数字钟设计说明书1

1、 电子技术综合训练设计报告项目名称：多功能数字钟设计与制作班 级 ： 自动化2班学 号 ： 13220217姓 名 ： 郭琦指导教师：李晓英I 摘要这次课程设计我的题目是多功能电子钟的设计与制作，为了实现电子钟的功能我们选用了石英晶体振荡器、24进制计时器、60进制计数器、显示器、译码器、TTL门电路组成的校时电路。实现了秒脉冲发生电路；电子钟的时、分、秒显示与进位；校时电路。选用74LS160计时，CD4511译码，LED数码显示管显示，74LS00、74LS08、74LS32、74LS04实现校时，晶振发生2HZ脉冲。关键字：数字钟 显示 校时 译码 II目录摘要··&

2、#183;····························II第一章 设计任务和要求···················

3、····1 1.1设计任务···························1 1.2设计要求················

4、···········1第二章 系统设计··························2 2.1系统设计方案·········

5、3;···············2 2.2系统构思及其工作原理·····················2第3章 元器件的选择·········&#

6、183;··············3 3.1 CD4511显示译码器······················3 3.2晶体振荡器·········

7、;·················6 3.3 74LS160十进制计数器·····················8 3.4 74HC04六反相器······

8、··················9 3.5 74LS20P 2-4输入与非门·····················10 3.6 74HC08 4-2输入与门····

9、;··················12 3.7 74HC00 4-2与非门·······················13第4章 单元电路设计···

10、83;····················15 4.1“时”、“分”、“秒”发生电路················15 4.2“分”、“秒”之间显示“：”电路······&#

11、183;·········18 4.3译码、显示、计数电路······················19 4.4 手动校时电路·············

12、83;···········20 4.5 整点报时电路·························21第5章 稳压电源的设计·········&

13、#183;···············22 5.1设计所需器材和工具·······················22 5.2设计内容及步骤······

14、83;··················22第6章 电路的安装、调试与测试····················25 6.1电路的安装、调试与测试······

15、;···············25 6.2调试过程中出现问题级解决方法 ·················25第7章 总结与心得体会············&

16、#183;···········27 7.1 数字钟在生活中的应用······················27 总结············

17、83;·················31参考文献·······························32附

18、录································33IV第一章 设计任务和要求1.1设计任务 设计一个多功能电子钟1.2设计基本要求 （1）数字形式显示时 、分 、秒，在分和秒之间显示“：”，并按1次/秒的速度闪烁； （2）以24小时为一个计时周期；（3）有校时

19、功能，能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正；（4）整点时刻通过扬声器给出提示（发挥部分）；（5）按照以上技术要求设计电路，使其具备所要求的逻辑功能。对设计的电路用Multisim进行必要的仿真、计算参数、安装 、调试电路、绘制电路图；第二章 系统设计2.1系统设计方案拿到课题后，我们首先将数字电子技术中有关本次设计的内容复习了一遍，比如七段译码显示器、计数器、振荡器等等。然后根据设计要求，我去图书馆查阅了相关的资料，对整体框架做了一个初步的了解。做完准备工作后就正式开始设计、仿真及绘图。先将秒、分和时分别设计出来，再进行整体排版、连接。2.2系统构思及其工作原理这次设计让我熟练掌握了课本上的一

20、些理论知识。我选用的是74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器及一些必要的与门、或门、非门等器件，我使用的振荡器是由555定时器与RC组成的，用来得到1Hz脉冲。数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24小时计数器，我用74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器和振荡器作为时计数器、分计数器、秒计数器发生电路的元器件，同时由七段数码管显示。为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的 ，设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”“分”“秒”计数器进行校时操作。 第三章 元器件的选择3.1 CD4511显示译码器 （1）CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码

21、管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下： 具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 CD4511引脚图： 图31CD4511引脚图其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。        LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

22、60;       LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。        A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。        a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。CD4511具有锁存、译码、消隐功

23、能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示     a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。（2）CD4511的工作原理译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（3） 译码CD4511译

24、码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（4）消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。消隐输出J的电平为J= =（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。8421 BCD 码对应的显示见下图 ： 图33 LED显示图 图34消隐控制电路图输      &#

25、160;  入输         出 LE BI LI D C B A a b cde f g显示 X X 0 X X X X 1 1 111 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 000 0 0消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 111 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 100 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 011 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 110 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 100 1 1 4 0 1 1 0 1

