家庭電路設計原理

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家庭電路設計原理范文第1篇

關鍵詞:JZ863數傳模塊;無線遙控;單片機串行通信;程序控制

中圖分類號:TP368文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2794-01

Design of Wireless Remote Control Circuit Based on Module JZ863

WANG Yang, LI Ji

(Experiment Center of Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

Abstract: For home appliances and lighting intelligent control, a kind of wireless remote control circuitprogram based on module JZ863 and SCM 89C2051 be designed. this design has the following advantages: simpler peripheral circuit, low power consumption, easy programming, high reliability and strong extensions.

Key words: JZ863 DTU; wireless remote; serial communication; program control

當前,對現代化電器實現無線遙控,已經成為各種專業和家用電器最基本的首要的功能。而這些遙控功能多數都是單一的、一對一的,如何實現分機分體遙控到中央集中的遙控,這在許多環境、場合條件下是需要的。本文介紹一種以JZ863為數據傳輸模塊的、基于89C51系列單片機的無線遙控電路設計方案。

1 JZ863 數傳模塊功能特點

JZ863數據傳輸模塊用于單片機之間的串行無線數據傳輸。JZ863數傳模塊的標準發射功率為100mW(20dB);接收靈敏度高達-110dbm。模塊的功耗低,以直流(DC5V)電源供電,接收電流最低500m,(BER=10 ?3/9600bps)>200m。JZ863型模塊標準配置提供8個信道、多種通信波特率,無線傳輸速率與接口波特率成正比,滿足用戶多種通信組合方式和多種波特率的需求。由于JZ863型模塊具有以上的功能特點,所以在工業遙控、數據通信、儀表自動化控制、安防報警和家庭電器和燈光智能控制等方面得到了廣泛的應用。

2 JZ863數傳模塊與用戶終端的連接

2.1 JZ863的TTL、RS232、RS485三種接口方式

本文采用的是RS232接口方式,接口引腳如圖1所示,定義說明如表1所示。

2.2 JZ863無線模塊與用戶設備的連接

用戶終端設備可以是PC機或單片機,方式連接如圖1所示。

2.3 軟件測試檢驗及參數設置

1)安裝技卓科技提供的無線模塊設置與通信軟件。

2)連接JZ863與電腦,并接上電源,選擇所用的串口。

3)電臺檢測,當檢到電臺時(軟件提示檢測成功),這樣就可以對單個參數進行讀取或更改了。

4)更改參數時,選擇好設置的參數,設置進行完要再次進行讀取,看所設的參數是否完成。

3 單片機遙控發射/接收電路的硬件設計

本電路采用了89C2051單片機設計,分發射和接收電路兩部分,如圖2所示。89C2051是89C51系列單片機的縮減版,適用于設計功能比較簡單的遙控電路。本電路僅用于JZ863數傳模塊原理應用試驗,取代了由P2272/P2262系列編碼電路芯片設計的遙控電路。電路設計要求遙控8個對象,其中7個用LED代替,另一個為亮度可調的電燈,控制距離≥10m。一路電燈的亮度分8級控制,并用數碼管顯示亮度等級數。根據遙控點亮各個燈泡的設計要求,發射電路部分用了8個輕觸微動開關做按鍵開關,接到89C2051的P1端口。接收電路部分P1端口對應連接7個用LED,P3口外接一位7段譯碼顯示驅動器CD4511,并接3個亮度等級控制三極管。與P2272/P2262系列編碼電路芯片設計的遙控電路相比,電路少,可靠性高,故障率低,體積小,重量輕。由于JZ863數傳模塊必須通過PC機進行軟件調試和參數設置,本例JZ863數傳模塊是RS232接口方式,以便與PC機進行通信。在模塊與單片機發射電路和接收電路之間也必須加上RS232電平轉換電路MAX232,如圖3所示。

4 單片機遙控發射/接收電路的軟件設計

軟件說明:首先,收發模塊的頻率和空中速率必須一致。模塊與用戶設備要進行通訊,模塊和用戶設定的串口參數必須一致。其次,發射端編程簡單,循環檢測外接的按鍵,只要有鍵按下即行發射串行數據。第三,發射端設一個亮度控制鍵,每按一次亮度增加一級。接收程序中要設置一個增亮計數器,接收端收到數據,首先判斷鍵值是否亮度控制按鍵。如果是,計數器加1,輸出亮度顯示、控制字到P3口;如果不是,直接輸出收到的數據到P1口,點亮對應的LED燈。由于JZ863模塊傳送的是發送端的數據,所以能夠把發送電路P1端口的開關狀態直接反映到接收電路P1端口的LED燈上。

5 結束語

本設計方案如果使用TTL接口方式的JZ863模塊,就可以發揮89C2051的低電壓供電的優勢,并開發出休眠狀態功能,使無線遙控電路的功耗更低,使用更加便捷、有效,功能更強,應用更加廣泛。

參考文獻:

[1] 朱定華,戴汝平.單片微機原理與應用[M].北京:北方交通大學出版社,2003.

