多功能數(shù)字鐘

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計學(xué) 號： 0121302930234課 程 設(shè) 計題 目多功能數(shù)字鐘的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)通信工程班 級通信1301 姓 名徐晗指導(dǎo)教師黃錚2015年7月10日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 多功能數(shù)字鐘的設(shè)計與實現(xiàn) 初始條件：本設(shè)計既可以使用集成譯碼器、計數(shù)器、定時器、脈沖發(fā)生器和必要的門電路等，也可以使用單片機系統(tǒng)構(gòu)建多功能數(shù)字鐘。用數(shù)碼管顯示時間計數(shù)值。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：1周。2、技術(shù)要求：1）設(shè)計一個數(shù)字鐘

2、。要求用六位數(shù)碼管顯示時間，格式為00：00：00。2）具有60進制和24進制（或12進制）計數(shù)功能，秒、分為60進制計數(shù)，時為24進制（或12進制）計數(shù)。3）有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能，能顯示時、分、秒計時的結(jié)果。4）設(shè)計提供連續(xù)觸發(fā)脈沖的脈沖信號發(fā)生器，5）具有校時單元、鬧鐘單元和整點報時單元。6）確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：1、 年 月 日，布置課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求說明

3、。2、 年 月 日至 年 月 日，方案選擇和電路設(shè)計。3、 年 月 日至 年 月 日，電路調(diào)試和設(shè)計說明書撰寫。4、 年 月 日，上交課程設(shè)計成果及報告，同時進行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄目錄3摘要4多功能數(shù)字鐘的設(shè)計與實現(xiàn)51 設(shè)計功能要求52 系統(tǒng)原理框圖63 方案設(shè)計與論證74 電路模塊分析74.2 譯碼顯示單元電路104.3 校時電路134.4 整點報時電路144.5 定時鬧鐘電路144.6 555振蕩器164.7 分頻器電路175 仿真及調(diào)試185.1 總體仿真圖185.2 各功能仿真調(diào)試195.2.2 定時鬧鐘電路仿真調(diào)試205.3

4、仿真時出現(xiàn)的問題226 電路的安裝與調(diào)試227 結(jié)果分析與小結(jié)237.1結(jié)果分析237.2 設(shè)計小結(jié)23參考文獻25元件清單26摘要數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字電子鐘，從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動打鈴、自動廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。數(shù)字電子鐘有以下幾部分組成：振蕩器，分頻器

5、，60進制的秒、分計時器和24進制計時計數(shù)器，秒、分、時的譯碼顯示部分及校正電路等。關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘、振蕩器、計數(shù)器、譯碼驅(qū)動1 數(shù)字鐘設(shè)計功能及方案論證基本功能：1）設(shè)計一個數(shù)字鐘。要求用六位數(shù)碼管顯示時間，格式為00：00：00。2）具有60進制和24進制（或12進制）計數(shù)功能，秒、分為60進制計數(shù)，時為24進制（或12進制）計數(shù)。3）有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能，能顯示時、分、秒計時的結(jié)果。擴展功能：1）設(shè)計提供連續(xù)觸發(fā)脈沖的脈沖信號發(fā)生器，2）具有校時單元、鬧鐘單元和整點報時單元。方案論證：方案一：用邏輯門電路直接搭接數(shù)字鐘電路，此方案所需元件眾多，頻率穩(wěn)定性差，電路復(fù)雜，所以不采用此方案。

6、方案二：用計數(shù)器74LS90以及譯碼器74LS48等芯片組成電路，用555振蕩器及分頻器產(chǎn)生1Hz信號供計數(shù)器技術(shù)，較之第一種方案容易實現(xiàn)。方案三：用單片機實現(xiàn)計數(shù)及顯示等，這種方案簡單明了，電路簡單只需要寫好程序就可以，容易達到任務(wù)要求。但單片機對個人能力要求較高，鑒于還沒有學(xué)習(xí)單片機方面知識，所以不使用第三種方案。綜上，決定采用第二種方案。2 設(shè)計原理及框圖1） 計數(shù)器電路：計數(shù)器電路由秒計數(shù)器、分計數(shù)器及時計數(shù)器構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計要求，其中，時計數(shù)器為24進制，分計數(shù)器及秒計數(shù)器為60進制計數(shù)器。2） 譯碼顯示電路：由74LS48芯片組成的譯碼電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管所

