大学毕业设计简易数字钟的设计与制作

1、明达职业技术学院毕业设计 (论文)20092010 学年度信息工程系 系电子信息工程技术 专业班级 07电信（1） 学号 43073110 课题名称 简易数字钟的设计与制作学生姓名严丽娟指导教师陈慕铭2009年12月25日前言随着电子技术的迅猛发展和超大集成电路设计和制造工艺的进一步提高，单片机也有了迅速的发展，各种新颖的单片机产品层出不穷，令人目不暇接。当前单片机技术已渗透到国防尖端、工业、农业、日常生活的各个领域，成为当今世界现代化不可缺少的工具和强有力的武器。单片机技术是当代理工科大学生必会的技能之一。单片机的学习和掌握是当前迫切的任务和要求，为此进行了本次设计，本次设计旨在提高对单片机

2、的内部硬件电路的理解和软件编程能力的提高，真正体验一下产品的研发和制造的各部分流程，在一定程度上加强了对工程设计的理解和实际操作。简易数字钟是对单片机的一次综合的应用，对单片机中至关重要的中断概念的理解有着十分重要的意义，简易数字钟不仅需要时间的准确跟需要有廉价的电路组成即将部分硬件用软件编程的方法加以代替，降低成本以提高市场的竞争力，这是对单片机设计的最高要求。本次设计就是针对以上问题的一种解决策略，希望通过后面的设计对读者有所启发和鼓励，单片机其实很简单，天下无难事，勇者必胜之。目录第一章 方案论证 4一 设计要求 4二 方案的论证与选择 5第二章 电源电路的设计5直流稳压电源的原理51

3、电源变压器52单相桥式整流电路53 滤波电路64 稳压电路8第三章 硬件电路设计9一 时钟电路9二 复位电路9三 显示电路 10四 时间调整电路11第四章 电路的安装及调试11心得体会 13致谢14参考文献 14附录A15简易数字钟的设计与制作作者：严丽娟【摘要】：数字钟已经广泛应用于车站、广场、家庭等场所,本次设计中的简易数子钟是采用单片机的定时功能并结合单片机的强大的控制功能；利用先进的计算机仿真软件对采用单片机做的数字钟进行先期的模拟测试以达到加快设计周期，节约成本的目的；在仿真通过及参数确定以后进行实际的制作完成设计，单片机采用AT89C51经74LS373的驱动，通过六个数码管进行显

4、示，时间可以任意调整，时间误差小于200ms，性能比较稳定。【关键词】数字钟 单片机 计算机仿真 数码管第一章 方案论证一 设计要求：(1) 该数字钟应具有基本时钟功能；(2) 24小时制；(3) 时间可以任意调整；(4) 时间用数码管显示。(5)自制+5V直流稳压电源二 方案的论证与选择：方案一本方案采用数码管静态显示，加入相应的译码及锁存集成电路；数字时钟芯片提供时间，用单片机进行控制，对数字时钟芯片中的时间进行读出和写入以提供数码管的显示。本方案的优点是时间精确，断电时间不丢失，编程简单；但元件较多，且数字时钟的价格较贵，总体成本片高。总体电路框图如图1所示时钟芯片电源电路译码驱动电路驱

5、动电路显示电路单片机图1方案二本方案采用数码管动态显示，单片机进行定时产生时间，通过独立式键盘对时间进行调整，仅需一片驱动集成电路就可让单片机直接控制数码管的显示。本方案的优点是时间精确，成本低，但断电时间会丢失，编程复杂。总体电路图如图2所示：复位电路振荡电路显示驱动电路单片机显示电路电源电路 图2方案比较与选择方案一与方案二相比时间精度较高，但成本较高，不利于推广和普及。方案二时间精度较方案一稍有欠缺，但可以通过程序中加入补偿程序以提高精度。本着提高动手能力，加强对单片机的内部原理的进一步的理解，降低成本，提高编程能力；决定采用方案二，由于程序较为复杂，故采用国际较为通用的C语言编程。第二

6、章 电源电路的设计一 直流稳压电源的原理本设计电源电路包括电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四部分组成。1 电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表一所示：副边功率效率0.60.70.80.85表一 因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图3所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压 ，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形

7、式，故有桥式整流电路之称。图3单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图3中虚线箭头所示整流过程中，四个二

8、极管两两轮流导通，正负半周内都有电流流过RL。例如，当u2为正半周是（如图中所示极性），二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4因加反向电压而截止。电流i（如图中实线所示）从变压器端出发流经二极管VD1、负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器端，并在负载RL上产生电压降u0;反之，当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0。由于i和i流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0= u0+ u0。因而其输出电压为：U0=0.

