懒人闹钟的设计与制作

实验题目：懒人闹钟的设计与制作

课程简要信息

课程名称：电工技术与电子技术实验

课程学时：课内4学时+课外12学时

适用专业：采矿，土木，计算机等非电专业

学生年级：大二

实验内容与任务（限500字）

实验任务： 根据所学知识，设计并制作一个多功能数字时钟。

基础要求: （1）准确显示时间：实现60秒、60分、24小时的计数、译码、显示。

（2）手动对时、分的校对，要求按下校时、校分按钮（或开关）时，时计数器或分计数器以每秒加一的速度循环计数。

扩展要求：（1）具有整点报时功能。每到整点的前十秒即发出报时信号，且报时信号能持续一定的时间。

2. 定点报时，实现闹钟功能。

创新要求：（1）利用NE555集成芯片制作一红外遥控器的发射端，绘制原理图并用仿真软件Multisim进行仿真。

（2）制作并焊接数字钟及红外遥控器发射端的硬件电路

（3）利用红外遥控器实现一键关闭闹钟的止闹效果。

（4）在满足基础要求、扩展要求的基础上自主开发设计其它功能。

实验过程及要求（限300字）

a）.课前准备

① 查阅资料掌握数字钟的工作原理。

② 完成实验预习系统中的相关内容。

③ 复习组合逻辑电路和计数译码电路的相关知识，尽可能地查找满足实验要求的实验器材。例如集成芯片74LS390,74LS160,CD4511,74LS20，NE555等以及其他相关元器件，学习并了解不同器件的参数指标。

b）. 实验过程

教师讲解整体项目功能并组织学生针对整体项目划分和各子项目实现方法分组讨论，包括任务讨论和方案可行性分析，教师点评实现方案并为其确定最终方案；

① 学生在Multisim中绘制自己设计的电路仿真图并测试其可行性。

② 在数字实验箱上搭建电路并记录运行结果。

③ 制作并焊接硬件电路

3. 学生采用全英文完成报告撰写，并通过分组演讲、答辩，学习交流不同解决方案的优缺点。

相关知识及背景（限150字）

电子时钟是一种在日常生活和生产中常用的电子仪器，应用十分普遍。日后它必然将向更智能化的方向发展。本实验是基于组合逻辑电路的综合设计实验，结合Multisim的使用，训练学生组合逻辑电路的设计方法，时序逻辑电路分析和设计方法以及秒脉冲电路设计方法。并在创新内容中教会学生硬件电路的连接及故障检测方法。

实验的基础部分及扩展部分由纯数字电路组成，根据学生实际情况可以应用数字电子技术知识完成基本要求部分。创新要求部分需综合模拟电子技术等相关知识，同时学生还须自主学习实验中涉及的其他知识点如红外遥控器的基本原理等。

教学目的（限100字）

通过本次实验中资料的查阅，设计方案的选择，电路的绘制、仿真和实现，硬件的制作，设计报告的撰写这一系列的训练过程。综合的考察学生对数字电路、模拟电路等所学知识的掌握程度，提高学生排除故障解决问题的能力以及撰写科技论文的能力。

实验教学与指导

本实验设计的是一个比较完整的系统，需要学习研究相关原理，设计方案并进行论证，再进元件选择、系统仿真、硬件制作、调试测试、实验总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 将系统分解成若干个子项目，明确每个子项目的功能、各项目之间的连接关系等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理。

2. 讲解由555电路构成多谐振荡器的原理。

• 引导学生探索晶体振荡器作为震荡源，经过整形，分频后获得的“秒”脉冲信号和555定时器构成多谐振荡器产生的“秒”脉冲信号的精度有何区别？

3. 讲解红外遥控器的基本工作原理。

• 引导学生探索NE555集成芯片构成秒脉冲发生器的原理和其构成红外线发射端的原理有何共通之处？

• 引导学生思考如何使用红外遥控器做到懒人闹钟一键止闹的功能？

4. 复习由门电路构成一般控制电路的方法。

5. 复习计数器的相关知识点，讲解不同类型计数器件构成不同进制数器的工作方法。

• 引导学生用不同的集成芯片制作数字钟。例如用异步计数器74LS390或用同步计数器74LS160。

6. 复习Multisim的操作特点，提示学生由于本实验接线复杂，无论是仿真还是在实验箱上调试都要分步进行，一部分调试通过后再连接另一部分电路，及时发现问题并加以改进。

