徐海学院数字钟设计论文

1、第8页徐海学院2011届电子技术综合设计报告中国矿业大学徐海学院电子技术综合设计姓 名： 周 樱 学 号： 22110815 专 业： 信息工程 题 目： 多功能 数字钟 专 题： 电子技术综合设计 设计地点： 电工电子实验室 设计日期： 2013 年9月28日至10月7日 成 绩： 指导教师： 年 月 电子技术综合设计任务书学生姓名 周 樱 专业年级 信息11-1班 学号 22110815 设计日期： 2013 年 9月 28 日 至 2013 年 10 月 7 日设计专题： 电子技术综合设计设计题目：多功能数字钟设计内容和要求：1. 主要内容： 用 CC4518双四位BCD同步加计数器设计

2、60秒、60分、24小时归0的计数电路 用CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴数码管设计译码及显示电路（数码管需加限流电阻） 用555设计CP脉冲源 (f=1KH) 具有系统校准功能2. 整体电路原理图60秒、60分、24小时- 计数、译码、显示电路（用8K白纸手工画图）3. EWB仿真图60秒、60分、24小时- 计数、译码、显示电路（计算机打印）4. 设计原理图用PROTEL99设计原理图（计算机打印）5. 设计PCB版图用PROTEL99设计PCB板图（计算机打印）6. 功能扩展要求设计：定点报时功能 12小时归1计数电路指导教师签字： 年 月 日摘 要数字钟采用了C

3、C4511实现译码，CC4511 七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴数码管进行显示，将555构成多谐振荡器作为秒脉冲信号发生器，用发光二极管来输出显示；还采用了PROTEL99软件设计了原理图和PCB板图，但系统启动后，发现秒个位进行计数还未向秒时位进位时，其高位自动生成1，因此为了解决软件的漏洞，加入了消“1”功能；最后进行了焊接。基本实现了60秒、60分、24小时的计数、译码、显示并具有校准功能和自带秒脉冲信号发生器的功能，还进行了定点报时，仿电台报时，小时的计数为“12归1”等扩展功能。这个设计简单明了，按照功能设计单元电路，科学的实现了数字钟的功能。关键字：数字钟 译码 显示

4、计数 校准功能 目 录1 数字钟的基本组成及工作原理 6 1.1 数字钟的构成 6 1.2数字钟的工作原理 62 数字钟的设计与制作7 2.1 系统方案选择与论证 7 2.2 设计步骤与方法 7 2.2.1 NE555脉冲电路产生  7 2.2.2 计数器电路 9 2.2.3 译码显示电路 9 2.2.4 校时电路 11 2.3 数字钟仿真 11 2.3.1 数字钟电路原理图 12 2.3.2 系统整体仿真图 12 2.3.3 PCB板图 123 数字钟的扩展功能13 3.1定点报时13 3.2 12归113 4 数字钟的焊接及注意事项15 4.1 焊接元件清单 15 4.2 实际焊

5、接的印刷电路板元件分布图15 4.3 焊接注意事项 155 系统软、硬件调试 16 5.1系统软件调试过程中遇到的问题 16 5.2系统硬件调试过程中排查经过 166 总结及体会 177 参考文献188 附录 19 附录1. 数字钟电路原理图·····························19 附录

6、2. 数字钟电路Protel设计图······················20 附录3. 系统整体仿真图······················

7、3;········21 附录4. 实际焊接的印刷电路板元件分布图·············· 22附录5. 印刷电路板的元件分布图····················

8、3; 23附录6. 印刷电路板的元件布线图······················ 24附录7.主体电路元器件清单······················

9、;·· 25附录8. 扩展电路元器件清单························ 261 数字钟的基本组成及工作原理1.1 数字钟的构成数字钟是由多谐振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等多个部分构成的，灵活的运用用数字电路技术所学习的知识来实现时、分、秒计时。实际上是对一个标准频率进行计数的计数电路，计数的起始时间和标准时间保

10、持一致，我们需要校时电路进行修正，为了他准确稳定，我们需要加上震荡电路。本次数字钟是通过主体电路和扩展电路两大部分为主进行单元电路的设计 ，一一的实现单元电路功能再将它们集合一起，简单明了的设计思路可以方便我们排查电路中出现的错误。 1.2数字钟的工作原理 随着计算机的发展不断的提升，数字钟的设计也变得越来越多样化，用集成电路，单片机等都可以实现，这些方法各有风格和特点。比起机械钟，数字钟持久耐用的特点早已深入人心，便捷使用让全世界的各个角落都弥漫了数字钟多具特色的身影。振荡器产生的高频稳定的脉冲信号，经过分频器产生标准的秒脉冲，当秒钟达到60秒的时候就向分钟进位，分满60分的时候向小时进位，