[2] 何希才.新型集成電路應用實例[M].北京:電子工業出版社,2002.

[3] 技卓科技無線模塊設置與通訊軟件用戶手冊[Z].深圳市技卓科技有限公司

家庭電路設計原理范文第2篇

【關鍵詞】數字溫度計；測溫傳感器；系統

1.引言

日常生活中溫度測量占用非常重要的地位，人們每天通過天氣預報關注當天的溫度，工業中鍛造高性能的產品，對于溫度的控制至關重要，生活上人們感覺身體不舒服時首先通過體溫計測量溫度，根據測量結果進行治療，溫度過高或過低會對人的身體產生非常大的傷害。當前常見測量溫度的基本是模擬式溫度計，并且測量誤差較大，測量讀數不準確，所以研究一種簡潔、準確的高精度數字溫度計非常重要。本文就是基本以上原因，在前人研究的基礎上設計一種高精度的數字溫度計，以適應當前的工農業及生活的需要。

2.系統方案設計

2.1 系統設計的組成

該數字溫度計電路系統是由電源部分、單片機主控電路、溫度傳感器電路、顯示電路、蜂鳴器和繼電器驅動電路、串口通訊電路等組成。設計電路合理，測量結果準確。

2.2 系統硬件介紹

2.2.1 溫度傳感器

系統溫度傳感器采用DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器DS18B20，它具有高性能、低功耗、微型化、抗干擾能力強、易配處理器等優點，特別適用于構成多點溫度測控系統，可直接將溫度轉化成串行數字信號（提供9位二進制數字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。DS18B20具有3引腳，TO-92小體積封裝形式，溫度測量范圍廣（一般為-55℃～+125℃），可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。

2.2.2 單片機

采用宏晶科技研究開發的STC11F01單片機，該單片機具有加密性強、超強抗干擾、超強抗靜電（整機可過兩萬伏靜電測試）、速度快，1個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI等特點。另外該單片機輸入/輸出端口多，最多有40個I/O，復位腳如果I/O口使用，可以省去外部電路。還有其具有超低功耗，空閑模式功耗

單片機STC11F01引腳功能

RST（1腳）：強制復位端；

RXD（2腳）：串行輸入口；

TXD（3腳）：串行輸出口；

XTAL1、XTAL2（5、4腳）：時鐘電路引腳；

（6、7腳）：外部中斷輸入口；

T0、T1（8、9腳）：定時/計數口；

Gnd（10腳）：接地端；

P1.0～P1.7（12～19腳）：輸入輸出端口；

VCC（20腳）：電源端+5V。

圖1 STC11F01引腳圖

2.3 電路硬件設計

2.3.1 電源電路設計

串聯穩壓電路接通220V的交流電后，經降壓、整流、濾波后得到12V電壓，再經數字溫度計電源電路穩壓、濾波得到5V電壓。

圖2 系統電源電路

2.3.2 單片機與溫度傳感器電路設計

溫度傳感器DS18B20探測環境溫度，由5V電源供電，內部計數器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖進行計數，并將此信號由2腳經上拉電阻送入單片機STC11F01的P3.7口，經單片機程序處理將數據顯示到四位數碼管。

圖3 單片機與溫度傳感器設計圖

當按下單片機STC11F01的K1鍵時，由RST引腳進行強制復位。

2.3.3 顯示電路設計

顯示電路由動態顯示控制電路、電源驅動電路和數據總線構成，四位數碼管顯示電路采用共陽極接法，由三極管Q1、Q2、Q3、Q4控制（Q1-Q4三極管均為8550），當單片機的2、3、6、7引腳使得三極管8550的基極為低電平時，三極管導通，相應的數碼管動態工作，數據顯示內容由單片機的P1.0～P1.7經總線傳送到數碼管。

