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1、本科生毕业论文设计电子沙漏系统的设计 独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 年月日授 权 声 明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印
2、或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）： 签名： 年月 日指导教师签名： 年月 日摘 要本文分析了儿童玩具传统沙漏与电子模拟沙漏的不同之处, 并考虑到产品制作成本和人们生活习惯及爱好不同的特点，利用CD4069芯片的工作特点结合三极管的开路特性，研究并设计了一种简单易行，造价低廉的电子玩具。采用模拟电子技术与数字电子技术相结合的产品结构来进行信号模拟，并向CD4015芯片控制器提供时钟脉冲信号。同时系统采用双开关调节的方式进行实物内部组网，易于安装，可以有效地提高数据传输的可调可控性能。关键词：CD4069芯片；时钟脉冲；
3、CD4015芯片ABSTRACTThis paper analyzes the differences of chilirens toys- traditional hourglass and electronic simulation, and takes the cost of products and the different characteristic of peoples living habits and tastes into account. Using the working characteristics of CD4069 chip and combining the
4、 open-circuit characteristics of triode to research and design a simple and low cost electronic toys.Adopting the product structure of the combination of analog eletronics and digital electronics to offer the periodic signal for CD4015 chip controller. At the same time, the system uses the way of du
5、al suitches adjustment to take the real internal network, easy to install and it can promote the adjustability of data transmission.Keywords: CD4069 chip; Clock frequency; CD4015 chip目 录1 绪论11.1 电子沙漏的出现11.2 电子玩具系统的发展现状12 电子沙漏系统的构架22.1 电子沙漏的核心原理与应用22.1.1 CD4015主要功能介绍22.1.2 CD4015芯片的管脚说明32.2 时钟控制技术32.
6、2.1 时钟控制技术简介32.3 亮点换位电路模块42.3.1 亮点换位电路42.3.2 重力控制模块52.4 模块组合62.4.1 模块组合工作过程63 电路整体分析83.1 电路整体分析83.1.1主路工作过程83.1.2 15位移位寄存器工作过程93.1.3 输入数据控制电路93.1.4 输出状态控制电路93.1.5 位置控制电路103.1.6 速度控制电路104 仿真过程114.1 软件及其功能简介114.2 点亮电路仿真过程144.3 时钟电路仿真过程154.4 控制电路仿真过程164.4 系统总电路模拟过程175 结论196 后续研究19参考文献20致 谢211 绪论1.1 电子沙
7、漏的出现随着人们物质生活水平的不断提高，特别是人们对个人精神生活以及生活品味的重视，防盗报警系统已经慢慢深入到人们生活当中。并且随着电子和通信技术的迅猛发展，各种新技术的不断涌现，传统的模拟玩具和一智智力玩具等形式已经难以适应当今社会新形势发展的需求。因此，人们越来越迫切要求采用有效的措施，以满足日益增长的求新。创新要求。1.2 电子玩具系统的发展现状中华人民共和国国家统计局统计，2008年11月1日零时全国总人口为132802万人，居住在城镇的人口58157万人；城镇平均每个家庭户的人口为2.97人，共18844万户。能够拥有电子玩具系统的家庭按5/100计算，年销量为2942万件，年销额为
8、18.4亿。正因如此，近年来电子玩具总销售量都呈现连续攀升的势头，随着人们生活水平的提高，有更多的人选用了电子玩具娱乐，每年的增长幅度都在28以上。尖端科技的发展改变了人们的生活，但有一点可以肯定，人们花太多时间在电脑上，久而久之，副作用就产生了，比如说腕关节内侧综合症，肌肉萎缩以及维他命D缺乏症。而这些症状越来越多地在孩子们身上体现出来。人们希望电脑将会让孩子们掌握科技技能，并鼓励他们不光是整日游手好闲地玩电脑游戏或是在聊天室聊天，而是做更多更有意义的事情。现在玩具要有特色，不仅包括动漫玩具，礼品，饰品，还有个性的创意制作。相比于传统的玩具，电子玩具更具竞争优势和市场发展前景，还抓住了青少年
