西华大学数字钟课程设计.doc

成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电子技术课程设计题 目：数字钟学 院：学 生 姓 名：专 业：学 号：指 导 教 师：日期：2015年 7 月 10 日西华大学课程设计说明书数字钟摘 要：本设计是设计一个数字钟，要求能准时以星期、时、分、秒显示时间，其中星期是 7 进制，小时是 24 进制，分和秒都是 60 进制，该数字电子钟还应具有校时功能，以便当数字钟接通电源或出现计时误差时，能对时间进行校准。同时还应整点报时的功能，在整点到来前十秒能以每间隔一秒时间的规律发出声响，以最后一声声响结束时刻为整点时刻。该电路具有秒脉冲发生模块、计数模块、译码模块、显示模块、校时模块、整点报时模块，其中秒脉冲发生模块由 555 多谐振荡器经分频电路产生 1Hz 的标准脉冲，其他模块由一些基本的集成芯片和逻辑门构成。该电路的设计与我们所学的知识紧密结合，让我们更加理解各种器件的功能与结构。关键词： 数字钟，555 多谐振荡器，集成芯片Abstract： This design is to design a digital clock, time-to-week, hour,minute, and seconds to display time, which is a 7-week, 24 hours, minutes andseconds-is 60 m, the digital clock with time correction should also be functionalin order to power up when a digital clock or timer error, on time for calibration.At the same time should also be the whole point of the function, the whole pointof arrival of the first ten seconds to 4 subwoofer 1 treble order interval beepa second to the last sound treble end time for the whole point of the moment.The circuit has a second pulse module, counting module, decoding module, displaymodules, correction module, the whole point of timekeeping module, which occurred in the second pulse modules from 555 multivibrator standard pulsegenerated 1Hz, other modules from some basic integrated circuits and logic gates.The circuit design and our knowledge, let us a better understanding of the variousfunctions and structure of the device.Keywords：Digital clock，555 multivibrator，integrated circuits目 录1 前言11.1 设计背景11.2 设计目标11.3 实施计划21.4 必备条件22 总体方案设计32.1 方案比较32.1.1 方案一32.1.2 方案二42.2 方案论证52.3 方案选择53 单元模块设计63.1 各单元模块功能介绍及电路设计63.1.1 秒脉冲模块设计63.1.2 整点报时模块设计73.1.3 显示模块设计83.1.4 校时计数模块设计93.2 特殊器件的介绍103.2.1 NE555器件介绍103.2.2 74LS160介绍123.1.3 74LS48介绍134 系统调试15 4.1 调试环境15 4.2 硬件调试16 4.2.1 秒脉冲模块仿真调试16 4.2.2校时模块仿真175 系统功能、指标参数19 5.1 系统能实现的功能19 5.2 系统指标参数测试19 5.3 系统功能及指标参数分析196 结论207 总结与体会218 辞谢229 参考文献23 附录24 附录一24 附录二25III1 前言数字钟是采用数字电路实现对星期、时、分、秒数字显示的计时装置，以其的直观性、走时准确稳定而受到人们的欢迎，广泛用于个人家庭、车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便，已成为人们日常生活中不可少的必需品。 由于数字集成电路的发展和石英晶体与 555 多谐振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、通断动力设备、以及各种定时电器的自动启用等，所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.1 设计背景随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域占有不可或缺的核心地位。