圖4 顯示電路設計圖

2.3.4 蜂鳴器驅動電路設計

蜂鳴器驅動電路由開關三級管Q5控制，當溫度超過35℃時，單片機的T0口為低電平，使三極管Q5導通，蜂鳴器工作，當溫度低于35℃時，T0口為高電平，三極管Q5截止，蜂鳴器停止工作。

圖5 蜂鳴器驅動電路設計圖

串口通訊電路由串口控制芯片MAX232CPE實現，可通過串行口與微機或其他設備實現數據交換。

3.結束語

采用DS18B20的高精度溫度傳感器為測溫傳感器，以數碼顯示的方式設計的數字溫度計，精確度高、測溫速度快；應用場合廣泛，既可測量體溫，也可測量空氣、食物、水等物質的溫度，量程大；操作使用方便，不僅適合普通家庭也適合某些需要語音提示的工業現場生產應用。

參考文獻：

[1]周克輝.基于單片機控制的DS18B20數字溫度計設計[J].湖南農機，2010（11）.

家庭電路設計原理范文第3篇

關鍵詞： 自主排風； 實時監測； SIM900A； 語音報警； STM32

中圖分類號： TN876?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0096?04

Design and implementation of voice gas alarm device based on SIM900A

LIU Yongtao， LIU Jia， LI Yuhua， XIA Xuhong， LIU Hao， HUO Qingzhou

（College of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology， Beijing 101601， China）

Abstract： The carbon monoxide poisoning and explosion incidents caused by gas leakage occur frequently， so only the field sound?light alarm and SMS reminder can be adopted because the function of the existing alarm system is somewhat simple. Even though it can reduce the incidents greatly， it isn′t popularized due to its high price. Aiming at the above situations， a gas alarm device based on SIM900A and STM32 embedded processor was designed. The device can detect the field gas， carbon mo?noxide， smog and temperature parameters. When the detected value is higher than the set value， the device gives the sound?light alarm， starts the internal air exhaust device and external large?scale air exhaust device， sends the short massage to the multigroup phone numbers stored in SIM card， and calls the stored phone numbers successively to notice the dangerous situation with the voice until someone answers the phone. The device is equipped with a large?capacity lithium battery， and can automatically switch the power supply and provide the continuous monitoring after the sudden power failure.

Keywords： autonomous air exhaust； real?time monitoring； SIM900A； voice alarm； STM32

0 引 言

隨著中國城市化進程的加快，煤氣、天然氣以及沼氣等燃料得到廣泛應用，而這些大多是易燃易爆氣體， 一旦發生氣體泄漏， 很容易引發爆炸， 直接危害國家財產和人民生命安全[1]。因此，需要采取相應的措施來減少損害。現有的報警系統功能較為單一，只能采取現場聲光報警和短信提示，并且價格較高使其未能得到普及。

針對以上情況本文設計了一種基于SIM900A的語音燃氣報警裝置。該裝置能夠檢測空氣中一氧化碳、甲烷的濃度以及空氣溫度，當濃度超標或者溫度超過設定值之后，系統會自動打開自有排風系統，將室內有毒氣體排放到室外；同時通過撥打預設電話和向預設電話號碼發送短信兩種方式來告知用戶危險的情況，便于用戶進一步處理危險狀況，避免造成重大財產損失和人身傷害。

1 系統結構設計

系統由STM32嵌入式處理器、傳感器電路、電源電路、聲光報警電路、排風系統、GSM通信電路等功能模塊組成。主控芯片采用的是STM32F103RBT6處理器，相比于傳統的STC單片機，該處理器處理速度更快，性價比更高。氣體檢測傳感器采用了對一氧化碳具有很高靈敏度的ZYMQ?7和對甲烷具有良好選擇性的ZYMQ?2。溫度檢測選用了基于單總線技術的DS18B20數字溫度傳感器。通信電路主要由基于GSM網絡的SIM900A芯片控制。現場由蜂鳴器和LED燈實現聲光報警。自有排風選用的是排風量為440 m3/min的軸流風機。系統5 V電源由MP2303芯片構成的穩壓單元提供。系統整體結構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主電路設計

主控制器采用低功耗、高性能的STM32F103RBT6芯片，內核為ARM 32位的Cortex??M3 CPU，片內集成128 KB FLASH，20 KB SRAM，最高72 MHz的工作頻率，正常工作電壓范圍[2]為2.0～3.6 V。其主要負責將采集到的傳感器濃度和溫度與設定值進行比較，超過預定值之后會控制系統進行聲光報警，自動啟動排風，并且通過控制SIM900A撥打電話和發送短信來告知用戶[3]。