26、 0 1 1 0 110 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 111 1 1 6 011011 1 1 1 100 0 0 7 011100 0 1 1 111 1 1 8 011100 1 1 1 100 1 1 9 011101 0 0 0 000 0 0消隐 011101 1 0 0 000 0 0消隐 011110 0 0 0 000 0 0消隐 011110 1 0 0 0 0 0 0 0消隐 011111 0 0 0 0 0 0 0 0消隐 011111 1 0 0 0 0 0 0 0消隐111XXX X锁     &#

27、160;  存锁存表3-5 CD 4511的真值表3.2 石英振动器简称 晶振，它是利用具有电压效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振取代LC（线圈和电容）谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，因此秒脉冲用石英晶体多谐振荡器产生。 秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定性决定了数字钟的质量，由振荡器与分频器组合产生脉冲信号。 振荡器：利用石英晶体与RC构成的多谐振荡器

28、，经过CD4060、74LS74获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下振荡电路原理图振荡电路Multisim仿真波形3.3 74LS160十进制计数器 74LS160 芯片同步十进制计数器（直接清零） ·用于快速计数的内部超前进位 ·用于n 位级联的进位输出 ·同步可编程序 ·有置数控制线 ·二极管箝位输入 ·直接清零 ·同步计数 本电路是由4 个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加

29、选通所组成。有选通的零复位和置9输入。为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。LS90可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A输入端，并把输入计数脉冲加到B输入端，在QA输出端处产生对称的十分频方波。引脚功能表：图39 引脚功能表开关选择方式真值表： *SR PE CET CEP工作模式 0 x x x 清零 1 0 x x 置数 1 1 1 1 计数 1 1 0 x 保持 1 1 x 0 保持图310 开关选择方式真值表引脚图： 图311 引脚图逻辑图： 图312

30、逻辑图3.4 74HC04六反相器引脚功能表： 图313 引脚功能表真值表： 输入 输出 A Y 0 1 1 0 图314 真值表使用要求：电源电压 -0.5 to +7.0V  直流输入电压 -1.5 to Vcc+1.5V  直流输出电压 -0.5 to Vcc+0.5V  钳位二极管电流 ±20mA  直流输出电流每个引脚（输出） ±25mA  功耗 

31、600mW 3.5 74LS20P 2-4输入与非门实物图：图315 实物图功能引脚图： 图316 引脚图 真值表：输入输出A B C DY0 0 0 010 0 0 110 0 1 010 0 1 110 1 0 010 1 0 110 1 1 010 1 1 111 0 0 011 0 0 1 11 0 1 011 0 1 111 1 0 011 1 0 111 1 1 011 1 1 10 图317 真值表3.6 74HC08 4-2输入与门42输入与门简要说明：74HC08为四组2输入端与门引出端符号1A-4A 输入端1B-4B 输入端1Y-4Y 输出端74HC08引脚图：

32、图318 引脚图74HC08功能表：Y=AB 输入 输出ABY000010100111 图320 真值表极限值： 电源电压7v 输入电压5.5v A-B间电压5.5v 输出截止电压7v 工作环境（070摄氏度） 存储温度（65150摄氏度）3.7 74HC00 4-2与非门二输入端四与非门74HC00引脚图及功能表： 图321 引脚图真值表：ABY001011101110 图322 真值表极限值：电源电压：-0.5+7v直流输入电压：-0.5+7.5v直流输出电压：-0.5+7.5v直流输出电流：+-25mA功耗：0.5W储藏温度：-65+150摄氏度焊接温度：300摄氏度第四章 单元电路设计

33、4.1“时”、“分”、“秒”发生电路 4.1.1“秒”实现电路设计 “秒”脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生标准频率信号经过整形、分频获得1Hz的“秒”脉冲。但由于实验器材条件受限，本实验只得采用555多谐振荡器获得1Hz的脉冲输出，电路图如图4-1所示。 图41 “秒”脉冲发生器4.1.2 “分”实现电路设计“分”计数器同秒计数器一样为M=60的计数器，即显示0059，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。与“秒”实现电

34、路一样用两片74LS160芯片实现，个位为十进制，十位为六进制。当秒计数器十位计数至0110时清零，达到0000时产生下降沿脉冲送入分计数器的个位开始计数。当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。十位计数至0110时继续清零。4.1.3 “时”实现电路设计 “时”为二十四进制计数器，显示为0023，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。时计数进位类似于分和秒。都用74LS160芯片实现，译码器都使用CD4511。4.2“分”、“秒”之间显示“：”电路 “分”、“秒”之间“：”的显示，它的显示频率与秒显示一致，采用555多谐振荡器获得1H

