武汉理工大学 课程设计 多功能数字钟的设计及制作 详细

1、摘要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，因此得到了广泛的应用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包含了组合逻辑电路和时序逻辑电路。本次课程设计则是利用十进制计数器、译码器，以及数码显示管和一些常用的逻辑门器件设计并制作一个多功能数字钟，对该数字钟的各个单元进行详细的原理分析，同时阐述仿真过程中出现的问题及调试过程，并比较测试结果和理论结果。除此之外还有硬件实现的步骤和理论依据，最后对整个设计、仿真、硬件实现的过程进行总结。关键词：数字钟 脉冲信号 计时 清零多功能数字钟的设计及制作1 设计内容及要

2、求1.1 设计内容设计一个多功能数字钟，能够达到指定的要求。1.2设计要求1.数字钟可以按常理计时，并显示时、分、秒；2.小时以24为一个周期，分和秒均以60为一个周期；3.具有校时功能，可以分别对时和分进行单独校时，使其校正到指定时间；2 电路设计方案及其论证2.1 电路设计方案12.1.1 原理框图 图2.12.1.2 原理电路图图2.22.2 电路设计方案22.2.1 原理框图 方案2的基本原理框图和方案一相同。2.2.2 原理电路图图2.3 2.3 方案对比，择优选择2.4 方案论证 数字电子钟由信号发生器、计数器、数码显示管、校时控制电路组成。时钟源产生稳定的脉冲信号送进秒计时器，通

3、过六十进制的秒计数器后产生一个分脉冲，使分计数器计一次数，同样通过分计数器产生一个时脉冲，使时计数器计一次数。最后一整个循环下来，通过反馈清零对数字钟清零。在计数过程中计数器的输出端接译码器，将二进制码传送到数码显示管，则可以显示时间。校时电路则是通过开关来控制各个芯片的脉冲输入端，需要校时时，该芯片接开关控制的单脉冲则可以通过一次次的单脉冲来校正时间。3 单元电路的说明及各参数的计算 3.1 振荡电路 3.1.1电路原理图图3.1多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形波形。用555实现多谐振荡，需要具有一定参数的R1、R2和电容进行连接，并且

4、接上+5V的直流电源才能形成特定频率的震荡。振荡周期：T=0.7（R1+2R2）C,其中当R1=43，R2=50，C=0.01F时，f=1Hz。3.2 计时电路 3.2.1计时电路所用芯片74LS90工作原理74LS90内部是由二进制和五进制计数共同组成的十进制计数。 （1）二进制计数：将计数脉冲由CP0输入，由Q0输出。图3.2（2）五进制计数：将计数脉冲由CP1输入，由Q3 、Q2、 Q1 输出 图3.3 （3）8421BCD码十进制计数：将Q0与CP1相连,计数脉冲CP由CP0输入图3.4 （4）用级联（相当于串行进位）法和脉冲反馈法实现大容量计数器。 脉冲反馈：用S0，S1，S2，SN

5、表示输入0，1，2，N个计数脉冲CP时计数器的状态。N进制计数器的计数工作状态应为N个：S0，S1，S2，SN-1 。在输入第N个计数脉冲CP后，通过控制电路，利用状态SN产生一个有效置0信号，送给异步置0端，使计数器立刻置0，即实现了N进制计数。级联：将多个集成计数器（如M1进制、M2进制）串接起来，以获得计数容量更大的N（=M1M2）进制计数器。一般集成计数器都设有级联用的输入端和输出端。异步计数器实现的方法：低位的进位信号高位的CP端。图3.5秒计时原理图3.6秒的个位部分逢十进一，为十进制计数，十位部分逢六进一，为六进制计数，从而共同完成六十进制计数器，当计数到59时清零并重新开始计数