11、小时则按照24小时的规律进行计数，再经过显示器进行显示。振荡器是数字时钟的核心，它保证了走时的准确性和稳定性，用555构成的多谐振荡器具有低功耗、输入阻抗高等优点；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。用与非门和非门组成校时电路对时间进行校正；计数器对时间累计而且以8421BCD码形式的输出， 为了将计数器的输出数码转换为数码显示，需要一定的电流和输出逻辑，选用CD4511作为显示译码电路，用LED数码管显示单元电路。  2 数字钟的设计与制作 2.1 系统方案选择与论证本次实验选择的是由整体到部分，由部分到单元的设计方法，思路清晰，

12、易于检查排错。用555构成多谐振荡器是低功耗、输入阻抗高。计数电路用CC4518双BCD同步加法计数器构成60,24进制计数器电路，在仿真软件中三个控制端都接高电平，CC4511 7段锁存/译码/驱动器，LC5011-11LED。 2.2 设计步骤与方法 用PROTEL99软件对数字钟进行仿真实验，设计原理图和PCB版图，并进行逐一修改和完善。只要仿真能实现数字钟的效果，焊接不出错，就成功的完成了本次实验。如图一所示从秒脉冲信号发生器到校正电路再经过秒分时的计数电路|、译码电路和显示电路，是本次实验的主体电路。从秒脉冲信号发生器到分频电路、触摸报时、报整点时数、仿电台报时、定时控制等是本次实验

13、的扩展电路。 图一 主体电路和扩展电路2.2.1 NE555脉冲电路产生555定时器属于中规模8脚集成定时器，通常在外接上不同的电容和电阻就能产生不同用途的脉冲电路，用途十分广泛，NE555脉冲电路如图2-1，间接反馈型无稳态电路，RA与VCC相连，用于脉冲输出、音响告警、家电控制、电子玩具、定时器、检测仪器等。它的操作电源范围非常的大，而且输出端的供给电流也很大，这样多种自动控制的负载就轻易的被供给的大电流给带动起来了。单稳态电阻R1、R2和电容C1这三个阻容构成了定时电路。电容C1上的电压UC是外触发电压，将定时电容C1所产生的电压送给高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）。连接在R1

14、和R2之间的是放电端D（7脚）。电压控制端K（5脚）不外接控制电压，接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。4脚是直接复位端，让它接入高电平，使NE555处于非复位状态。这种定时器具有精确的准确度，温度的稳定状态极佳，价格也十分便宜，因此被广大的消费群众所喜爱。 图二555芯片管脚 图三 符号功能说明如图二，1管脚 2管脚 3管脚 4管脚 5管脚 6管脚 7管脚 8管脚 VCCNE555构成多谐振荡器电路图图四NE555多谐振荡器电路图第27页徐海学院2011届电子技术综合设计报告 555脉冲输出的波形方波和三角波 图五 脉冲波形2.2.2 计数器电路用 CC4518（如图六）双四位BCD同

15、步加计数器设计60分，60秒，24小时的计数电路。由两个相同的同步4级计数器组成。内部由交换的CP和EN线，用于在时钟上升沿和下降沿所产生的计数累加。该芯片含有两个计数器，通过与门将其连接，高位用与门形成2进制的6，低位构成2进制的0.形成60进制计数器。将高位通过与门形成2进制钟的2，低位形成二进制的4就构成24进制。 图六 CC45112.2.3 译码显示电路用CC4511实现译码，LG5011AH共阴数码管实现显示。当脉冲进入CC4518产生计数后，CC4511芯片译码相连的数码管识别高低电平，相应数码管就开始点亮。 图七 CC4518如图七，LT可检查七段显示器各字段是否能正常发光。当

16、LT=0时，无论Q0-Q3状态如何，七段全部都显示。以检查各字段的好坏。当BI=0时，输出a-b为低电平，各字段熄灭。当BI=1，LI=1，LE=0，译码器开始工作。Q端输入8421BCD码时，译码器对应的输出端输出高电平1，数码管显示相应的数字。锁存是在LE从“0”转到“1”时，输出显示由输入的BCD码决定。图八 六十进制电路如图八，当CLK端接低电平时EN端为下降沿加计数。个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN端。每当个位计满9后就使高片计1从而完成计数。让十位计数到0110，即Q1、Q2接与门再对十位进行清零即可。 图九 二十四进制电路如图九，二十四进制和六十进制的本质是相同的，

17、都利用CLK端接低电平时EN端为下降沿加计数。个位向十位的进位脉冲，利用Q3的下降沿，接EN端。每当个位计满1001B后就使高片计1完成计数。不同之处在于此电路是计数到24。此时的清零工作分别要牵扯到十位和个位（0010 0100）利用个位的Q2和十位的Q1经过一个与门同时对两片CC4518芯片同时清零。完成24进制的计数。 图十 LG5011AH管脚图 图十一LG5011AH管脚功能数码管（如图十）内部已经将3端和8端连接在一起，在使用的时候使3端接地，8端悬空。数码管工作的电压为U1，电流为I1，译码管输出的高电平为Ua-g,则限流电阻上的电压为U-U1,则限流电阻的计算方法为(Ua-g-