9、9U2而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：URM=1.414 U2综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形。通过负载RL的电流IL以及电压VL的波形都是单方向的全波脉动波形。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整

10、流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的额定电流为2A，最大反向电压为25V1000V。3 滤波电路无论哪种整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分。为了减少这种脉动成分，在整流后都加上滤波电路。所谓滤波就是滤掉输出电压中的脉动成分，而尽量保留其中的直流成分，使输出接近理想的直流电压。交流电压经过二极管整流之后，得到的只是一种脉动直流电压，它具有方向单一，二大小不断变化的特点。这种脉动直流电压不能直接用来给电子设备供电，还必须把脉动直流电压变成波形平滑的直流电压，这个过程称为滤波。如图4所示图

11、4在没有接电容时，整流二极管VD在u2的正半周导通负半周截止，输出电压为u0，而在并接了电容以后，假设在t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管VD导电。由图5可见，二极管导通时除了有一电流i0流向负载外，还有一个电流向电容充电，电容两端的电压uc的极性为上正下负。如果忽略二极管导通时的内阻，则在VD导通时，uc（即输出电压u0）等于变压器次级电压u2。而当u2到达最大值以后开始下降，此时电容上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2下降到小于uc（即u2uc时，二极管被反向、偏置而截止。于是uc以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半周到来。当u2uc时，二极管又导通，再次向电

12、容C充电。输出电压uc=u0的波形如图6（b）中实线所示。与半波整流电路比较，可以看到，由于电容的滤波作用，输出电压比无电容器时平滑多了，且直流成分也增加了。图5电容器在全波整流电路或桥式整流电路中的滤波原理与半波整流电路中的类似，其原理电路和波形如图6（a）和（b）所示。所不同的只不过是，在桥式（或全波）整流电路中，无论输入电压u2的正半周还是负半周，电容器C都有充电过程和。比较中可看出，全波（或桥式）整流电路经电容滤后的输出电压比半滤波时更平滑，且直流成分更大些。本次设计主要为电容滤波，因为电容具有充放电功能，其上电压不能突变，因而可以用来承担滤波任务。经试验证明经滤波后的电压变的比较平滑

13、。 （a） （b） 图6 4 稳压电路如图7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T1，桥式整流电路D1，滤波电容C4、C5，LED指示灯ZS和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型

14、很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式。（1）固定电压输出稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、12V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。（2）可

15、调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3 40V。图7第三章 硬件电路设计一 时钟电路 时钟周期又称为状态周期或状态时间S,是振荡周期的两倍,它分成P1节拍和P2节拍,P1节拍通常完成算术逻辑操作，而内部寄存器间传送通常在P2节拍完成。二 复位电路在给单

16、片机通电时，其内部电路处于不确定的工作状态。为了使单片机工作时内部电路有一个确定的工作状态，单片机在工作之前要有一个复位过程。单片机复位电路工作原理:当通电瞬间 稳压电源给电容充电。RST为复位输入端,当RST引脚持续两个机器周期以上的高电平时,使单片机完成复位操作. 随着电容充电结束,将使电容与电阻之间将呈现低电平,单片机复位结束。复位操作的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机程序存储器从0000H单元开始执行程序。此外，复位操作使P0-P3这些引脚变为高电平，还会对内部的一些单元产生影响.三 显示电路显示电路由六个七段数码管,此种数码管根据驱动方式的不同可以分为共阴和共阳两种；选取