7、需的邏輯狀態(tài)，并為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠工作電流。3） 整點報時電路：在數(shù)字鐘電路出現(xiàn)整點時，數(shù)字鐘會自動報時，其工作方式是發(fā)出連續(xù)的音頻聲波，復(fù)雜一些的可以是實時語音或音樂提示。4） 定時鬧鐘電路：要求可以設(shè)定一個指定的時間，是數(shù)字鐘在指定時刻發(fā)出信號，使蜂鳴器“鬧時”。5） 555振蕩器電路：石英晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定的32768Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。 6） 分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。數(shù)字鐘原理框圖如下：圖1.1 數(shù)字鐘原理框圖3 電路模塊分析3.1計數(shù)器電路計數(shù)器電路我選

8、擇的是74LS90芯片。74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二-五-十進制異步計數(shù)器，管腳圖如圖。R01、R02是計數(shù)器置0端，同時為1有效；R91和R92為置9端，同時為1時有效；若用A輸入，QA輸出，為二進制計數(shù)器；如B為輸入，QB-QD可輸出五進制計數(shù)器；將QA與B相連，A做為輸入端，QA-QD輸出十進制計數(shù)器；若QD與A輸入端相連，B為輸入端，電路為二-五混合進制計數(shù)器。圖3.1 74LS90管腳圖表3.1 74LS90功能表3.1.1 60進制計數(shù)器設(shè)計時，U18為十進制計數(shù)器，U17為六進制計數(shù)器，由74LS90D的功能原理可知，當QA計數(shù)兩次，QB,QC開始計數(shù)，由于計數(shù)器為異步計數(shù)器

9、，則當計數(shù)器達到60時，計數(shù)器立刻清零并向高位進一，達到了本實驗60進制的計數(shù)功能。圖3.2 60進制計數(shù)器3.1.2 24進制計數(shù)器設(shè)計時原理同60進制，U13為二進制計數(shù)器，U14為十進制計數(shù)器，由74LS90D的功能原理可知，當QA計數(shù)兩次，QB,QC開始計數(shù)，由于計數(shù)器為異步計數(shù)器，則當計數(shù)器達到24時，計數(shù)器立刻清零并向高位進一，達到了24進制的計數(shù)功能。圖3.3 24進制計數(shù)器3.1.3計數(shù)器總電路如圖3.4為數(shù)字鐘的時間計數(shù)單元的電路連接圖。圖3.4 計數(shù)單元電路連接圖3.2 譯碼顯示單元電路譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)

10、動LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動LED七段顯示數(shù)碼管。若將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。3.2.1 74LS48譯碼器74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。由74LS48和LED七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段

11、譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的R為限流電阻。當數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖的作用下，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號。74LS48的管腳如圖3.5。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用.圖3.5 74LS48管腳圖表3.2 74LS48功能表3.2.2 數(shù)碼管顯示器LG5011AH數(shù)碼管使用時公共陰極接地，使每個發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且這7個發(fā)光二極管a到g分別由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動，其中每一筆劃都是對應(yīng)一個字母表示，DP是小數(shù)點“.”。LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位。

12、LG5011AH管腳功能圖如圖3.6所示。圖3.6 LG5011AH管腳圖圖3.7 七段數(shù)碼管內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖3.2.3 譯碼顯示電路譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和七段數(shù)碼管LED組成，其連接圖如圖3.2.3所示。圖3.8 譯碼顯示電路連接圖3.3 校時電路當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正，所以數(shù)字鐘應(yīng)當具有校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)，所以，必須要有兩個控制開關(guān)分別控制分個位和十個位的脈沖信號。在校時時，應(yīng)截斷分個位或者時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。還

13、可以加入小電容防止計數(shù)抖動。圖3.9為?！皶r”、?！胺帧彪娐?。圖3.9 校時電路圖3.4 整點報時電路根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的Q和Q、個位的Q和Q及秒計數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。我選擇了蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時酒會發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連。在59分50秒時，蜂鳴器接高電平開始工作，直到到達整點停止

14、。整點報時電路如圖3.10所示。圖3.10 整點報時電路3.5 定時鬧鐘電路定時鬧鐘電路需要在某個設(shè)定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時”。無論是什么要求，時間都必須準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。在本數(shù)字鐘設(shè)計中，選用了四片74LS85三位比較器實現(xiàn)。其中74LS85比較器的管腳圖與真值表如下：圖3.11 74LS85管腳圖表3.3 74LS85比較器功能表令74LS85比較器的一對輸入接小時和分鐘時計數(shù)器的輸出，另外一對接四位撥碼開關(guān)，當小時和分鐘計數(shù)器的輸出與撥碼開關(guān)的值完全相等時，四片比較器輸出都為高電平，經(jīng)四輸入與非門后輸出到蜂鳴器，在一分鐘內(nèi)蜂鳴器導(dǎo)通，例如，

