添加鬧鐘功能，即需要添加一個(gè)和原本電路相比較的時(shí)間（所設(shè)定鬧鈴的時(shí)間），將兩者對(duì)比，輸出結(jié)果，觸發(fā)發(fā)聲，即實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能?？捎?4LS85等芯片達(dá)到比較器的效果。（6）紅外遙控電路。紅外信號(hào)發(fā)射電路：采用555定時(shí)器搭建多諧振蕩器產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)。具體接法：NE555定時(shí)器的輸出端接一個(gè)電阻分壓限流，然后再接上紅外發(fā)光二極管。在這個(gè)電路中，需要用到的原件很少，且電路簡(jiǎn)單便于調(diào)試。紅外信號(hào)接收電路：采用集成萬(wàn)能紅外信號(hào)接收器，和數(shù)字鐘蜂鳴器中間以一開(kāi)關(guān)鍵相接，接收信號(hào)，并產(chǎn)生一鍵止鬧的懶人鬧鐘效果。

5.項(xiàng)目特色或創(chuàng)新

本實(shí)驗(yàn)采用了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的一個(gè)經(jīng)典案例，綜合了數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)等理論課程基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路，自主選擇元器件并且借助Multisim軟件進(jìn)行仿真，在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)上有多種解決方案。本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入了紅外線遙控器等新型元素，使其更有趣味性，豐富了學(xué)生的知識(shí)面。

鼓勵(lì)學(xué)生用全英文書(shū)寫(xiě)報(bào)告并演講答辯旨在為他們以后的科研道路，例如：查閱國(guó)外文獻(xiàn)或出國(guó)讀研讀博，打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳俊杰.對(duì)秦曾煌主編《電工學(xué)》上冊(cè)的兩點(diǎn)商榷[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 1993（4）：66.