在我国现代化建设的发展进程中，数字电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。鉴于数字电子钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我将已学过的比较零散的数字电子技术的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我的综合分析和设计电路的能力。电路主要采用中规模 CMOS 集成电路.本系统的设计电路由脉冲逻辑电路模块、时钟脉冲模块、电源模块、时钟译码显示电路模块、整点报时模块、校时模块、星期模块等几部分组成。所用器件全是一些基本的集成芯片和逻辑门以及由 555 多谐振荡器构成的秒脉冲发生器。1.2 设计目标本次设计以数字电子为主，实现对时、分、秒、星期数字显示的计时装置，周期为24 小时，显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒，并具有校时功能和整点报时功能的数字电子钟。(1)设计一个 555 多谐振荡器经分频电路产生标准的秒脉冲发生器；(2)能准确显示时间，分和秒为 00-59 六十进制，时为 00-23 二十四进制，周为 1-7七进制；(3) 当数字钟接通电源或出现计时误差时，能对电路进行校准；(4) 能在整点到来前，按照每隔一秒间断的规律发出声响，以最后一声声响结束时刻为整点时刻。1.3 实施计划（1）根据所选课题，结合所学知识，查阅资料，画出基本的设计电路图；（2）根据原理图分析各单元电路的功能，熟悉自己所需的各个器件的功能；（3） 在 Proteus 软件所设计的电路图，并进行仿真和调试直到电路能达到规定的 设计要求；（4）写出完整、详细的课程设计报告。1.4 必备条件（1） 集成器件：NE555 1 片，74LS48 7 片，74LS160 10 片；（2） 逻辑门： 74LS132 1 片， 7408 2片，7432 1片， 74LS21 1片，74LS10 1片；（3） 其他器件:七段显示器 7 片，自锁开关4个，微动开关3个，电源，电阻，电容，有源蜂鸣器等；（4） 软件：Proteus7.5、SmartDraw7，Protel 99SE。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1 方案比较对于同一种目的的实现，我们可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对本设计的实现方法，并比较两种方案的优劣。2.1.1 方案一方案一原理框图如图2-1所示。多谐振荡器分频电路分校时器时校时器周校时器秒计数器分计数器时计数器周计数器秒译码器分译码器时译码器周译码器整点报时秒显示器分显示器时显示器周显示器图2-1 方案一的原理框图方案一：首先构成一个 NE555 定时器构成多谐振荡器产生震荡周期为 1KHz 的脉冲，由 74LS160 采用反馈清零法分别组成六十进制的秒计数器、六十进制的分计数器、二十四进制的时计数器，用反馈置数发构成七进制周计数器。分频器为由 3 个十进制计数器74LS160 组成，它们把 1KHz 的信号分成 100Hz、10Hz、1Hz。其中 1Hz 信号作为秒计数器的 CP 脉冲，把秒计数器的进位端输出作为分计数器的 CP 脉冲，分计数器的进位端输出作为时计数器的 CP 脉冲。接下来使用 74LS48 译码器作为驱动器去驱动七段显示管 7SEG-COM-CATHODE, 10Hz信号接校时电路，100Hz 和 1KHz 接整点报时电路。2.1.2 方案二方案二原理框图如图22所示。晶体振荡器分频电路分校时器时校时器周校时器秒计数器分计数器时计数器周计数器秒译码器分译码器时译码器周译码器整点报时秒显示器分显示器时显示器周显示器图2-2 方案二的原理框图2.2 方案论证两种方案都可行，方案一中直接用十进制计数器 74LS160,而方案二中是采用十六进制计数器 74HC161，要把它先用反馈置数发或者反馈清零法转化为十进制计数器。在产生秒脉冲信号时，方案一直接用 555 多谐振荡器经分频电路产生震荡周期为 1 秒的基准信号，方案二是采用石英晶体振荡，再经过分频得到基准信号虽然方案二中的较为精确，但调试准确很难，而且在分频时有可能产生 CPU 加载过度，无法正确仿真。方案一只要认真调试使它产生震荡周期为 1 秒的基准信号，也能满足设计需求。综上，方案一与方案二都可以作为本设计的选择。2.3 方案选择方案一与方案二各有各的优点，但由于我们刚学习了一些基本器件，如 555 多谐振荡器、74LS48、74LS160、逻辑门等，而晶振对于我们初学者较为陌生，再考虑各方面因素，故本设计选择方案一进行实施。