15、撥碼開關(guān)依次為0000,0110,0011,0000,此時表示為6點30分，當計數(shù)器的輸出也為6點30分時，蜂鳴器導(dǎo)通。定時鬧鐘電路圖如下：圖3.12 定時鬧鐘電路3.6 555振蕩器多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱方波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。而在此次設(shè)計中，用555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器是計時器的核心，其作用是產(chǎn)生一個標準頻率的脈沖信號，震蕩頻率的精度與穩(wěn)定度決定了整個數(shù)字鐘的質(zhì)量，圖

16、是采用集成555定時器與RC組成T=1ms的多諧振蕩器，其輸出的脈沖頻率為f=1kHZ。表3.4 555觸發(fā)器狀態(tài)表圖3.13 多諧振蕩器及其輸出波形圖3.7 分頻器電路分頻器電路的工作目的主要有兩個：第一，產(chǎn)生標準的秒脈沖。第二，是提供電路工作所需要的信號，比如校時電路中用到的10HZ，就是為了校時方便而設(shè)計。選擇計數(shù)器作為分頻器，計數(shù)器有很多元件可以選擇，但是要合理充分的利用，選擇3片中規(guī)模集成計數(shù)器74LS90可以完成上訴功能。因為555定時器產(chǎn)生1KHZ的信號，第一片的QA輸出100HZ，第二片的QD輸出10HZ，第三片輸出1HZ。經(jīng)過3次1/10分頻后正好是1HZ，為標準的秒輸入脈沖

17、。圖3.14 分頻器部分電路圖將振蕩器與分頻器電路連接起來，便可得到整個產(chǎn)生1HZ脈沖的發(fā)生電路。圖3.15 整個脈沖發(fā)生電路4 仿真及調(diào)試4.1 總體仿真圖仿真開始后，秒電路部分開始以1s為周期開始從059遞增，并向分電路部分進位，同時秒電路清零，分電路同理遞增，向時電路進位的同時分電路清零，時電路由023遞增，隨后整個電路清零重新計數(shù)，完成數(shù)字鐘的基本計數(shù)功能。整體電路仿真圖如下：圖4.1 多功能數(shù)字鐘整體電路仿真圖4.2 各功能仿真調(diào)試4.2.1 校時電路仿真調(diào)試當數(shù)字鐘時間不準確時，則需要手動調(diào)整時間。如下圖所示，單刀雙擲開關(guān)J2J1分別對應(yīng)著時鐘與分鐘部分。當開關(guān)擲向上方時，數(shù)字鐘正

18、常工作；當J1擲向下方時，則分鐘部分開始以1s為周期開始遞增，當J2擲向下方時，時鐘部分則開始以1s為周期開始遞增。秒鐘部分則由J7控制，當開關(guān)閉合時秒鐘以1s為周期遞增；當開關(guān)閉合時，秒鐘則停止走動。調(diào)整時撥動開關(guān)，當調(diào)整到正確時間后將開關(guān)撥回即可。圖4.2 校時電路仿真圖4.2.2 定時鬧鐘電路仿真調(diào)試將開關(guān)撥至如下圖狀態(tài)，即01:25時，開始仿真。圖4.3 鬧鐘開關(guān)狀態(tài)當鬧鐘電路未運行到01:25時，指示燈不亮，即鬧鐘未響，此時狀態(tài)如下：圖4.4 鬧鐘未響時電路狀態(tài)圖當電路到達01:25時，在此一分鐘內(nèi)，指示燈亮，蜂鳴器響，一分鐘后恢復(fù)初始狀態(tài)。在此時間內(nèi)電路狀態(tài)如下：圖4.5 鬧鐘響起

19、時電路狀態(tài)圖4.2.3 整點報時電路仿真調(diào)試當數(shù)字鐘距離整點還有10秒以上時間時，指示燈不亮，蜂鳴器不響，此時電路狀態(tài)如下圖所示：圖4.6 蜂鳴器未響時電路狀態(tài)圖當數(shù)字鐘距離整點差10秒以內(nèi)時間時，指示燈亮起，蜂鳴器響，持續(xù)10秒時間后停止，在此時間內(nèi)電路狀態(tài)如下圖所示：圖4.7 整點報時時電路狀態(tài)圖4.3 仿真時出現(xiàn)的問題一開始定時鬧鐘電路使用撥碼開關(guān)時，鬧鐘不能在指定時刻響起。用探針測試后發(fā)現(xiàn)撥碼開關(guān)并沒有起作用，于是換成單刀單擲開關(guān)，鬧鐘正常工作。一直無法使蜂鳴器發(fā)出聲音，不能實現(xiàn)鬧鐘與整點報時提醒功能。于是在蜂鳴器那里接上一個指示燈，指示亮即表示蜂鳴器響。振蕩器與分頻電路的電路搭建完成