18、U1)/I.2.2.4 校时电路在实际生活中秒信号的准确性和稳定性不能做到一定的精准没有误差，长久的使用也会影响准确度，因此需要校时电路。在进行分校时时不会影响秒和时的正常计时，在进行时校时时也不会影响分秒的正常计数。 图十二 校时电路原理图在至分个位计数器中，当开关S1打开输入高电平1，输入秒十位进位脉冲，当开关闭合时，输入低电平0，不能输入秒十位进位脉冲，但是经过非门变为1，校时脉冲就进入电路进行校时。在至时个位计数器中也是一样的道理。当两个开关S1,S2都闭合时，计数器开始计数。2.3 数字钟仿真数字钟的仿真用PROTEL99软件，但是软件都有漏洞，系统在启动后，发现秒个位进行计数还未向

19、秒时位进位时，其高位自动生成为1.于是加入了消1功能。 图十三 系统的消1上电瞬间，晶闸管是不导通的，计到8（1000）是，03A=1晶闸管导通，使CP0B=1，十位计数器具备计数条件；个位计数器从10011000时，03A=CP1B=0出现下降沿十位计数进行计时。， 2.3.1 数字钟电路原理图 （见附录1） 2.3.2 系统整体仿真图 （见附录3）2.3.3 PCB板图（见附录2） 3 数字钟的扩展功能 3.1定点报时定点报时的方法有很多，本次主要学习了以下两种方法： 图十四 定点报时一 图十五 定点报时二 74LS273是8位数据/地址锁存器，带有清除功能的8D触发器。1D-8D是输入，

20、Q1-Q8是输出功能；WR是主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片的内容被清除，输出全为0；CP端是触发端，上升沿触发，当为高电平时，能输入到芯片，当为低电平时数据锁存，则1D-8D的数据类型不变。有图可知，闹钟的定点报时十分精准，将我们需要定点报时的时间在闹钟上设置成功后，74LS273会自动锁存。当时间到达后，所有的CC4518,74LS273都输出高电平，经过与门，输出高电平，发出声音。3.2 12归1十二归一顾名思义，数码管计时满十二的时候便从一开始。该实验是为数字钟的60进制和24进制做铺垫和准备。 图十六 十二归一4 数字钟的焊接及注意事项 4.1 焊接元件清单（见附录7,8）

21、 4.2 实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附录4）实际焊接的电路板元件在焊接时尤其是排线的地方要注意，先焊接排线，再焊接小的元器件，最后焊接大德元器件。 4.3 焊接注意事项 在焊接时首先要注意用好的焊锡丝焊接。从小到大的顺序进行排列焊接，在焊接时要仔细，尽量不要出现漏焊，虚焊的问题。含有正负极的器件要注意区分，如二极管的长正短负，芯片的方向也要着重查看，不要弄反了。在焊接的时候要小心，一个一个的焊好，不能着急着焊完，反而使自己在排查错误的时候花费大量的时间和精力。焊接的形状最好是锥形的，在焊化焊锡丝的时候要快速，不然焊锡丝会氧化，失去它原来的光泽度。5 系统软、硬件调试 5.1系统软件调试

22、过程中遇到的问题在软件实验中发现起始时间不是从0开始而是从1开始的。原来是在EWB中的数码管显示问题是由于脉冲源会提前一个周期到达4518是软件自身的问题缺陷。可以用D触发器的延迟作用进行校正。有时候排线的布局也是非常麻烦的，在耐心的操作中得到了想要的效果。 5.2系统硬件调试过程中排查经过在初步完成焊接后，接入充电器发现整个板子都没有亮，经过排查后，发现秒的显示不正常，a管不显示。在仔细的检查和咨询同学后，发现自己的芯片安装反向了，于是我将芯片安装正确了。板子的晶体显示器亮起来了，但是秒钟出现了问题，原来是a管得电路焊接出现了虚焊的问题，找到问题所在了，我得电路板就焊好了。在做实验的时候少不

23、了同学朋友的交流，会让人学到不是的知识。6 总结及体会在本次的实验中，带给为的经验和教学让我受益匪浅。没有细心和耐心是完不成很多的事情的，但是最重要的还是对科研的执着专一热爱。在我拿到那个和家里墙壁上挂的时钟一样时，我觉得非常的开心。实验主要是对数字时钟这一类型的有关时钟问题的实验。首先要进行数字钟的原理知识的了解和设计，再进行原理图的安装和调试。封装是个重要的部分，需要很多的耐心。接着就是电路焊接以及结果调试。焊接的时候要小心仔细，在经过几次的焊接练习后，掌握焊接的技巧，焊接是一件十分快乐的事，但是还是需要好好的加以提升，当焊完后，还有种不带劲的感觉。我还学会了PROTEL99软件的使用，领略了一种新软件的神奇。软件的功能很强大，还需要我在以后好好的琢磨和使用。这让我感觉到了实验和原理的其实是有着很多差别的，虽然书本上的知识很多，但是一定要结合着实验，才能真正实现到知识带给人得切身利益，也可以加强我们的动手功能