数字钟设计 毕业设计.doc

信息职业技术学院 毕业设计说明书（论文） 设计（论文）题目: 数字钟的设计 专 业: 微电子技术 班 级: 微电 08-1班 学 号: 姓 名: 指导教师: 二 0一 0 年 七 月 一 日 四川信息职业技术学院毕业设计任务书 学 生 姓 名 学号 班级 微电 08-1 专业 微电子技术 设计题目 数字钟的设计 指导教师姓名 职 称 工作单位及所从事专业 联系方式 备 注 讲师/工 程师 设计内容： 运用电子技术知识、技能设计一个数字电子钟。 功能要求如下： 1由 555 电路产生 1hz 标准秒信号； 2秒、分为 0059 六十进制计数器； 3时为 0012 十二进制计数器； 4可整点报时。 要求完成：选择各单元电路结构并阐述工作原理，正确选择电路元件与设备，给出元件明系表，并使 用 proteus 进行仿真。 进度安排： 第 24 周：查找资料，选择参考方案；第 56 周：确定方案； 第 710 周：查找资料； 第 1113：周进行单元电路的设计，整机电路整机与分析； 第 14 周：整理报告，确定初稿； 第 15 周：检查定稿； 第 1617 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 唐程山数字电子技术第四版，人民邮电出版社，2005 年 2 康华光电子技术基础第五版，高等教育出版社，2002 年 3 中国集成电路大全编委会ttl 集成电路北京国防工业出版社，1985 年 4 王宪伟电子技术实验与毕业设计清华大学出版社，2006 年 5 康华光电子技术基础（第五版）数字部分高教出版社，2006 年 6 朱定华电子技术基础毕业设计华中科技大学出版社，2009 年 10 月 7 朱定华现代数字电路与逻辑设计清华大学出版社北京交通大学出版社，2005 年 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 i 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪 论 2 1.1 设计背景 2 1.2 设计目的 2 1.3 设计要求 2 第 2 章 设计原理及其框图 4 2.1 数字电子钟的逻辑框图 .4 2.2 数字钟的工作原理 4 第 3 章 系统单元电路设计 5 3.1 555 定时器时钟脉冲产生电路 5 3.2 时间计数器电路 6 3.3 译码驱动电路 8 3.4 数码管显示电路 9 3.5 基本 rs 触发器校正电路 .10 3.6 整点报时电路 11 3.7 系统电路原理图 .12 3.8 系统电路工作原理 .13 第 4 章 数字电子钟的仿真与调试 14 4.1 proteus 介绍 14 4.2 proteus 对本实验的仿真 14 4.3 数字钟调试 15 4.4 仿真电路图 15 总 结 16 致 谢 17 参考文献 18 ii 附录 1 元件明细表 .19 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 1 页 摘 要 本次设计使用的是 555 振荡电路提供时钟时间基准信号。与晶振电路相比使用 芯片少，结构简单明了。数字钟实际上是一个对标准频率（1hz）进行计数的计数 电路，时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和 时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为 60 进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为 12 进制计数器。 时间以 12 个小时为周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进 行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前 10 秒进行蜂鸣报时； 为了保证校正信号的稳定及准确采用 rs 触发消振校正电路提供 校正基准信号。 关键词 数字钟；译码器；数码管；计数器； 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 2 页 第 1 章 绪 论 1.1 设计背景 集成电路有体积小、功耗小、功能多等优点，因此在许多电子设备中被广泛使 用。 数字电子钟采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，它具有显示 时、分、秒的功能，本设计采用时序电路制成的数码管显示的数字电子钟，与机械 式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且比机械装置具有更长的使用寿命，因此 得到了广泛的使用。电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟它 具有走时准确、稳定性能好和使用方便等的特点。具有快速校准时、分、秒的功能。 广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，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振荡器的广泛应用，使得数字钟的精 度，运用超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大 大地扩展了钟表原先的报时功能。数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技 术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报 时及自动控制等各个领域。 本次设计以数字电子为主，分别对 1hz 时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、 小时计时显示、整点报时及校时电路进行设计，然后将它们组合，来完成时、分、 秒的显示并且有整点报时和走时校准的功能。并通过本次设计加深对数字电子技术 的理解以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。电路主要使用集 成计数器，例如 74ls390、cd4511 译码集成电路， led 数码管及各种门电路和基 本的触发器等，电路使用 5 号电池供电，很适合在日常生活中使用。