35、z的脉冲输出。电路图如图42所示。 图42“：”的显示4.3译码、显示、计数电路 图43 译码、显示、计数电路图计数模块采用74LS160十进制计数器做“秒”脉冲计数；译码显示模块采用4511BD做译码，共阴极七段数码管做显示。4.4手动校时电路图44 手动校时电路校时模块采用手动校时方式，“时”、“分”、“秒”均可校正。4.5整点报时电路 图45 整点报时电路整点报时模块通过利用分钟进位的跳变信号，给由555定时器构成的单稳态触发电路触发信号控制。第五章 稳压电源的设计 本次设计的数字钟由于要用到+5v的直流稳压电源，所以首先要设计一个直流稳压电源。直流稳压电源的功能要求：输入220v交流电

36、压，输出+5v直流电压，且输出电压稳定，能够使数字钟正常运行。5.1设计所需器材和工具 表51元件名称元件型号元件数量元件封装元件说明变压器220v/9v110w左右降压变压器电解电容100uF2耐压极性电容器电阻2K116v/25v电阻集成稳压器7501AXIAL0.4集成稳压器整流桥堆210w1三端整流5.2设计内容及步骤 直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V

37、交流电，变为稳定的直流电，并实现+5V电压稳定输出。 （1） 电路原理考虑到直流电流电源，我们用四个1N40007晶体管构成桥式整流桥， 将220vHz的交流电转换为直流电，以电容元件进行整流，因为最终要得到+5v直流稳压电压，所以选用LM7805。 （2）变压器变压 220v交流电端子连一个降压变压器把电压值降到8v左右如下图： 图51 （3）单相桥式全波整流电路 图52 （4）电容滤波 本设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。 C越大，RL越大，时间常数越大，放电越慢，脉动越小， （5）直流稳压 因为要输出5v的电压所以选用LM7805三端稳压器件 （6）总电路 电路

38、原理图如下图所示： 图53 稳压电源电路原理图如图53所示电路为输出电压+5v、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器T，桥式整流电路D1D4,滤波电容C1、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成的。220v交流市电通过变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不稳定的直流电压。此直流电压，经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定性好的直流输出电压。此稳压电源可作为数字钟的如入电压。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积

39、小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。第六章 电路的安装、调试与测试6.1电路的安装、调试与测试 6.1.1电路设计及焊接 在仿真完成之后，开始电路的安装和调试。在拿到了工具的和器材之后，首先对各元器件进行测试，检查是否芯片存在问题。在确认没有问题之后，就可以按照布线方案来进行布线了。我的布线方案：首先安装驱动和计数模块。对译码驱动电路和计数电路同时布线，但是，先只进行它的一个显示管和一块CD4518安装，当验证产生的计数没有问题时，才尽一步对它进行扩展，安装秒的十位，分的个位和十位，以及时的个位和十位，并进行检验，再次安

40、装的模块是校时模块。然后和计数模块相连接。的设计我觉得在数字电子的设计中是常见的。一种典型的接法。最后要接的是整点报时电路。我们原方案是让整点报时每隔2秒发一次声，4次低电平驱动，一次高电平驱动，但由于电路复杂，加重焊接难度，最终我们将整点报时方案修改为，把分钟的进位产生的触发脉冲信号给由555定时器构成的单稳态触发电路，这样，单稳态电路输出一段时间的高电平驱动蜂鸣器鸣叫。完成了布线的过程之后，就是一个综合的测试，由于在各个模块的安装，布线的认真和有条理性，综合测试，一次成功。在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况, ,经检验发现主要是由于接触不良的问题,其中包括线的接触不良

41、和芯片的接触不良,发现没有脉冲信号产生，但是，当用手接触晶振时，就会产生信号脉冲。后来查阅了相关的资料，最终在晶振的表面固定了一段钢丝，脉冲就可以自动发生了。6.2 调试过程中出现问题级解决方法 在仿真结果出来后我们就统计要用的所有元器件进行采购，紧接着就设计电路及进行焊接工作。在完成了三分之一的焊接工作后，我们迫不及待地想知道我们的努力成果，紧接着就进行了第一次测试。（1）乱码问题：在安装好芯片后，紧张的开始第一次测试，从0到9我们很兴奋的期待着，从10以后让人大失所望，一堆乱码让人心情很沉痛，两天的努力，我们却查不出问题所在，最后询问了一个电气的和我们课题一样的同学，他说可能是芯片问题。接