（7）向学生介绍制作硬件电路的一些基本注意事项。若在电路搭接、调试、焊接过程中出现的问题，需要结合平时实验过程中仪器操作要点，利用实验室的仪器设备对电路进行逐级调试及电路故障的排除。

（8）在实验完成后，组织学生以项目演讲、作品展示、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，引导学生拓宽知识面。

实验原理及方案

（1）系统结构

（2）实现方案

由上图可知，数字钟可以被拆解为：秒脉冲发生电路，时、分、秒计数译码显示电路、时间校准电路、整点报时电路、定点报时电路、红外遥控电路共六个部分。

① 秒脉冲发生电路

这部分是数字钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器作为震荡源，经过整形，分频后获得周期为1s的“秒”脉冲信号。在精度要求不高时可由逻辑门电路或555定时器构成秒脉冲发生器。

实验中学生可以采用555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s的“秒”脉冲信号，亦可以采用晶振+分频的模式得到秒脉冲信号。比较其稳定性。

② 时、分、秒计数译码显示电路

这部分电路包含两个六十进制计数器和一个二十四进制计数器以及相应的译码显示电路。“秒”脉冲信号经过第一个计数器进行60分频后，得到“分”脉冲，“分”脉冲再经过60分频后，得到“小时”脉冲。时、分、秒各级计数器经译码显示后，即可读出时间。

③ 时间校准电路

这部分电路包括校“时”，和校“分”电路，两个电路完全相同，每个电路均由一个基本RS触发器和由三个与非门构成的2选1电路组成，当按下校准按钮时，秒脉冲信号可直接进入时计数器或分计数器，以实现快速校准时间的功能。

④ 整点报时电路

根据要求，电路应该在整点前10秒之内开始整点报时，当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的QＣ和QＡ 、个位的QＤ和QＡ及秒计数器十位的QＣ和QＡ相与，从而产生报时控制信号。学生也可用其他方式达到整点报时的效果。

⑤ 定点报时电路（闹钟功能）

添加闹钟功能，即需要添加一个和原本电路相比较的时间（所设定闹铃的时间），将两者对比，输出结果，触发发声，即实现闹钟功能。可用74LS85等芯片达到比较器的效果。

⑥ 红外遥控电路

• 红外信号发射电路：采用555定时器搭建多谐振荡器产生方波脉冲信号。具体接法：NE555定时器的输出端接一个电阻分压限流，然后再接上红外发光二极管。在这个电路中，需要用到的原件很少，且电路简单便于调试。

图 2红外信号发射端线路图

• 红外信号接收电路：采用集成万能红外信号接收器，和数字钟蜂鸣器中间以一开关键相接，接收信号，并产生一键止闹的懒人闹钟效果。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实验方案论证

3. 电路设计与元器件的选择参数选择

4. Multisim仿真结果

5. 记录实验现象

6. 掌握局部电路功能测试验证以及电路调试方法；

7. 实验结果总结

8. 实验报告须用英文完成。

9. 若用到所查资料，应写明参考文献

考核要求与方法（限300字）

（1）子项目部分验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。

（2）创新项目验收：自主思考与独立实践能力，电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

（3）整体项目：整体电路的设计，整体软件仿真结果，整体硬件电路设计以及硬件电路的连接，实物成品完成情况等方面。

（4）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

（5）演讲答辩：考查学生对各子项目的设计原理、整体项目设计原理的理解程度，并查看学生的硬件实物演示。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本实验采用了数字电路实验的一个经典案例，综合了数字电子技术和模拟电子技术等理论课程基础知识。通过学生自主设计电路，自主选择元器件并且借助Multisim软件进行仿真，在项目实现上有多种解决方案。本实验在传统实验的基础上加入了红外线遥控器等新型元素，使其更有趣味性，丰富了学生的知识面。

本实验分为三个层次，基础和扩展层面难度适中，稍加思考和学习都可以实现。创新层面在于将学到的东西融会贯通，通过设计方案的论证，器件的选择、仿真、电路的调试、焊接、组装，充分发挥了学生的创造性，提高学生的实践动手能力，调动学生的实验积极性。

鼓励学生用全英文书写报告并演讲答辩旨在为他们以后的科研道路，例如：查阅国外文献或出国读研读博，打下良好的基础。

参赛选手信息表