电子技术综合设计课程设计-多功能数字钟.doc

第 24页电子技术综合设计姓 名： 学 号： 专 业： 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：2011年 月 日至2011年 月 日 成 绩： 指导教师： 年 月 电子技术综合设计任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期：2011 年 月 日 至 2011 年 月 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3. EWB仿真图60秒、60分、24小时- 计数、译码、显示电路4. 设计原理图用PROTEL99设计原理图5. 设计PCB版图用PROTEL99设计PCB板图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 要数字钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式。我们先从理论设计论证开始，先用EWB进行数字钟的仿真设计，实现了用NE555定时器组成的无稳态电路产生频率为1Hz的脉冲，然后再用CC4518实现了24、60进制的计数，用 CC4511与数码管实现了对计数输出进行译码与显示，最后结合门电路完成了主板的计数与校准功能。之后我们根据EWB中已经画好的仿真图用PROTEL99软件进行相应的原理图绘制，在做完封装及检查无误后生成PCB板，即完成了整个电路软件方面的设计工作。在软件设计工作结束后，我们即开始硬件的焊接工作。先焊接自带秒脉冲信号发生器以及能实现60秒、60分、24时的计数、译码、显示功能的主板电路，然后再焊接具有定点报时功能的扩展板电路。通过以上过程，即可完成整个多功能数字钟的软件及硬件的设计工作。关键词：数字钟 进制 CC4518计数器 CC4511译码显示目 录第一章 绪论1.1数字电子钟的背景61.2数字电子钟的意义61.3数字电子钟的应用6第二章 数字钟的基本原理2.1器件要求72.2系统工作原理72.3实现功能8第三章 数字钟的设计 3.1方案确定9 3.2秒脉冲发生器 3.2.1 555构成的多谐震荡器93.2.2 555构成的多谐震荡器电路图103.3秒、分、小时计数电路3.3.1 cc4518功能介绍 10 3.3.2 cc4518构成60、24进制计数单元电路原理11 3.4校时电路12 3.5扩展功能3.5.1闹时功能133.5.2定时报时电路13 3.6系统整体仿真图 3.6.1元件清单（见附1）17 3.6.2系统整体仿真图（见附2）18 3.6.3设计原理图（见附3）19 3.6.4设计PCB版图（见附4、5） 20 3.6.5 实际焊接的印刷电路板元件分布图（见附6）22第四章 性能调试 4.1系统性能测试与功能说明15 4.2软件调试问题及解决15总结16第一章 绪论1.1数字电子钟的背景 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。1.2数字电子钟的意义数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,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,远远超过老式钟表, 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。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.3数字电子钟的应用 数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于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。 第二章 数字钟的基本原理2.1器件要求 计数电路：用CC4518计数器译码电路：用CC4511译码显示电路：用LG5011AH共阴数码管秒脉冲信号发生器：用555多谐振荡器（用发光二极管作输出显示）2.2 系统工作原理工作原理 ： 数字钟电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，振荡电路和单次脉冲产生电路组成。其中电路系统由秒脉冲信号发生器、“时”、“分”、“秒”计数器、译码器及显示器、校准电路、整点报时电路组成。秒脉冲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，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”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分钟，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进制计时器，可实现对一天24小时的计时。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过显示驱动电路，七段显示译码器译码，在经过六位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现低、高音报时。校准电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。如图1所示多功能数字钟的组成框图。 图2-2 多功能数字钟的组成框图2.3实现功能采用51单片机系列AT89S51.