17、74LS373的原因是74LS373是八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。简要说明:SN74LS373,SN74LS374 常用的8d锁存器,常用作地址锁存和I/O输出. 可以用74hc373代换.74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，74H373是高速CMOS器件，功能与74LS373相同，两者可以互换。74LS373内有8个相同的D型(三态同相)锁存器，由两个控制端(11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE)控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号；如果G为低电平，则将地址信号锁存。74LS373的功能表

18、如表二所示：输出使能OE控制G输入D输出Q HXX高阻LHL LLHHHLLX保持不变表二四 时间调整电路时间调整电路的主要作用是完成时间的调整，本次设计用键盘进行相应的操作。按照键盘按键的结构形式，可分为独立式键盘和矩阵式键盘。本次设计主要采用独立式键盘。独立式键盘就是各个按键是相互独立的，分别接一根输入线，各条输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态，可以判断哪个按键被按下。独立式按键电路配置灵活，软件设计简单。缺点是每个按键需要一根输入口线，在按键数量较多时，占用大量的输入口资源，电路结构显得很繁杂，只适用于按键较少或操作速度较高的场合。键盘一般

19、采用弹性按键，按键在按下和弹起的过程中存在着抖动，消抖的方法有两种，一种是采用硬件消抖电路，另一种是采用软件延时消抖。本次设计采用软件消抖。本次设计中采用独立式键盘因为P3口中已经有上拉电阻故不再加上拉电阻如图8所示图8五 总电路图见附录A第四章 电路的安装及调试 本次设计中为了安全和加快设计进程采用模块测试法对各模块进行测试，测试部件包括变压器、整流桥、电容、稳压集成块，以下是测试方法:一 变压器的测试：变压器主要由线圈组成，其常见故障为线圈的短路和断路，故对线圈的初级和次级进行电阻的测量，如果电阻值为零的话说明线圈短路，如果为无穷大则说明线圈开路。这样的线圈都不能用，本次设计中所用线圈经测

20、试一切正常。通电后测得变压器次级输出电压为9V。二 整流桥的测试：整流桥主要由二极管组成，所以对二极管逐个测试，二极管具有单向导电性，选用数字式万用表的蜂鸣档，对其进行测试，如果红表笔接二极管阳极，黑表笔接二极管阴极，显示一定阻值；两表笔交换显示阻值为无穷则表明二极管是好的，其余情况二极管均有问题。经测试本次所用二极管都是好的。通电后测得整流桥的输出端电压为10.6V,理论计算参考值为10.8V，实测值在理论误差范围之内。三 电容的测试：电容具有隔直通交和充放电的特性，本次设计采用电解电容和涤纶电容，用数字万用表的电容档对其容值进行测试，当测得的容值在误差范围之内说明是好的，经测试本次设计所用

21、电容均为好的。通电后测得经滤波后的输出电压为12.8V，理论计算参考值为12.6V，实测值在理论误差范围之内。四 稳压集成块的测试：本次设计所采用的结成块为LM7805，LM7805其输入端和输出端存在在2V压降，故在输入端加+7V的直流电压，其输出端为+5V电压，用万用表直流电压档测量与理论值相符，故说明本次所用稳压结成块是好的。通电后测得稳压块三脚输出电压为5.07V理论计算参考值为5V，实测值在理论误差范围之内。在电源部分装调的比较顺利，只是在电路板连接后，所测输出电压不正常，出现输出电源一直在跳动，经过测量分析是因为电路板接触不良，我换到其他地方试试，又达到所需电压。调试过程中，要认真

22、观察和测量善于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据。只有有了大量的可靠的实验 记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题，如果是原理上的问题，即使重新安装也解决不了问题。我们应当把查找故障，分析故障原因，看成一次好的学习机会，通过它来不断提高自已分析问题和解决问题的能力。心得体会在本次毕业设计中，我深深体会到做一个电子成品是多么的不容易，它是需要很多的过程的。其中包括方案的比较，元器件价格的比较，成品性能的比较等等诸多因素。所以想想现在有好多高科技电子产品问世，真的很了不起！但再复杂的产品都是从简单而来的，我们只有现在打好基础，发挥创新能力，才能与时俱进。在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的毕业设计，在以后的生活工作中我会更加努力，力争把这门知识更好的运用到生活和工作中去