因此，研究数 字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.2 设计目的 熟悉集成电路的引脚安排;掌握各芯片的逻辑功能及使用方法 ;了解面包板结构及 其接线方法;了解数字钟的组成及工作原理;熟悉数字钟的设计与制作。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 3 页 1.3 设计要求 时间以 12 小时为一个周期；显示时、分、秒；有校时功能，可以分别对时及分 进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前 10 秒进行蜂鸣报时；为了保证计时的稳定及准确须本次设计使用的是 555 振荡电路 来实现的时钟脉冲。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 4 页 第 2 章 设计原理及其框图 2.1 数字电子钟的逻辑框图 数字电子钟的逻辑框图如图 2-1： 2.2 数字钟的工作原理 数字钟实际上是由振荡电路来产生一个标准频率（1hz）时钟脉冲，再对其进 行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致， 故需要在电路上加一个校时电路，同时到达整点前 10 秒报时。 图 2-1 数字电子钟的逻辑框图 译 码 器 显 示 器显 示 器 显 示 器 译 码 器 12 进制时计 数 器 60 进制分计 数 器 译 码 器 60 进制秒计 数 器 报 时 电 路 振 荡 器校 正 电 路 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 5 页 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 5 页 第 3 章 系统单元电路设计 3.1 555 定时器时钟脉冲产生电路 数字钟 1hz 时间信号必须做到准确稳定，一般时钟是以晶体振荡器电路给数字 钟提供一个频率稳定准确的 32768z 的方波信号。不管是指针式的电子钟还是数字 显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。但是晶体振荡器电路复杂，而且晶振容易 毁坏，还要运用分频器才能实现秒脉冲。而 555 定时器电路简单，只需要 555 定时 器和电阻电容就能产生秒脉冲，元器件使用少、电路图结构清晰简单。因此本次设 计本次设计使用的是 555 振荡电路来实现的时钟脉冲。555 振荡器内部结构如图 3-1 所示。 图 3-1 555 振荡器内部结构 用 555 定时器组成多谐振荡器电路如图 3-2 所示。r3、r4 和 c2 为外接定时元 器件，高、低电平触发输入端相连并接到定时电容 c2 上，r3 和 r4 的节点与放电 端相连，电压控制端不用，通常接 0.01uf 电容。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 6 页 接通电源后，vcc 通过 r3、r4 对电容 c2 充电， uc 上升。开始时 uc =2/3 vcc 时，高电平触发端 th 2/3 vcc,低电平触 发端 tr1/3vcc,定时器复位，q=0，放电管饱和导通，c2 通过 r3 经 vt 放电，u c 下降。 当 uc=1/3 vcc 时又回到高电平触发端 th 2/3 vcc，低电平出发端 tr1/3 vcc，定时器又置位，q=1，放电管截止，c2 停止放电而重新开始充电。如此反复， 形成矩形脉冲。 多谐振荡器的振荡周期 t 为：t=tw1+tw2=0.7（r3+r4） c2+0.7r3c2=0.7(r4+2r3)c2 图 3-2 多谐振荡器电路 3.2 时间计数器电路 时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时 十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为 60 进 制计数器，其输出为两位 8421bcd 码形式；而根据设计要求，时个位和时十位计数 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 7 页 器为 12 进制计数器，其输出也为 8421bcd 码。 一般采用 10 进制计数器 74hc390 来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使 用数量，可选 74hc390，其引脚图和内部逻辑框图如图 3-3 所示。该器件为双 2 510 异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。 cka qa ckb qb qc qd cr 2 5 图 3-3 74hc390 引脚图和内部逻辑框图 秒个位计数单元为 10 进制计数器，无需进制转换，只需将 q0 与 cpb（下降沿 有效）相连即可。cpa（下降没效）与 1hz 秒输入信号相连，q3 可作为向上的进位 信号与十位计数单元的 cpa 相连，电路在秒脉冲的作用下数码管从 09 显示，如 图 3-4。 图 3-4 74390 十进制计数器电路 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 8 页 秒十位计数单元为 6 进制计数器，需要进制转换。将 10 进制计数器转换为 6 进 制计数器的电路连接方法如图 3-5 所示，其中 q2 可作为向上的进位信号与分个位的 计数单元的 cpa 相连，电路在秒脉冲的作用下数码管从 06 显示。 图 3-5 10 进制6 进制计数器转换电路 分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同， 只不过分个位计数单元的 q3 作为向上的进位信号应与分十位计数单元的 cpa 相连， 分十位计数单元的 q2 作为向上的进位信号应与时个位计数单元的 cpa 相连。 时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数 单元应为 12 进制计数器，不是 10 的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为 一个整体才能进行 12 进制转换。利用 2 片 74hc390 和与门实现 12 进制计数功能的 电路如图 3-6 所示。 