数字电路设计实例

武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书

图1 数字式电子锁原理框图 课程设计任务书

学生姓名： 张浩然 专业班级： 通信1105班

指导教师： 李政颖 工作单位： 信息工程学院

题 目: 数字式电子锁的设计与实现

初始条件：

本设计既可以使用集成电路和必要的元器件等，也可以使用单片机系统构建数字密码电子锁。自行设计所需工作电源。电路组成原理框图如图1，数字密码锁的实际锁体一般由电磁线圈、锁栓、弹簧和锁柜构成。当线圈有电流时，产生磁力，吸动锁栓，即可开锁。反之则不开锁。

要求完成的主要任务:

1、课程设计工作量：1周。

2、技术要求：

1）课程设计中，锁体用LED代替（如“绿灯亮”表示开锁，“红灯亮”表示闭锁）。

2）其密码为4位二进制代码，密码可以通过密码设定电路自行设定。

3）开锁指令为串行输入码，当开锁密码与存储密码一致时，锁被打开。当开锁密码与存储密码不一致时，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路则报警并实现自锁。（报警动作为响1分钟，停10秒）

4）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。安装调试设计电路。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1、2013年5月17日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、 年 月 日至 年 月 日，方案选择和电路设计。

3、 年 月 日至 年 月 日，电路调试和设计说明书撰写。

4、 2013年 7月 5日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

数字电路的组成和设计

摘要:数字逻辑器件已从20世纪60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路(MSI、LSI)及超大规模集成电路(VLSI)。那么,逻辑器件的变化也会影响整个数字逻辑电路的发展。

关键词:数字电路 数字电路设计 组合逻辑电路 时序逻辑电路

引言

21世纪是信息化时代、数字化时代。数字地球、数字化生存等概念已经被人们耳熟能详,今天的人们已经越来越多的与数字联系在一起,从个人的身份证号,手机号到IP地址、QQ号、信用卡密码等无不打上数字的烙印,数字已经不完全是1、2、3了,他已经用数字标记和管理的社会。今后,我们的生活可能就是用数字代码来管理的,复杂的信息资料将用简单的数字代替,所有这一切的基础就是我们的各类生产、生活、学习资料都必须转化一系列的数字,承担这一任务的就是以数字电路为基础的数据采集、分析和处理系统,该文章就是从数字信号的基本概念入手来认识我们的生活密切相关的数字电路。近年来,随着科学技术的飞速发展,数字电路课程从体系结构到内容组成均进行了较大力度的改革。近年,科学技术的不断进步带动许多行业发生了翻天覆地的变化,电子信息行业走在了科学发展的前列,表现尤为突出的是数字电子技术,科学进步的浪潮中它迅速前进,已成为当前发展最快的学科之一,数字逻辑器件已从20世纪60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路(MSI、LSI)及超大规模集成电路(VLSI)。那么,逻辑器件的变化也会影响整个数字逻辑电路的发展。

1 数字逻辑电路的基本定律

逻辑代数是英国数学家乔治.布尔(Geroge.Boole)于1847年首先进行系统论述的,也称布尔代数。所研究的是两值变量的运算规律,即0,1表示两种不同的逻辑状态,称这种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系为二值逻辑。在逻辑代数中我们最先了解的就是进制的转换,计算机系统中一般二进制、八进制、十进制、十六进制是了解最多的,转换这些进制也是最容易的,掌握其中的计算方法就能得到。数字电路的设计在生活中使用非常广泛,但是怎样设计出符合要求的电路,这就是一门技术活了。因此理解数字电路设计,重点在基本概念和基本方法上。数字设计中逻辑代数基本定律、组合逻辑和时序逻辑的概念是分析和设计数字系统的基础,也是设计大规模集成芯片的基础,所以我们在说数字电路设计之前就要先了解逻辑代数的基本知识定律。

多功能数字钟电路设计

一 功能要求

1 基本功能：

⑴ 准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；

⑵ 小时的计时要求为24进位，分和秒的计时要求为60进位；

⑶ 校正时间，时、分快校（1HZ）。

2 扩展功能：

⑴ 定时报，时间自定，闹1分钟（1KHZ）；

⑵ 仿广播电台正点报时；

⑶ 报整点时数；

二 主体电路设计

数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。其组成框图如下：

显示器及译码器部分为板载，因此只需要设计计数器，校时电路和扩展电路。

1. 小时计数器

时计数器是一个24进制计数器，其计数规律为00—01—…—22—23—00…即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒。

原理图如下：

使用了两片74LS161（4位二进制同步加法计数器）来实现小时计数，即模24的计数器。HOUR[0]~HOUR[3]为小时个位，HOUR[4]~HOUR[7]为小时十位。

2. 分秒计数器

分和秒计数器都是模60的计数器。其计数规律为00—01—…—58—59—00… 其原理图如下：

秒计数器与上图相同，图略。

分别使用了两片74LS161来实现分和秒的计数，均为。其中MIN[0]~MIN[3]为分个位，MIN[4]~MIN[7]为分时位，SEC[0]~SEC[3]为秒个位，SEC[4]~SEC[7]为秒时位。

3. 校时电路

当数字钟接通电源或者计数出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字中应具备的基本功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校时。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；再分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是，通过开关控制，使计数器对１Hz的校时脉冲计数。“慢校时”使用手动产生单脉冲作校时脉冲。本实验只要求实现“快校时”。其原理图如下：

数字电路课程设计-数字式定时开关设计

本设计旨在设计一个数字式定时开关，即可设置时间后自动控制开关的开/关状态。该设计采用120V AC电源。整个系统的核心是AT89C51微控制器。在控制电路中，用户可以设置开关的启动时间和关闭时间。在此设计中，我们使用了倒计时计数器，可以使开关在设定时间到达时自动关闭或打开。 以下是数字电路课程设计-数字式定时开关设计的详细说明：

材料清单：

1. AT89C51微控制器

2. 16位数码管显示模块

3. 蜂鸣器

4. LED灯

5. 继电器

6. 按钮开关

7. 电源电线

8. 杜邦线

9. 电阻和电容

电路设计：

图-1：数字式定时开关电路图

如上图所示，整个电路由AT89C51微控制器，计数器，16位数码管，继电器，蜂鸣器，LED灯和按钮开关组成。整个电路的供电电压为120V AC。

MCU输入为120V交流电源电压，为保证MCU安全，采用了稳流二极管电路降压至5V，在MCU和计数器外部电路中采用了电阻器和电容器滤波处理。

在该电路中，16位数码管用于显示倒数计时器的时间。数码管显示模块使用计时寄存器来设置显示时间和更改时间。倒计时计数器由74LS192芯片实现。继电器用于控制电源的开关。按键用于启动和停止计数器以触发继电器开关的动作。

操作：

1. 设置时间：按下时间设置按钮，数码管显示时间设置，你可以更改时间，包括小时和分钟，用按键切换需要更改的位。设置完成后，按时间设置按钮再次退出时间设置模式。

2. 开始计时：按下开始/停止按钮，计时器开始倒计时，同时继电器也开始工作。

3. 关闭计时器：当计时器到达指定时间后，它将停止计数并触发继电器打开/关闭开关。此时，LED灯将发出信号。

总结：

数字式定时开关是一种非常实用的电路设计，它可以自动打开/关闭设备，而无需实时操作。此设计通过采用AT89C51微控制器和倒计时计数器等组件，实现了大量自动控制电路的功能。设计过程中，需要注意安全问题，保证电路稳定运行，同时合理设计各个模块，并进行联合测试验收。