42、着我们在电脑上进行了针对74LS161的仿真，结果果然和我们的乱码出现顺序一样，所以问题应该是我们买的芯片是用74LS161翻新的。最后在换了芯片后结果令人振奋。（2） 分秒不动：测试完“秒”后，我们趁热打铁，赶工接完了“分”的线，又一次见证成果的时刻，三个人都很激动，插上电源后，静待结果，然而眼前呈现出来的一幕让人大跌眼镜，“分”和“秒”都“00”：“00”，只有中间的“：”以频率为“1Hz”闪烁着，所有人都在苦思冥想问题的出处，明明早上测试的“秒”好好的到了晚上就怎么都不对了？最后在端详了几遍电路板后才发现信号源那边断接了，所以一直没有脉冲信号。在接上后我们迫不及待地拿去测试，在60秒以后

43、所有人都在期待着“分”的进位，在我们的欢呼声中，“分”进位了，终于，我们的辛苦没有白费。 第七章 总结与心得体会7.1 数字钟在生活中的应用 数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。数字钟的设计方法有许多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。 （1）数字钟的分类常见的数字钟都是 24小时计时法，组成结构是

44、24时：00分。 还有12小时计时法12上午（下午）x：00分，其中 x小于等于12（包括12时），不小于0。还有一些特殊的时间， 如：午夜12点，可记作：24:00 或 0:00（二十四小时计时法） 凌晨为 0:00-1:00 下午 12:00-1:00 (十二小时计时法) 单片数字钟与多功能数字钟的区分： a:单片数字钟 近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集 成电路的发展，单片机的应用越来越普及了，并且由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，使单片机在电子和一些自动化行业中应用也越来越广泛了。 数字钟的组成模块主要由一个AT89C51单片机模块

45、、用于放大信号来驱动数码管显示的SN74LS244N、用于显示时间的数码管显示模块、还有用于复位的按键部分，还有电源等部分组成。 b:多功能数字钟 (一)基本功能：1.计时要12翻1，分，秒60进制。2.准确计时，以数字形式显示时分秒的时间。3.校正时间。 (二)扩展功能：1.定时控制。2.仿广播电台报时功能。3.自动整点报时。4.触摸整点报时。 (三)音乐功能：到点会自动报时，有音乐享受。(2) 用途 可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程

46、灵活，并便于功能的扩展，很精确。(3) 工作原理 单片机通过了 3 只 74HC164 串行并行转换芯片后，驱动时钟屏幕，因为时钟屏幕的极性是共阴极，数字电路钟点(3张)所以必须使用“74HC”电路而不能使用“74LS”电路，后者的高电平驱动能力很差！这里的 3 只 74HC164芯片，自身属于串行输入，而从单片机一则看过去，3 只芯片驱动方式则是并行驱动，这样可以避免每次传送新的显示数据时，都需要从头到尾传送 24 个笔段数据。目前的传送方式可以只是传送已经变化了的显示数据。晶体频率使用的是 32768HZ，这种低频率时基，对掉电保护的电池耗电关系极大，HT48R10A单片机具有的“RTC”

47、实时时钟的功能，大大方便了电路设计。按照常规，在如此低的频率下，对单片机的指令执行速度会有矛盾，但是，这种单片机却能够让程序运行时使用“内部 RC ”振荡频率而仅仅是时钟部分使用 32768HZ频率，这样，就可以选择“内部 RC”高达数 MHZ 的指令运行频率而不用理会时钟走时频率，两者依靠这种特有的“RTC”功能获得了很理想的配合。当进入电池掉电保护的时候，可以令电池耗电维持在仅仅数十 uA 的水平，一只 60mAh的掉电保护电池，就可以让掉电保护时间长达几个月之久！进入掉电保护后，屏幕不显示，所有按钮和控制功能暂时失效，仅仅实时时钟仍然继续走时。当外部主电源恢复供电后，所有功能自动恢复，实

48、时时钟无需调整。单片机的 15P是复位引脚，当上电时或者程序运行发生异常时，可以通过此引脚让程序重新运行。但是，一般地，单片机本身具有“看门狗”自动复位功能，可以快速地自动对程序运行异常进行复位，人们几乎觉察不到它的复位影响。单片机的 10P 引脚安排为专门检测外部供电是否正常，当外部 5V供电掉电后，单片机将立即进入掉电保护状态，而在电路中电源能量还没有完全消耗尽之前，程序也必须抢先对各个端口进行配置，以便进入低电源消耗状态。电路图中有两个输出端口，一个是“睡眠”控制输出端口，它只有在开始倒计时的时候才会输出高电平；另一个时“定时”输出端口，它只有在到达定时时间的时候才会输出高电平。合理地利用这两个输出，就能够安排一些简单