9、的好奇心，提高了青少年的创新意识。如今，人们已经在新科技产品中找到了科技和娱乐之间的平衡。很多高科技产品就特别受孩子和年轻人欢迎，因为它们适应他们的生活方式、需求，并且教他们怎样与日益增长的电子世界接轨。2 电子沙漏系统的构架本文所设计的系统主要面向青少年设计，本系统由CD4015芯片构成主控部分，对由重力作用产生的信号变化进行检测，并进行一系列的变化。以达到传统沙漏的流动特点。一旦变化信号，就会产生彩灯移位，以便人们观赏。本文所设计的调节功能模块包括：信号变化接收模块、调节模块和时钟模块三个部分。每个功能模块都是独立的模块，拥有自己的调节电路。 2.1 电子沙漏的核心原理与应用沙漏是一种古老
10、的计时工具，也是一种玩具。电子沙漏用电子电路控制的发光二极管表示沙粒，模拟沙漏的运动过程。电子沙漏会像真正的沙漏一样，上部的沙粒(点亮的发光二极管)一粒一粒往下掉，下部的沙粒一粒一粒堆起来。漏完以后，将电子沙漏倒过来，又会重新开始一粒一粒往下漏。 CD4015是双串入并出四位移位寄存器。D为串行数据输入端，CL端每输入一个上升沿时钟时，D端的数据从Q1向Q4传递一位。比如D端输入一个4位的串行数据dcba，第一个时钟上升沿时，Q1=a Q2、Q3、Q4=0 第二个时钟上升沿时，Q1=b Q2=a Q3, Q4=0 第三个时钟上升沿时，Q1=c Q2=b Q3=a Q4=0 第四个时钟上升沿时，
11、Q1=d Q2=c Q3=b Q4=a 这个网址上可以下到CD4015BC的数据表，可以参考一下以下网址http:/ .对于封装形式分SOIC-16和DIP-16两种。2.1.1 CD4015主要功能介绍与CD4069兼容多个CD4069可以组合使用两个CD4015可以组成一个15位移位寄存器数据保留时间：10年全静态工作：高频率1个串口输入端低功耗模式片内振荡器和时钟电路2.1.2 CD4015芯片的管脚说明图2-1 CD4015的管脚结构CD4015结构和工作原理 ：集成电路CD4015,属于CMOS电路，是双4位串入-并出移位寄存器，它的每组都有一个时钟、清除和串入端；加在DS端上的数据
12、在时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。2个相同的，相互独立的4位并行输出/串行输入寄存器组成。每个寄存器分别有时钟和复位输入及一单串行输入，且有各自的“Q”输出。所有寄存器位均为D型主从触发器。加在数据输入端得逻辑电平传送至第一寄存器位，在每一个上沿传送到下一位。复位线上的高电平完成所有位的复位加在数据输入端得逻辑电平传送至第一寄存器位，在每一个上沿传送到下一位。复位线上的高电平完成所有位的复位。2.2 时钟控制技术2.2.1 时钟控制技术简介这里的时钟控制系统主要采用1/3个CD4069芯片相结合的办法，以达到简单的控制作用。CD4069简要说明：CD4069是一个六非门电路,就是在一个集成电路
13、中有六个非门,非门的功能是（反相）即输入0则输出1,输入1则输出0 .图2-2 CD4069的各管脚详解 图2-3 时钟控制电路此为时钟控制电路：两个阻值分别为1M和100K的电阻与1/3个CD4069芯片以及4.7u的电感组成的时钟振荡器。该振荡器的具体功能是：产生一个频率约为1Hz的连续方波，作为移位寄存器的时钟脉冲CP.如想改变振荡频率，可通过改变C1及R18的大小来调节，其中T2RC.2.3 亮点换位电路模块2.3.1 亮点换位电路图2-4 亮点换位电路亮点换位电路是亮点换位的核心。由PNP和NPN型两个三极管组成，具体工作原理是根据三极管的开关特性的要求形成通路的开路，进而实现VD和
14、VD的点亮循环。其中PNP和NPN型三极管分别为9012和9013，R1R15和R1R15为100.晶体管VT1VT15构成15个NPN型射极跟随器，分别控制发光二极管VD1VD15。晶体管VT1VT15构成15个PNP型射极跟随器，分别控制发光二极管VD1VD15。15位移位寄存器的每一位寄存单元的Q输出端，同时接有NPN型（VT）和PNP型（VT）两个射极跟随器。以第一寄存单元为例：当Q=1时，NPN晶体管VT1导通，发光二极管VD1亮；同时PNP晶体管VT截止，发光二极管VD1熄灭。当Q=0时，NPN晶体管VT1截止，VD1灭；PNP晶体管VT1导通，VD1亮。2.3.2 重力控制模块由于电源开关S1、S2同时要控制移位寄存器输入数据D的状态，而D的状态又应与电子沙漏的摆放位置相关，因此S1、S2设计成重力开关，结构如图2-5所示。当电子沙漏的VD发光二极管在上部时，重力开关的位置是S2在上、S1在下，这时，落下的金属球使S1接通，+4.5V电源经VD18提供给电路工作。由于VD17的阻隔作用，+4.5V电源不能到达D端，D=0.当将电子沙漏颠倒过来后(VD发光二极管在上部)，变为S1在上、S2在下，这时，落下的金属球使S2接通，+4.5V电源经VD17提供给电路工作，同时经V