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为六个单元模块，它们分别是，秒脉冲发生模块、计数模块、译码模块、显示模块、校时模块、整点报时模块，各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 秒脉冲模块设计由于要使数字钟能比较准确的计时，就必须为电路提供一个标准为 1Hz 的基准信号。要为电路提供一个标准为 1Hz 的基准信号，可以采用 555 多谐振荡器或者石英晶体，考虑到石英晶体的频率难以调整，综合各方面因素，本设计采用 555 多谐振荡器经分频电路产生标准为 1Hz 的基准信号。555 多谐振荡器主要由 NE555 和电阻、电容等构成。图3-1 所示为由 555 多谐振荡器和分频电路组成的信号发生器。图 3-1 由 555 多谐振荡器和分频电路组成的信号发生器由于 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用 555 定时器组成的多谐振荡器的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。接通电源后，电容C1被充电，当Vc上升到时，使V0为低电平，同时放点三极管T导通，此时电容C1通过R3和T放点，Vc下降。当Vc下降到时，V0翻转为高电平。电容C1放电所需要的时间。当放电结束时，T 截止，Vcc将通过R3、R4向电容C1充电，Vc由上升到所需要的时间为，当Vc上升到时，电路又翻转为低电平。于是，在电路的输出端就得到了一个震荡频率为的周期性的矩形波。综合各方面因素考虑，在本设计中我们取R3=6.8K，R4=1K，C1=0.01uf，这样把它们的值代入中，我们可以得到,然后再经由三个十进制计数器74LS160组成的分频器将1KHZ的信号分成100HZ、10HZ、1HZ，其中1HZ信号作为秒计数器的CP脉冲，产生了为电路提供基准信号的脉冲。3.1.2 整点报时模块设计为了使我们能知道整点时刻的到来，本电路设计，能在整点到来前，按照没间隔一秒的规律发出声响，以最后一声声响结束时刻为整点时刻。假设5次声响分别发生在 59 分 51 秒、53 秒 55 秒、 57 秒以及59秒，它们的声响持续时间均为 1 秒钟。据此，列出秒个位计数器的状态与声响状态的表格如表 3-1 所示。整点报时模块设如图 3-2 所示。图 3-2 整点报时模块其中U21A的1、2、4端口分别接秒十位计数器的Q0、Q2和秒个位计数器的Q0，U21B的9、10、12、13端口分别连接分十位计数器的Q0、Q2和分个位计数器的Q0、Q3。有源蜂鸣器的工作环境则是直接加上一个高电平给它的正极接口即可，所以我们用一个NPN型的三极管作为电流放大器，来驱动蜂鸣器工作。表 3-1 秒个位计数器的状态表CP(秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功能510001鸣声520010停530011鸣声540100停550101鸣声560110停570111鸣声581000停591001鸣声000000停通过上表可以得出以下结论：预设报警时间为51、53、55、57、59秒的时候，在此时间时Q0S1=1，所以可以将此信号输入与逻辑电路中，作为比较参数。只有当分个位为9，分十位为5，秒十位为5，秒个位输入进逻辑电路的信号为1时，才启动整点报时模块。3.1.3 显示模块设计显示器在为我们仿真时，能非常直观地给我们显示结果，所以显示部分的正确设计也是十分重要的。本设计中采用的时共阴极的译码器 74LS48（CD4511），所以七段显示器也要选择共阴极的。图 3-3 显示模块电路设计图 3-4 七段显示数码管的内部引线排列图3.1.4 校时计数模块设计 校时模块电路设计如图 3-5 所示。图 3-5 校时模块电路图中 U19D 的 13 端接由分频器分出的 10Hz 信号，U19C 的 9 端接低位的进位信号，U18B的 6端接高位的脉冲输入端。当数字钟接通电源或出现计时误差时，需要进行校时时，按下U19C10端口接的微动开关，就能把 10Hz 的信号送入高位的脉冲输入端，实现校时功能。计数器模块电路设计如图 3-6 所示图 3-6 计数器模块电路计数模块采用的时十进制计数器 74LS160，要使计数器正常工作，首先要满足一些基本条件，如接地、接电源等。要能显示时间，还要反馈清零法把秒和分部分改为六十进制，小时部分改为二十四进制，用反馈置数法把周计时改为七进制。下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。3.2 特殊器件的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件;NE555、74LS48、74LS160、七段显示器、逻辑门。表 3-2 本设计中主要器件的参数参数数量参数数量NE555174LS21174LS48774LS10174LS16010电阻1K、6.8K各一个74LS1321电容0.01uf两个74082共阴数码管774321下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.2.1 NE555器件介绍NE555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。