图 3-6 12 进制计数器电路 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 9 页 3.3 译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的 8421bcd 码转换为数码管需要的逻辑状态，并且 为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。 计数器实现了对时间的累计以 8421bcd 码形式输出，选用显示译码电路将计数 器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用 cd4511 作为显示译码电路。译码驱动引脚图及显示单元如图 3-7。 图 3-7 译码驱动引脚图及显示单元 3.4 数码管显示电路 数码管由译码驱动电路提供电流，并显示出译码驱动电路输出的数码。 数码管通常有发光二极管（led）数码管和液晶（lcd）数码管，本设计使用 的为 led 数码管，如图 3-8。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 10 页 图 3-8 多位数码管 led 数码有共阳和共阴两种，把些 led 发光二极管的正极接到一块（一般拼 成一个 8 字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的， 那么应用时这个脚就分别的接 vcc 和 gnd。再把多个这样的 8 字装在一起就成了 多位的数码管了。 找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3 到 5 伏）和 1 个 1k（几百的也 欧的也行）的电阻， vcc 串接个电阻后和 gnd 接在任意 2 个脚上，组合有很多 ，但总有一个 led 会发光的找到一个就够了。然后用 gnd 不动，vcc （串电阻） 逐个碰剩下的脚，如果有多个 led（一般是 8 个）亮，那它就是共阴的了。 相反 用 vcc 不动， gnd 逐个碰剩下的脚，如果有多个 led（一般是 8 个）亮，那它就 是共阳的了。 （相应的图形如图 3-9，3-10 所示） 图 3-9 共阴极二极管 图 3-10 共阳极二极管 3.5 基本 rs 触发器校正电路 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 11 页 基本 rs 触发器属于电频直接控制方式，即输入信号直接可控制触发器的输出 端的状态。这种无抖动开关又称为逻辑开关。 当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的 方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方 波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。 根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位 的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。 根据要求，数字钟应具备有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个 位的直接计数通路，并采用正常计数和和校正信号可以随时切换的电路接入其中， 而且在校时和校分时不能相互影响。图 3-11 所示为本次设计的校正电路。 校正信号实际上就是通过开关的开和闭合接通电源或地形成下降沿脉冲。在机 械开关按动过程中，一般都存在弹簧片接触抖动而使电压或电流波形产生“毛刺”， 这些“毛刺”持续时间大约几十毫秒，人眼不易察觉。但是这种现象在数字系统中 会造成电路误动作，是绝对不允许的。为了克服这种现象，可在电源和输出端之间 接入一个基本 rs 触发器，构成防抖动开关电路，如图 3-11 所示。假设开关的初始 位置在 5 端，则 3 端输出为 0；在开关由 5 端扳到 1 端过程中，基本 rs 触发器保持， 3 端仍为 0；当开关扳到 1 端时，1 端的电位由于抖动而产生“毛刺”。但此时由于 5 端已经为高电平，1 端一旦出现低电平，3 端就会翻转为 1.即使 1 点出现高电平也 不会改变触发器的状态，所以 3 端的波形不会出现“毛刺”。因此也实现了无抖动 校正电路。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 12 页 图 3-11 校正电路图 3.6 整点报时电路 一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会 自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也 可以是实时语音提示。 根据要求，电路应在整点前 10 秒钟内开始整点报时，即当时间在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒期间时，报时电路报时控制信号。报时电路选 74hc30，选蜂鸣器为电声 器件。74hc30 引脚图如图 3-12。蜂鸣器接通电源就会发出连续的响声，再把 74hc30 的 3 端与秒脉冲信号相连，就形成了间隙的蜂鸣声。整点报时电路如图 3- 13。 图 3-12 74hc30 引脚图如图 图 3-13 整点报时电路图 3.7 系统电路原理图 利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图， 如图 3-14。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 13 页 图 3-14 系统电路原理图 3.8 系统电路工作原理 1.脉冲进位开关同时打到自动位置： 由 555 多谐振荡器电路得到 1hz 的秒脉冲，输入到秒个位 74ls390 芯片的 cp0 端，通过相应地译码器 cd4511 显示计数。当秒计数器达到 “60”时，通过与门 74ls08 自动清零重新计数并向分计数器个位 74ls290 的 cp0 端进位。分计数器达到 “60”时，通过与门 74ls08 自动清零并向时计数器个位 74ls290 的 cp0 端进位， 时计数器通过相应地译码器显示数字。当时计数器计到“12”时，清零端自动清零。 完成 12 小时的计时。 在计时的过程中，当分计到“59”分时，而等到秒计数到“50”秒时，然后通 过 74hc30 相“与”后 1s 标准秒信号去控制喇叭鸣叫，到 10 秒时，鸣叫结束，完 成整点报时。 2.