2.2 傳感器電路設計

甲烷檢測采用ZYMQ?2傳感器，它將微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在不銹鋼金屬腔體內；內部加熱電阻絲為氣敏元件提供必要的工作條件；敏感層使用非常穩定的SnO2制成，具有很好的長期穩定性。為了減弱氮氧化物、烷類等氣體的干擾，過濾腔體內填充了活性炭。氣敏傳感器有六只金屬針管腳，其中四個用于信號取出，兩個用于接入加熱電源[4]。傳感器信號處理電路如圖2所示。

傳感器電阻[Rs]電壓是通過與其串聯的負載電阻[RL]上的有效電壓信號[VRL]輸出而獲得的。二者之間的關系為：

[RsRL=Vc-VRLVRL]

利用回路測得在傳感器由結晶空氣轉移至甲烷氛圍中時，從[RL]上輸出變化信號，信號的測定在一個或兩個完整的加熱周期內測得。傳感器輸出電壓接入由LM393組成的電壓比較器通過電位器R6來調整校準報警值，正常時運放輸出高電平，當一氧化碳濃度超標后運放輸出低電平，報警指示燈D3點亮。PB5，PB6為雙色LED，正常時PB5綠色燈亮，超標后PB6紅色燈亮，PB5熄滅。

一氧化碳檢測采用ZYMQ?7傳感器，處理電路與甲烷檢測電路相同，該電路結構簡單，并且具有靈敏度高、響應快的特點。

溫度傳感器采用基于單總線技術的DS18B20，該傳感器具有獨特的單總線數據接口，只需一個I/O口即可與處理器通信完成溫度的采集，電路簡捷應用方便[5]。

2.3 報警電路設計

報警系統主要由基于GSM網絡通信技術的SIM900A芯片控制，此芯片是一個雙頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，支持多種編碼方式，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。SIM900A僅適用于中國市場，其性能穩定，外觀精巧， 性價比高； 可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸[6]。芯片應用原理如圖3所示。

裝置通過STM32處理器的PA14管腳來控制SIM900A的PWRKEY引腳，完成SIM900A的上、下電及重啟控制[7]。通過處理器的串口1完成與SIM900A的串行通信控制。控制前首先要對SIM900A初始化，程序如下：

void Init_Module（） //對SIM900模塊的初始化

{

printf（"ATE0＼r＼n"）； //取消回顯

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+CNMI=2，2＼r＼n"）；

//新短信到來時直接通過串口輸出不做存儲

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+CMGF=1＼r＼n"）； //設置為TEXT模式

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+COLP=1＼r＼n"）；

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

}

處理器發送AT指令后，如果SIM900A正確響應，將返回“OK”字符給STM32。當有監測數據超標后處理器通過AT指令操作SIM900A向用戶發送短信，告知用戶危險情況，并會按順序撥打預存在SIM卡內的電話號碼，直到有人接聽，撥通之后會向處理器返回命令，進而處理器控制語音芯片播放語音，告知用戶危險情況。

語音芯片采用的是SC080，此芯片是一顆單芯CMOS一次性生成語音芯片，其使用的是最新嵌入式RPROM架構的OTP語音晶元，有一個Input腳和2個I/O腳，內部精準的內阻振蕩不需外加振蕩電阻，PWM輸出端可直接驅動8 Ω 0.5 W喇叭，語音的還原度高。其應用原理如圖4所示。

2.4 電源電路設計

電源電路采用的是由MP2303芯片控制的電源模塊，該模塊工作穩定，能夠提供最大3 A的工作電流，為系統提供5 V電壓，供傳感器和繼電器工作。主開關電源提供12 V/3 A的電壓，供給整個電路和內置大功率風機工作。5 V電源電路如圖5所示。

另外，本設計采用4 000 mA的鋰電池作為備用電源，保持該裝置在斷電的情況下待機超過12 h以上，排風系統啟動后可維持1 h以上。

3 系統軟件設計

首先，主控芯片進行初始化，然后初始化SIM900A模塊，再把SIM900A模塊接人GPRS網絡[8]。系統程序由C語言編寫完成。軟件主要用來控制傳感器采集數據、控制語音芯片語音報警、控制SIM900A撥打電話以及短信發送。主程序流程如圖6所示。