6、。秒计时的个位可以直接利用十进制计数器74LS90进行计数，由0增加到9时，芯片输出端1001跳变到0000，即最高位Q3输出一个下降沿产生进位，连在十位的计数器脉冲输入端CP，从而实现个位的十进制计数和进位功能。十位收到个位的进位信号后计一次数，十位计数到5时接下来的脉冲使其变成6，一瞬间通过清零端反馈清零，秒计数集体清零，由于清零所需时间很短，所以显示管上不会显示出60，而是直接从59跳到00。3.2.3 分计时原理分计时原理和秒计时原理一样，同样是通过两块74LS90级联和反馈清零实现六十进制计数。 时计时原理 图3.7来自分计数电路的进位脉冲使时的个位加一，十计数器由0增加到9产生向十

7、位的进位信号，该进位信号即Q3连在十位计数的脉冲输入端，使十位计数，当十位计数到2，个位计数到4时，通过反馈清零将计数器清零，同样由于清零时间较短，显示管上不会显示24，而是从23便可以跳到00。3.3 显示电路显示电路由译码器74LS48和数码显示管组成。 译码器74LS48工作原理图3.8 74LS48为有内部上拉电阻的BCD七段译码器/驱动器。输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。当要求输出 015 时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为0 时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路。当BI为低电平时，不管其它输入端,状态如何，YaYg均为低电平。

8、当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时， Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平。当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使YaYg均为高电平。引出端符号:A0A3 译码地址输入端BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） LT灯测试输入端（低电平有效） RBI脉冲消隐输入端（低电平有效） YaYg 段输出 3.3.2 数码显示管工作原理7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示

9、出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图4.9所示。 图3.9 7段数码管内部字段LED和引脚分布 共阳极共阴极图3.10 7段数码管结构图发光二极管（LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为510mA；正向电压随发光材料不同表现为1.82.5V不等。7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。（1） 静

10、态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式动态显示。（2）动态显示所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间

11、点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率

12、，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑，由于数字钟时分秒的现实只需6个数码管，又考虑到芯片工作效率与电源效率，本设计采用静态显示，为共阴极显示。 3.4 校时电路校时电路功能是在其他计时功能正常的情况下对时（分、秒）进行手动校时。图3.11工作原理是当S1开关打向上方，电路正常计时；当开关S1打向下方，开关S2从VCC打向接地端时产生单脉冲后，需校时的芯片计数增加一，每上下拨动一次S2，需校时的芯片技术加一，直到校时到所需时间。时分秒各个校时电路原理相同，再次不再赘述。4 硬件电路的设计及其制作与调试 4.1 电路仿真出现的问题和调试过程仿真使用的系统是Multisim11，在该软件平台下

13、将设计好的电路图仿真出来，由于该软件仿真功能比较强大，在电路的连接，原件的选择都很全面，所以仿真过程中出现的问题都不难解决。主要问题有生振荡的时候需要设定电容电阻的值，以达到产生的方波为1Hz，但是在已有的理论知识的基础上得到的理论值放到仿真系统中后不能达到需要的效果， 图4.1 4.2硬件制作出现的问题和调试过程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,后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至.在检测74LS48驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况,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和芯片的接触不良,在实验过程中,数码管有几段二极管

14、时隐时现,有时会消失.用5V电源对数码管进行检测,一端接地,另一端接触每一段二极管,发现二极管能正常显示的,再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好,在检测过程中发现有几根线有时能接通,有时不能接通,把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了.其次是由于芯片接触不良的问题,用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通,而检测的导线状况良好,其解决方法为把74LS48的芯片拔出,根据面包板孔的的状况重新调整其引脚,使其正对于孔,再用力均匀地将芯片插入面包板中,此后发现能正常显示。在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从4

15、0跳到59,然后又跳回40,分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压档带电检测秒的十位的QA,QB,QC和QD脚,发现QA脚时有电压时而无电压,再检测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所至。由于在仿真过程中没办法考虑所设参数是否合理，所以发现在硬件实现过程中电路中设定的50和43的电阻以及0.01uF的电容没办法完全没到相同的，所以，为了买元件方便，就改变了硬件的参数，但是为了达到振荡电路1Hz的条件，所买的电阻和电容尽量达到可以满足公式1.43R1+2R2C=1的要求即可。结束语 总结收获和体会本次课程设计是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。身为自动化的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。参考文献1 邱关源主编.电路.第五版.北京.高等教育出版社2 于歆杰等选译.电路基础.第三版.北京.清华