开关分进位开关打到手动位置时： 按一次按钮开关，电路产生一个单次脉冲，对分进行校正。同理，当开关时进 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 14 页 位开关打到手动位置时，是进行的时校正。 第 4 章 数字电子钟的仿真与调试 4.1 proteus 介绍 proteus 软件引入到数字电子技术设计型教学中，为我们学生提供了一个大胆思 维、充分发挥创造性的实验环境。proteus 软件的设计试验区好像一块“面包板”， 在上面可以建立各种电路进行仿真实验。与其他电路仿真软件相比，具有界面直观、 操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便， 创建电路的元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。 该软件的特点： 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 15 页 1.仿真的手段和实际相符，仪器和元器件的选用和实际情形非常相似。可以通 过对电路的仿真，既掌握电路的性能，又熟悉仪器的正确的使用方法。 2.有齐全丰富和可扩充的元器件库。提供了数千种元器件供选用，不仅提供了 元器件的理想值，而且有的元器件还提供了实际厂家的元器件模型。 3.具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能。可任意地在系统中集成数字及 模拟元器件，会自动地进行信号转换。测试具有即时的显示功能。 4.2 proteus 对本实验的仿真 proteus 对于本设计的仿真步骤如下： 1.打开 proteus 软件。 2.单击 component（元件）按钮,然后单击 p，弹出元件选择对话框 (pick devices) 3.为了快速查找元件，直接在搜索框中输入要查找的元件名称，可以不用输入 全称，只需输入开头几个字母就可以筛选出所需的元件。 4.在 pick devices 对话框内输入 74ls 再在里面查找选择 74ls390，再点击 ok， 74ls290 元件就放在 pick devices 内，要用元件时直接点击 pick devices 内的 74ls290，再在 proteus 界面上点击就会出现该元器件。 5.同上面的操作再选出设计所需的所有元器件。 6.根据原理图放置元器件，调整元器件位置再连线并完成仿真原理图。 4.3 数字钟调试 调试步骤如下： 1.点击开始打开电源。 2.将脉冲进位开关打到自动进位端。 3.检查振荡电路是否产生秒脉冲。 4.检查数码管是否正常显示时、分、秒；并与其他正常时间相比较是否正常； 再检查时、分、秒进制是否正常。 5.将脉冲进位开关打到手动端，检查校正电路是否正常校时。 6.将时间调到 59 分 50 秒，检查报时电路是否产生蜂鸣，并在 10 后停止蜂鸣。 4.4 仿真电路图 仿真电路图如图 4-1 所示。 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 16 页 如图 4-1 仿真电路图 总 结 本次设计使用的是 555 振荡电路提供时钟时间基准信号。与晶振电路相比使用 芯片少，结构简单明了。数字钟实际上是一个对标准频率（1hz）进行计数的计数 电路，时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和 时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为 60 进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为 12 进制计数器。 时间以 12 个小时为周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进 行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前 10 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 17 页 秒进行蜂鸣报时； 为了保证校正信号的稳定及准确采用 rs 触发消振校正电路提供 校正基准信号。 通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是 远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能 真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。毕业设计是培 养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节, 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾此次毕业设计，感慨颇多，的确， 从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学 到了很多在书本上所没有学到过的知识。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能 的过程中,特别有意义,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设 计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变 的话题。通过此次设计，我才真正领略到“艰苦奋斗 ”这一词的真正含义，我才意识 到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐， 在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，确实很累， 但当看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋，这也是一份成就一份收获！ 致 谢 光阴似箭，转眼大学三年学习生涯即将结束。两个月的设计指导学习，我得到 了指导老师罗凌老师的真诚教诲和同学们的热情帮助。值此离别之际，向曾经给予 我帮助的老师、学员和朋友表示最衷心的感谢! 首先我要感谢我们的熊建云书记、李怀蒲主任和导师朱清溢老师，大学三年来 他们在生活上和学习上给于了我们无私的关怀和热情的帮助。在此真诚地祝愿他们 工作顺利！幸福美满！ 四川信息职业技术学院毕业设计(论文) 第 18 页 感谢罗凌老师，罗