4 裝置功能實現及測試

基于SIM900A的語音燃氣報警裝置目前已通過實驗室測試。裝置包含內置大功率軸流風機、主控電路板、大容量鋰電池和內吸氣小功率風扇。

報警裝置的核心電路板如圖7所示。核心電路板集成了一氧化碳傳感器、甲烷傳感器以及溫度傳感器，兩路繼電器用于啟動內置排風裝置和外部風機，蜂鳴器和雙色指示燈完成聲光報警，SIM900A與STM32處理器直連完成短信和語音的報警[9]。

通過對整個裝置的硬件和軟件實驗室檢測和調試，該裝置實現了以下功能：

（1） 可燃氣體濃度超過2 500 PPM，啟動報警和排風。

（2） 一氧化碳濃度超過300 PPM啟動報警和排風。

（3） 溫度超過40 ℃啟動報警和排風。

（4） SIM卡存儲：1～6組電話號碼，報警時全部發送短信然后按先后順序撥打電話，直到有人接聽完成語音報警。

（5） 可燃氣體報警：先向SIM卡中存儲所有號碼短信，內容為“燃氣濃度超標，注意！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環境正常，報警語音提示“燃氣濃度超標，注意！”。

（6） 一氧化碳報警：先向SIM卡中存儲所有號碼短信，內容為“有毒氣體超標，注意！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環境正常，報警語音提示“有毒氣體超標，注意！”。

（7） 溫度報警：先向SIM卡中存儲所有號碼短信，內容為“溫度超標，火災隱患！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環境正常，報警語音提示“溫度超標，火災隱患！”。

5 結 語

本系統實現了基于SIM900A和STM32嵌入式處理器的語音燃氣報警裝置的設計[10]，經過現場測試完成了一氧化碳監測、可燃氣體監測、煙霧監測、高溫監測報警的功能。設備監測到各項參數超標后能及時啟動自有排風裝置，并且短信通知用戶，撥打電直至有人接聽進行語音報警。其具有待機低功耗、實用性強、性價比高、安裝便捷等優點。可用于家庭及酒店廚房監測、燃煤鍋爐房以及一些特殊氣體監測場所，因此可以廣泛的加以推廣和應用。

參考文獻

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[3] 張明富.基于SIM900A的智能電話機的研究與設計[J].科技風，2014（15）：31.

[4] 劉麗霞.嵌入式煤礦瓦斯檢測儀應用研究[J].煤炭技術，2010（6）：45?47.

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[6] 黃超，劉婷，謝印慶.基于STC12C5A60S2多功能通信開發板設計[J].現代電子技術，2014，37（5）：152?155.

[7] 左兆輝，孫耀杰，馬曉崢.基于PPI協議與SIM900A的抽油機監控系統[J].儀表技術與傳感器，2014（4）：50?52.

[8] 黎山峰，揚雷，孫建軍.面向智慧社區的環境監測系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2015，23（5）：1785?1787.

家庭電路設計原理范文第4篇

關鍵詞: 視覺惰性；單片機；三維立體式；旋轉燈籠；

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

1 引言

LED具有節能、環保、壽命長、體積小、低熱量等特點。在當今社會，發展低碳經濟已經成為全球的共識。由此可見，LED發光二極管方面的電子產品具有很好的發展前景。本設計創新的把LED360度環形顯示系統方案與傳統燈籠有效的結合在一起，小到家庭，大到商場、酒店都可以使用本產品進行裝飾，用現有的基于AT89C51芯片組成的LED顯示屏控制系統，從而得到良好的動態視覺效果。

2 總體方案設計

目前使用的二維平面LED顯示產品大多是由8×8的點陣塊組成一定長寬的顯示屏，要想進行三維空間的立體顯示，首先必須將8×8的平面點陣塊用線狀點陣條替代，點陣條沿某一直線平移就形成了類似點陣屏的平面，若點陣條沿某一曲線平移，就形成了三維立體空間的顯示。考慮空間顯示畫面的美觀和減少設計時的難度，本文將采用使點陣條沿圓周運動的方式，顯示的畫面是圓筒外表面，只要改變圓的半徑即可改變顯示面積。

系統采用單片機為核心的控制系統。系統由單片機、最小系統部分、驅動電路部分、顯示電路部分、單相電機開關調速部分及電源部分組成。系統的核心采用AT89S52單片機，該芯片具有極高的性價比，適用于眾多嵌入式控制應用系統。