20、后，發(fā)現(xiàn)顯示數(shù)字的頻率過大，數(shù)字跳動過快，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)振蕩器的電阻不合適，經(jīng)計算調(diào)節(jié)滑變后，便可得到正確頻率。5 電路的安裝與調(diào)試按照圖5.1.1所示的數(shù)字鐘電路圖，先將秒個位、秒十位、分個位、分十位、時個位、時十位分級焊接，級聯(lián)后再進行整體計時電路的調(diào)試，若此電路能夠進行正常計數(shù)，那么一個完整的計時電路就出來了。最后分別將定時鬧鐘電路、整點報時電路及校時電路等分別安裝，經(jīng)調(diào)試沒有出現(xiàn)問題，再將它們與計時電路連接。最后進行整體電路（即數(shù)字鐘）的調(diào)試?？偟膩碚f，此次電路圖較為復(fù)雜，焊接時總會不可避免的出現(xiàn)一些問題。首先由于元器件太多，板子有些焊不下，我放棄了占較大板塊的定時鬧鐘電路，著重于計數(shù)器電

21、路與其他拓展模塊。其次在測試校準電路時發(fā)現(xiàn)撥動一次脈沖開關(guān)，計數(shù)器并不能準確加1，有時會出現(xiàn)加2的現(xiàn)象。究其原因發(fā)現(xiàn)僅僅由開關(guān)構(gòu)成的校準電路有抖動現(xiàn)象，使得計數(shù)器計時不準確，解決辦法是可以在校時電路中加入0.01uf的小電容防止抖動發(fā)生。實物電路的正面器件圖如下：圖5.1 器件圖實物電路的反面焊接圖如下：圖5.2 焊接圖6 結(jié)果分析與小結(jié)6.1結(jié)果分析通過電路仿真與實物調(diào)試，可以表明此次設(shè)計的電路可以達到以下要求：1） 在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時電路為24進制，分、秒電路為60進制，計數(shù)功能符合設(shè)計要求。2） 在顯示時鐘時間時，撥動時鐘調(diào)時、調(diào)分按鈕開關(guān)時，時、分均可以調(diào)節(jié)，校時功能

22、符合設(shè)計要。3） 通過開關(guān)來調(diào)節(jié)所需要的時間，當時鐘到達定時時刻時，蜂鳴器響起，指示燈發(fā)亮，鬧鐘時長為1分鐘。鬧鐘功能符合設(shè)計要求。4） 在每一個小時時刻，當時鐘到達59分50秒時，電路發(fā)出整點報時信號，持續(xù)10秒鐘后，報時停止。整點報時功能符合設(shè)計要求綜上所述，此次的設(shè)計電路能達到預(yù)期要求，設(shè)計成功。6.2 設(shè)計小結(jié)在此次的多功能數(shù)字鐘設(shè)計過程中，我更進一步地熟悉了一些常用芯片的結(jié)構(gòu)并且掌握了這些芯片的工作原理和具體的使用方法。這學(xué)期數(shù)電實驗的考試就是做的數(shù)字鐘，所以在計數(shù)模塊方面更加熟悉，雖然在方案論證時接觸到了許多其他的設(shè)計思路，但即使原理不一樣，電路不同，依然可以實現(xiàn)同樣的功能。因此在選擇不同的方案時，我們應(yīng)該找到最簡單，最經(jīng)濟，最實用的電路。每次的課程設(shè)計，都覺得是在讓我們充分利用所學(xué)過的理論知識還有自己的想象的能力，檢驗一個學(xué)期來的學(xué)習(xí)成果，另外還有學(xué)習(xí)查找資料的方法，以及提高自己處理問題，分析具體情況的能力。我相信是對我的一個很好的提高。平時在學(xué)習(xí)理論知識的時候，我們應(yīng)該更注重實踐，而不是為了應(yīng)付一下考試。通過這次課程設(shè)計，我加深了理論知識的理解。在這次的設(shè)計電路中我用到了計數(shù)器、譯碼器、分頻器、多諧振蕩器等，通過自己分析和設(shè)計更好