多功能数字钟的设计仿真与制作.doc

武汉理工大学数字电路课程设计课程设计任务书学生姓名： 杨飞 专业班级： 电信0804 指导教师： 孟哲 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： 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。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） 2010 年 6 月 2627 日，查阅相关资料，学习设计原理。2） 2010 年 6 月 2830 日， 方案选择和电路设计仿真。3） 2010 年 7 月 13 日， 电路调试和设计说明书撰写。4） 2010 年 7 月 4 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 Proteus软件简介 21 课程设计题目分析 42 课程设计的电路设计部分 53 课程设计的电路原理图 94 课程设计中部分元器件的使用说明 105 仿真图及仿真结果 136 设计总结 157 心得体会 168 参考文献 17 9 附录 181 Proteus 软件简介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。 1.1 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。 1.2 资源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。 1.3 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。 1.4 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。 2课程设计题目分析2.1 设计要点设计一个精确的秒脉冲信号产生电路设计60进制、24进制计数器设计译码显示电路设计操作方面的校时电路设计整点报时电路2.2 工作原理数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现一天24h的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下:3课程设计的电路设计部分3.1课程设计的电路设计部分:3.1.1 秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。 振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。 分频器: 分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，因为每片为1/10分频器，三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下：秒 图1 脉 冲 信 号 发 生 器 秒、分、时计时器电路设计秒、分计数器为60进制计数器，小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器74LS90构成。 60进制计数器由74LS90构成的60进制计数器，将一片74LS90设计成10进制加法计数器，另一片设置6进制加法计数器。两片74LS90按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。 图2 60 进 制 计 数 器 24进制计数器由74LS90构成的二十进制计数器，将一片74LS90设计成4进制加法计数器，另一片设置2进制加法计数器。即个位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0100十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时，要求计数器归零。通过把个位Qc、十位Qb相与后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成24进制计数器。电路图如下:图3 24 进 制 计 数 器3.1.2 译码显示电路译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。（鉴于仿真时候的方便之处，在实际设计的时候我们采用够了4引脚的数码管，同时也将译码芯片换用成了74LS157）。图4 译码显示电路3.2.3 校时电路校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1、K2分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2开关是闭和的。当校正时位时，需要把K1开关打开，然后用手拨动K3开关，来回拨动一次，就能使时位增加1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把K1开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:图5 校 正 电 路3.2.4 整点报时电路仿广播电台整点报时电路设计,每当数字钟计时快到整点时发出响声,四低一高并且以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。图6 整点报时电路 3.2.5闹钟电路图7 闹钟电路4课程设计的电路原理图由以上所述的各部分功能电路我们可以得到主体电路图：图8 整体原理图5 课程设计中部分元器件的使用说明5.1集成异步十进制计数器74LS90集成异步十进制计数器74LS90它是二-五-十进制计数器，若将Qa与CKB相连从CKA输入计数脉冲其输出Qd、Qc、Qb、Qa便成为8421码十进制计数器；若将Qd与CKA相连，从CKB输入计数脉冲其输出Qd、Qc、Qb、Qa便成为5421码十进制计数器。74LS90具有异步清零和异步置九功能。当R0全是高电平，R9至少有一个为低电平时，实现异步清零。当R0至少有一个低电平，R9全是高电平时，实现异步置九。当R0、R9为低电平时，实现计数功能。 图9 8421 BCD码十进制 5421 BCD码十进制74LS90功能表如下:输入输出R01 R02 R91 R92Qd Qc Qb QAH H L H H LL H H L H HL L L LL L L LH L L HH L L H L L L L L LL L 计数计数计数计数表1 74LS90功能表5.2 555定时器图10 555定时器振荡器由555定时器构成。在555定时器的外部接适当的电阻和电容元件构成多谐振荡器，再选择元件参数使其发出标准秒信号。555定时器的功能主要由上、下两个比较器1、2的工作状况决定。比较器的参考电压由分压器提供,在电源与地端之间加上电压,且控制端悬空,则上比较器1的反相端“-”加上的参考电压为2/3,下比较器2的同相端“+”加上的参考电压为1/3。若触发端 的输入电压21/3,下比较器2输出为“1”电平,触发器的输入端接受“1”信号,可使触发器输出端为“1”,从而使整个555电路输出为“1”;若阈值端的输入电压62/3,上比较器1输出为“1”电平,触发器的输入端接受“1”信号,可使触发器输出端为“0”,从而使整个555电路输出为“0”。控制电压端外加电压可改变两个比较器的参考电压,不用时,通常将它通过电容(0.01左右)接地。放电管1的输出端为集电极开路输出,其集电极最大电流可达50,因此,具有较大的带灌电流负载能力。若复位端 加低电平或接地,可使电路强制复位,不管555电路原处于什么状态,均可使它的输出为“0”电平。只要在555定时器电路外部配上两个电阻及两个电容元件,并将某些引脚相连,就可方便地构成多谐振荡器。元器件清单型号功能备注74LS00四个2输入与非门一片74LS10三输入与非门三片74LS08四个2输入与门一片74LS21双4输入与门一片74LS157译码器六片74LS85四输入数值比较器四片74LS90二-五-十进制计数器十片数码管显示六片555定时器产生时间延迟和多种脉冲信号两片晶体管NPN型 一个电阻5.1k一个 22一个 1k一个100k可调一个 10k 五个LED显示器六块电键 三个电容0.01uF 两个表2 元件器清单元器件说明:在清单中所列的元器件均为实验室中有的，与所设计的电路图中所用元器件功能相同并且管脚相同，可以用74LS00替换7400、74LS04替换7404、74LS08替换7408、74LS21替换7421、74LS86替换7486、74LS90替换7490。 5仿真图及仿真结果图11 仿真图注释：1）由于设计之中要求实现的功能很多，所以电路略显繁琐，因此采用了引脚法。Z0代表接地，Z1代表电源。2）其中红绿蓝三种颜色分别代表时、分、秒的十位和个位。3）左上的第一个555定时器是提供源脉冲以驱动计时器开始工作（实际操作中直接用可调脉冲代替更加方便），第二个555定时器的作用则是提供500HZ信号。左下的4个74LS90则是闹钟电路（对应LS2扬声器）。左下的4个74LS85则是准点报时电路（对应LS1扬声器）。右边的6个74LS90和6个74LS157分别表示计数电路和译码电路。右下的则是校时电路。4）至于如何实现校时与闹钟功能则在仿真图上面有清晰说明绘图时没用555触发器产生的脉冲。f采用200HZ6设计总结6.1 电路功能测试按照设计要求，逐项测试电路功能1）数字钟计数功能测试：接通电源，在秒脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒分别为24、60、60进制。计数功能符合设计要求。2）校时功能测试：在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。3）整点报时功能测试：电路基数时，当时钟到达59分50秒时，电路发出整点报时信号，频率为1Hz，持续