3 系統硬件電路設計

（1）采用12MHz的晶振提供系統時鐘，并附加復位電路，組成單片機最小系統。

（2）采用單基色紅色LED發光管。

（3）利用一個輸出正5V直流電壓的穩壓電源電路。

（4）電源部分采用的是三端穩壓器7812和7805，輸入由變壓器和橋式電路整流提供+12V直流電，經7805穩壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機、霍爾傳感器和LED數碼管提供工作電源。L298驅動電路需要12V和5V直流電壓同時供電。

（5）利用芯片8255A擴展電路來實現電機旋轉。

4 系統主程序設計

void main()

{

uchar l;

while(1)

{

for(I=0;I

{

P0=zimo[4*l];

P2=zimo[4*l+1];

P1=zimo[4*l+2];

P3=zimo[4*l+3];

delayms(1);

}

}

}

END

5 系統總電路圖仿真

首先點擊Project->New Project 后選擇單片機型號建立庫Target 1，雙機打開庫文件看到Source Group 1，右鍵添加一個“.c”文件輸入程序并保存。最后利用keil編譯。

6 產品設計圖

圖1 產品設計圖

7 結語

本設計以單片機為核心部件，通過單片機控制LED掃描顯示的時間，能夠穩定的顯示數字或文字。通過調整圓的半徑即可改變燈籠顯示空間的大小，可在360°的任意角度顯示、觀看。在設計過程中，力求硬件線路簡單，充分發揮軟件優勢來滿足設計的要求，制作的成品達到了預期的效果。

參考文獻

[1] 李群芳 肖看． 單片機原理、接口-嵌入式系統技術基礎 [M]．清華大學出版社，2004 55-79

[2] 馬明建． 數據采集與處理技術 （第二版）[M]．西安交通大學出版社，2005 33-59

[3] 周明德. 單片機原理與技術 [M].人民郵電出版社,2008 24-27

家庭電路設計原理范文第5篇

關鍵詞：數字電子時鐘；計數器；Multisim10

1 概述

數字電子時鐘是由數字電路構成、有數字顯示特點的一種現代化的計時工具[1-3]，它顯示直觀、走時精準，深受人們的喜歡，廣泛應用于公交站、汽車站、圖書館、商店、大型廣場等公眾場合以及百姓家庭，給人們的生活、學習、工作和娛樂帶來了很大的便利[4-5]。

Multisim10是美國NI公司推出的用于電子電路仿真和設計的EDA工具軟件，可以實現計算機仿真設計與虛擬實驗，是一個高效的設計仿真平臺[6-10]。其強大的虛擬儀器庫和仿真功能，為電路設計與分析創造了良好的環境，也提高了電路設計效率。

簡易數字電子時鐘的核心電路部分是計時和數字顯示兩個，本文應用Multisim10仿真軟件設計了一個時鐘電路，能夠準確而直觀地將時間的“時”“分”“秒”以數字方式顯示出來，并設計了時間校正電路使其準確工作，該電路具有校時功能和整點自動報時功能。盡管本文設計的數字時鐘與當今社會正使用的數字時鐘差別較大，但研究其核心數字電路部分及擴展其應用，仍具有非常重要的指導意義[11]。

2 設計方案及電路框圖

數字時鐘是一個將時間的“時”、“分”、“秒”以數字的形式顯示于人的視覺器官的一種計時裝置，它的主要功能是計時和顯示，因此，簡易數字電子時鐘電路的主要電路設計包括標準脈沖計數信號模塊、“時、分、秒”計數模塊、時間顯示模塊等電路的設計。其中，標準時間計數脈沖信號由555振蕩器經分頻器得到，即1Hz的秒計數脈沖信號；由于計時可能出現誤差，故在電路中增加時間校準電路模塊。最后，在主電路正常運行情況下，擴展其整點報時功能。總體電路框圖設計如圖1所示。

3 各電路模塊的設計及仿真調試

在Multisim10仿真平臺上搭建簡易數字電子時鐘的總設計仿真電路圖如圖2所示，其各電路模塊設計如下。

3.1 標準計數脈沖信號

本文設計的標準時間計數脈沖信號由555振蕩器與RC組成的多諧振蕩電路產生，即1Hz的秒計數脈沖信號，作為總電路的計數時鐘脈沖，也是擴展電路所需要的工作信號。（見圖3）

