数字钟课程设计.doc

whut数字电子技术课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 多功能数字钟的设计仿真与制作 初始条件：利用集成译码器、计数器、定时器、数码管、脉冲发生器和必要的门电路等数字器件实现系统设计。（也可以使用单片机系统设计实现）要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周内完成对多功能数字钟的设计、仿真、装配与调试。2、技术要求：错误！未找到引用源。 设计一个数字钟。要求用六位数码管显示时间，格式为00：00：00。错误！未找到引用源。具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排： 1、 2009 年 6 月 2022 日，查阅相关资料，学习设计原理。 2、 2009 年 6 月 2324 日， 方案选择和电路设计仿真。 3、 2009 年 6 月 2527 日， 电路调试和设计说明书撰写。 4、 2009 年 6 月 28 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1.绪论32.Proteus软件介绍43.总体方案的设计与实现63.1 数字钟的原理框图63.2 各模块功能分析63.2.1晶体振荡器63.2.2分频器73.2.3时间计数单元83.2.4译码驱动及显示单元103.2.5校时电源电路103.2.6整点报时电路114.数字钟的安装与调试125.数字钟的工作状态分析135.1数字钟的工作过程及结果分析135.2数字钟工作过程中出现的问题及解决方法136.元件清单157.数字钟仿真图168.心得体会179.参考文献1810.课程设计成绩评定表191. 绪 论计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的应用。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展1。自1975年美国德州仪器公司（Texas Instruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助。2.Proteus软件介绍Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。(1)proteus的工作过程 运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pickdevices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecodegenerationtools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/removesourcefiles命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。 (2)Proteus软件所提供的元件资源Proteus软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。 (3)Proteus软件所提供的仪表资源 对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。 (4)Proteus软件所提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。 对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pauseanimation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stopanimation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。 对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restartdebugging菜单项命令，此时可以选择stepover、stepinto和stepout命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start/restartdebuging命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。 3.总体方案的设计与实现3.1数字钟的原理框图数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）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，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数字钟的原理框图如图1. 图1 数字钟的原理框图3.2各模块功能分析3.2.1 晶体振荡器晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。图2所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，非门与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电 阻为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容、与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2 分别为20pF，和200PF当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为20M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。晶体振荡器电路如图2.图2 晶体振荡器电路图3.2.2分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到z的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。例如，将32767z的振荡信号分频为Z的分频倍数为32767（2），即实现该分频功能的计数器相当于5极2进制计数器。本实验中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060计数为最高为4级2进制计数器，可以将32767Z的信号分频为2Z，而经过74LS90可以将它分为1HZ的信号。如图3所示，可以直接实现振荡和分频的功能。图3 CD4046和74LS90的分频电路图3.2.3时间计数单元时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为24进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。本实验采取了74LS90 用两块芯片进行级联来产生60进制和24进制秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将0与CP1（下降沿有效）相连即可。CP0（下降没效）与1HZ秒输入信号相连，3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CP1相连。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，其中2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CP0相连。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，也是分个位计数单元的3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CP0相连，分十位计数单元的2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CP0相连。60进制的连接如图4所示。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24进制计数器，所以在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。24进制计数功能的电路如图5所示。图4 60进制计数器电路图5 24进制计数器电路3.2.4译码驱动及显示单元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74LS47作为显示译码电路，选用74LS546八段共阳LED数码管作为显示单元电路，如图6所示。图6 译码驱动和显示电路3.2.5校时电源电路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。图7所示为所设计的校时电路。图7 校正电路3.2.6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51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，作为选蜂鸣器为电声器件，选用CC4016模拟开关作控制，使蜂鸣器可以一响一停。如图8所示。 图8 整点报时电路4.电路的安装与调试在完成了理论设计的基础上，进行对自己设计不大肯定的电路，利用软件Proteus进行模拟，根据成功与否再进行修正之后，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74LS48和一块74LS90（秒的个位）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，为什么不安装完驱动模块再进行计数模块的安装呢？ 我认为这样可以方便我们的检验（当然我的检验脉冲现在不一定是1HZ的，所以我利用面包板上自带的脉冲输出），当装完了那么一个庞大的电路后，一旦哪里出错，进行检查怎么说也是个难事。其次安装的是晶体振荡电路电路。按照理论设计和已经在Proteus 软件中验证过的电路进行安装，当然实际安装中有不可预见的问题可能发生，我才用示波器来观察，果然，象设计和预料的那样，1HZ的脉冲波形出现。再次安装的模块是校时模块。接出如图7的电路然后和计数模块相连接。在这个连接中，我们原来的设计的是采用单刀双制开关，但是由于在实验室没有这样的开关，我们的设计只好稍微做下修改，这样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。最后要接的是正点报时电路。这个部分是我们平时没怎么实验和设计过的部分，说实际的，在做这个设计之前，心理真的没有底到底蜂明器是怎么工作的，怎样去驱动它才能让它正常工作。第一个在我脑海里产生的利用555接一个电子琴电路，再加上模拟开关来选择高低声音，理论上设计没问题，也对它包有很大的信心。但是在实习的过程中，在做这个人的时候，到中午了，于是我回来了，我想利用Internet搜索点对自己的设计有用的信息来，偶尔的一个蜂明的电路启发了我，那就是现在如设计图纸中的那个报时电路。不过，先发现报时电路声音比较的低，于是我决定见效电阻使声音合适。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，本人认为教为不错！而且就整个实验来说由于设计的原理时的态度的认真，严谨和对这次实习的重视，以及考虑问题的全面和方案的多样性，使得装配，布线，和调试几乎没有什么大问题难倒我，一切都还比较的顺利和成功！5.数字钟的工作状态分析5.1数字钟的工作过程及结果分析用74LS90清零端置零，置数端置1，实现六十进制的个位，当个位计数到十，则会有一进位信号。而计数器则是从“0”计数到“9”，再进位。将74LS90十进制改为六进制，设计采用异步置零的方法，当十位为“6”时，反馈给置数端，则完成异步置零。其中CP-置“1”，清零端置“0”，预置数为“0000”。秒位计数到60秒时，要向分位有一进位信号。分的个位需要秒分位同样的进位脉冲，即“分脉冲”。并且秒十位计数计数到6时，分个位才会得到一进位信号，即完成进位。同样的，当分计数到60分时，要向时位有一进位信号，当分十位计数到6时，时的个位才会得到一个进位信号，即完成进位。当译码显示23：59：59时下一秒又自动变为00：00：00，于是又开始了下一轮的循环计时。5.2数字钟工作过程中出现的问题及解决方法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74LS481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,本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的74LS48,经更换后均能正常显示.在连接晶振的过程中,晶振无法起振.在排除线与芯片的接触不良问题后重新对照电路图,发现是由于12脚未接地所至.在连接六进制的过程中,发现电路只能4,5的跳动,后经发现是由于接到与非门的引脚接错一根所至,经纠正后能正常显示.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40