555 定时器提供两个基准电压和。555定时器内部结构如图3-7 所示。图 3-7 555 定时器的内部电路结构555 定时器的功能主要由两个比较器决定。 两个比较器的输出电压控制 SR 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为，C2的同相输入端的电压为。若触发输入端TR的电压小于，则比较器C2的输出为 1，可使 SR 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于，同时 TR 端的电压大于，则C1的输出为 1，C2 的输出为 0，可将 SR触发器置 0，使输出为低电平。555 定时器的功能表见表 3-3。表 3-3 555 的功能表输入输出阀值输入触发输入复位（）输出放电管TXX00导通10导通1不变不变555 定时器的管脚如图 3-8 所示。图 3-8 555 定时器的管脚图3.2.2 74LS160介绍74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器。74LS160 是可预置的十进制同步计数器(异步清除),74LS160 的清除端是异步的,当清除端 MR 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，即可完成清除功能。74LS160 的预置是同步的，当置入控制器 PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端与数据输入端一致。对于 74LS160，当 CP 由低电平至高电平或跳变前，如果计数控制端 CEP、CET 为高电平，则 PE 应避免由低电平向高电平的跳变。为了让其正常工作，应先把 CEP、CET、PE、MR 端接入正确的高低电平。十进制计数器 74LS160 的管脚如图 3-9 所示。图 3-9 74LS160 管脚图3.2.3 74LS48 介绍共阴极译码器 74LS48 是一个 BCD 码七段译码驱动器，与它同类型的还有共阴极的CD4511,译码器 74LS48 管脚图如图 3-10 所示。图 3-10 74LS48 管脚图其中 A、B、C、D 为输入端，a、b、c、d、e、f、g 为译码输出端，输出高电平有效，用来驱动共阴极数码管。测灯输入 LT（Lamp Test Input):指 3 脚为低电平时，芯片输出全为高电平，接到数码管上，数码管的各段发光二极管都亮，说明数码管是好的，若有一段以上发光二极管不亮，说明数码管已坏。如果 3 脚为高低平，则断开测试功能。用术语讲，就是 3 脚对低电平有效。数码管正常工作时，LT=1。消隐输入/灭零输出 BI/RBO（Blanking Input/Ripple Blanking Output），4 脚对低电平有效， 即 4 脚为低电平时， 芯片执行该功能，BI/RBO=1 时， 数码管正常工作。 BI/RBO消隐的特点是， 当 BI/RBO=0 时，不管输入端为何值，输出端都为低电平， 数码管不发光，这样做是为了降低显示系统的功耗，BI/RBO 是级别最高的控制端。灭零输入 RBI(Ripple Blanking Input):5 脚对低电平有效，当 RBI=0，若输入端全为零时，输出端也全为零，数码管不显示 0 字符，但其余的数字正常显示。当 RBI=1 时，数码管正常工作。这种设计是为了多位数显示时，要去掉低位数的零（如小数点后的零是这种情形之一）。表 3-4 74LS48 功能表十进制数或功能输入BI/RBO输出LTRBID C B Aabcdefg0HH0000H11111101HX0001H01100002HX0010H11011013HX0011H11110014HX0100H01100115HX0101H10111116HX0110H00111117HX0111H11100008HX1000H11111119HX1001H111001110HX1010H000110111HX1011H001100112HX1100H010001113HX1101H100101114HX1110H000111115HX1111H0000000BIXXXXXXL0000000RBIHL0000L0000000LTLXXXXXH11111114 系统调试 本次电路设计主要对秒脉冲发生器模块、校时模块、显示模块和整点报时模块进行了仿真和调试,达到了预期设计功能。4.1 调试环境 Proteus 软件是英国 Labcenter Electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的EDA 工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到 PCB 设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台, 其处理器模型支持 8051、 HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等,2010 年增加了 Cortex和 DSP 系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支IAR、Keil和 MPLAB 等多种编译器。Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件(例:Multisim)的功能。这些功能是: (1)原理布图; (2)PCB 自动或人工布线; (3)SPICE 电路仿真。此外,Proteus 软件还具有两条革命性的特点: (1)互动的电路仿真; (2)仿真处理器及其外围电路。Proteus 软件具有 4 大功能模块:(1)智能原理图设计(ISIS);(2)完善的电路仿真功能(Prospice); (3)独特的单片机协同仿真功能(VSM) ; (4)实用的 PCB 设计平台。Proteus 软件还提供了丰富的仿真元器件资源和仿真仪表资源, Proteus 提供了比较丰富的测试信号（模拟信号和数字信号）用于电路的测试。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。 由于 Proteus 软件提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性，提供了实验室在数量和质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。实践证明，在使用 Proteus 软件进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。4.2 硬件调试 先将实物焊接完成，然后再给数字钟上电，然后很据不同问题逐步检查相应的问题。4.2.1 秒脉冲模块仿真调试 秒脉冲能否为电路提供标准为 1Hz 的基准信号，决定本设计的数字钟能否准确的计时，所以对秒脉冲发生模块进行仔细调试十分必要。首先在 Proteus7.5 中打开设计好的仿真图，接好示波器，可以看到仿真电路如图4-1 所示。图 4-1 开始仿真时秒脉冲的界面打开示波器可以看到图 4-2 所示的结果图 4-2 产生秒脉冲的波形仿真结果通过对秒脉冲进行仿真，能产生本设计所需的基准信号。4.2.2 校时模块仿真 当数字钟接通电源或出现计时误差，能对电路进行校准。打开仿真电路，并开始仿真。当出现计时误差时，如图 4-3 所示。图 4-3 开始仿真前的计时这时需要对电路进行校时，如图 4-4 所示，按下上面一排的微动开关，进行调时。图 4-4 仿真是按下微动开关开关校时这时校时校时模块电路会向高位输入一个脉冲，显示结果变为了图 4-5 所示图 4-5 校时后的电路显示结果通过仿真，可以看出本设计准确地对电路进行时间校准。5 系统功能、指标参数 本节主要介绍5.1 系统能实现的功能 本设计是设计一个数字钟，要求能准时以星期、时、分、秒显示时间，其中星期是 7 进制，小时是 24 进制，分和秒都是 60 进制，该数字电子钟还应具有校时功能，以便当数字钟接通电源或出现计时误差时，能对时间进行校准。同时还应整点报时的功能，在整点到来前十秒能以每间隔一秒时间的规律发出声响，以最后一声声响结束时刻为整点时刻。5.2 系统指标参数测 本设计的核心在于NE555产生的振荡频率，所以，此次课程设计主要测试的指标参数则是NE555组成的多谐振荡电路是否产生了1KHz标准振荡频率，通过公式可以计算出产生的振荡频率。但是在实际电路中，产生1KHz的振荡频率，再通过分频过后，并不能获得标准的秒脉冲，进而产生一秒的标准时间。通过与实际一秒时间做对比，得到了与实际非常相近的秒脉冲振荡频率。表5-1为测试过程中产生的振荡频率与实际时间的比较。测试次数R4R3C1秒脉冲计算值与实际一秒比较143K50K10Pf1Hz1s21K6.8K0.1uf10Hz1s31K1K0.01uf71Hz1s表5-1 参数测试表5.3 系统功能及指标参数分析NE555多谐振荡电路主要用于产生1Hz标准秒脉冲，使数字钟能够精准的工作。但是，通过一系列的测试，发现计算值与实际值差别很大，查阅资料后知道，555频率由电阻R和电容C决定,电阻R的精度一般较高（1%不算高精度）,电容C的精度很低（5%就很难得了）。所以在做实物时，需要根据实际情况来配置电阻电容的值。6 结论 （1）在使用protues仿真软件时，由于软件自身的不足，仿真过程中仍然存在误差，protues仿真软件只适用于低频率的仿真，在频率过高的时候，则会失去真实性，会产生错误的结果。（2） 本设计由 555 多谐振荡器产生频率为 1Hz 的信号作为秒脉冲信号，分和秒为 00-59六十进制，小时为 00-23 二十四进制，周为 1-7 七进制，能准确显示时间，当数字钟接通电源或出现计时误差时，能对电路进行校准，能在整点到来前，按照每间隔一秒的规律从第51秒开始产生报警蜂鸣，以第五次蜂鸣结束时刻为整点时刻。（3） 本设计在使用原件上有些过于复杂，在制作实物时会有很多麻烦，特别是焊接过程中，很容易出现由于一时大意而焊错与忘记接线的情况，特别应该注意各个数字芯片的功能引脚，如果出错，会导致上电后芯片被烧毁的情况。（4） 要注意各个元