該電路模塊設計的優點是：555多諧震蕩電路內部的比較器靈敏度較高，并應用差分電路形式，使其振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點是：若要精確穩定地輸出1Hz脈沖信號，對電容和電阻的數值精度要求很高。

3.2 計數顯示模塊

在時鐘的計數控制電路模塊中，有了時間標準“秒”計數脈沖信號后，就可以按照“60秒為1分”、“60分為1時”、“24時為1天”的計數規則進行計數電路模塊的設計。然后設計“時”、“分”、“秒”三個譯碼顯示電路，將“時”、“分”、“秒”的計數狀態在七段數碼管上顯示成直觀的數字符號。在本文設計中，采用十進制同步加法計數器芯片74LS160N來實現計數的十進制功能和六進制功能，其工作狀態表如表1所示，芯片引腳圖如圖4所示。

74LS160N的CLK是脈沖輸入端，RCO為進位信號輸出端，ENP和ENT是計數的工作狀態端，CLR為清零端，LOAD櫓檬端，A～D是數據輸入端，QA～QD為輸出端。74LS160是一個十進制的計數器。

應用芯片的異步清零功能，將芯片74LS160N的輸出端的0110（十進制為6）用一個兩輸入的與非門74LS00引到CLR端即可置零，實現六進制計數功能。

3.2.1 六十進制計數顯示模塊

在計數顯示電路模塊中，分和秒的計數控制是一樣的，即六十進制計數功能，電路模塊設計如圖5所示。設計中用兩片十進制計數芯片74LS160N級聯，高位芯片進行六進制計數功能，低位芯片進行十進制計數功能，從而實現計數范圍00-59的計數功能。設計時，將低位芯片的進位輸出CO端接到高位芯片的時鐘脈沖信號輸入端CLK，計數脈沖信號在上升沿到來時計數器開始計數，當計數到59時，再來一個計數脈沖信號，兩芯片都要清零，于是，應用74LS160N的異步清零功能，當高位芯片計數到6（即輸出狀態為0110）時，將輸出狀態通過一個兩輸入與非門引到兩芯片的異步清零端進行復位，從而實現六十進制計數功能。

3.2.2 二十四進制計數顯示模塊

時計數顯示電路模塊也由兩片74LS160N芯片級聯產生，它的計數范圍是00-23，計數時鐘脈沖信號來自分計數顯示電路的高位芯片的進位輸出。該電路模塊的低位芯片計數為4（即輸出狀態為0100），高位芯片計數為2（即輸出狀態為0010）時，將輸出狀態通過一個兩輸入與非門引到兩芯片的異步清零端進行復位，從而實現二十四制計數器功能，電路模塊設計如圖6所示。

3.3 校準電路模塊

數字電子時鐘應具有分校準和時校準功能，因此，應截斷分十位和時十位的直接計數路徑，并增加秒脈沖計時信號與校正信號隨時切換電路。設計校時電路的關鍵，是通過開關按鍵，控制電路中“秒”到“分”、“分”到“時”的進位輸入端的高低電平的變化，從而實現手動校準“分”和“時”。下面以分校準電路為例，如圖7所示。

3.4 整點報時模塊

電路設計在整點前10秒鐘內開始進行整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路發出報時控制信號。當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數器十位的Qc和QA、個位的QD和QA及秒計數器十位的Qc和QA相與，通過8輸入與非門74HC30芯片輸出，從而產生報時控制信號。整點報時的功能要求時，每當數字鐘計時快到整點時發出鬧鈴聲。由原理可知當分鐘計數到一個周期向前進位時，蜂鳴器開始工作，電路模塊設計如圖8所示。

4 仿真結果及分析

將設計好的各電路模塊進行組建，得到如圖2所示的數字電子時鐘仿真電路圖。按下仿真開始鍵，電路進入時鐘計時狀態，通過“Pause Simulation”按鍵，得到以下仿真結果。（見圖9、圖10）

由以上仿真結果可以看出，本文設計的簡易數字電子時鐘能實現時鐘的正常功能，達到設計要求。

5 結束語

本文基于Multisim10仿真軟件，對簡易數字電子時鐘的各電路模塊單元進行了設計，較好地完成了電路功能的設計，并達到了基本設計要求。該電路設計是提升數字電子技術基礎理論知識轉化為實際動手設計能力的一個重要方面，另外，即使在數字電路及其他更多的課程中涉及到的較為復雜的電路設計中，文中較為清晰的設計構架及思路也較強的參考借鑒價值。

參考文獻

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