对时钟进行控制单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。（1）开机时，显示12：00：00的时间开始计时；（2）P1.0/AD0控制“秒”的调整，每按一次加1秒； （3）P1.1/AD1控制“分”的调整，每按一次加1分； （4）P1.2/AD2控制“时”的调整，每按一次加1个小时；第三节 数字钟的设计3.1方案确定图3-1方案确定思想构架3.2秒脉冲发生器3.2.1 555构成的多谐震荡器 555芯片介绍1 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8 Vcc3.2.2 555构成多谐震荡器电路图图2 555构成多谐震荡器电路图 参数计算： f=1HZ R1=428.5K R2=500K C1=0.01F C2=1F T=1s 3.3秒、分、小时计数电路3.3.1 CC4518功能介绍用CC4518构成60、24进制计数电路，然后级联组成时、分、秒整体计数电路图3.3.1 CC4518管脚图 CLENR功能10加计数00加计数0不变0不变00不变10不变1Q3Q0=04518真值表3.3. 2 CC4518构成60、24进制计数单元电路原理图3.3.2 60进制计数单元电路图工作原理根据4518的功能表，当CP0处于上升沿、CP1A处于0时和清零端MRA处于0时，4518能正常从零开始计数。当低位向高位进位时，低位向高位的进位脉冲，用03A的下降沿接CP1B端，同时用有2个管脚与门连接00A、03A，输出端接CP0B端，这样当低位到9时，能自动向高位进1。当计数器到59时，用有2个管脚的与门连接高位的01B和02B为下一个4518提供脉冲，同时把输出端接清零端MRA，使得4518计数到59自动清零，从而使下一个输出为00。 图3.3.1 24进制计数单元电路图工作原理根据4518的功能表，当CP0处于上升沿、CP1A处于0时和清零端MRA处于0时，4518能正常从零开始计数。当低位向高位进位时，低位向高位的进位脉冲，用03A的下降沿接CP1B端，同时用有2个管脚与门连接00A、03A，输出端接CP0B端，这样当低位到9时，能自动向高位进1。当计数器到24时，用有3个管脚的与门连接低位的00A、02A和高位的01B，输出端接清零端MRA，使得4518计数到24自动清零，从而使下一个输出为00.3.4 校时电路S1S2功能11计数10校分01校时校时脉冲功能1HZ快校时单次脉冲慢校时 3.5扩展功能3.5.1闹时功能图2.6.1闹时功能电路工作原理：例如:上午7点59分发出闹时信号，持续1分钟。7点59分的对应的数字钟的状态分别为0111 十个位/0101 分十位/1001 分个位 闹时控制信号K=（Q2Q1Q0）（Q2Q0）(Q3Q0)=13.5.2定时报时电路图2.6.2定时报时原理图工作原理：74LS273是一种带清除功能的D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，而74LS266里面是四个异或非门，266的一端连着CC4518的输出管脚，由图2.6.2可知闹钟定时可以精确到秒的十位，其工作原理为当先将时钟调制到用户想要的点数，然后按下开关，74LS373会自动锁存住这一时间，而当时钟下一次运行至这一时间时，三个CC4518会发出高电平信号，连同的74LS373也会发出高电平信号，通过266的与或非门后到达74LS21，而74LS21中全是与门，则最终输出高电平，经过三极管进行数模信号转换后到达扬声器发出声音。3.6系统整体仿真图 3.6.1元件清单（附录1） 3.6.2系统整体仿真图（附录2） 3.6.3设计原理图（附录3） 3.6.4设计pcb版图（附录4、附录5） 3.6.5实际焊接的印刷电路板元件分布图（附录6）第四章 性能测试4.1 系统性能测试与功能说明走时：默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时-分分-秒秒”，有2个“-”动态显示，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。走时调整：按ksec对秒进行调整，按一下加一秒；按kmin对分进行调整，按一下加一分；按khour对时进行调整，按一下加一小时，从而达到快速设定时间的目的。4.2软件调试问题及解决 4.2.1系统软件仿真、硬件安装、调试遇到的问题1、原来我是和同学用的同一种方法，所以在EWB模拟仿真中，出现数码管初始不显示0状态，而是从1开始2、 在portal中进行电气检查的时候，发现自己线路中又有许多断点3、在生成PCB板的时候会产生封装错误4、由于副板要焊接的元件太多，所以线路很密，会有很多线把焊接孔堵住，而且完成主板和副版的焊接后，用排线将其连接后主板数码管的分十位不显示进位。 4.2.2记录问题现象、分析存在的原因1、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。可以用晶闸管和D触发器的延迟作用进行校正，但我是并不是用这两种方法，而是从芯片本身的连接上上来解决这个问题。2、 有些是元件不用的管脚应该要标记，以便让软件知道，还有一些是因为自己连线的时候没有连好。3、生成PCB板时产生的封装错误一、自己填写封装时填的就是错误的。二、可能是自己做的封装没有导入library库里。三、library库里面的封装没有导出应用。四、也可能是软件自身问题DIP-X中间的连字符的取舍问题。4、在焊接前没能布置好线的排列，导致一些线穿过焊接孔导致堵塞；数码管不进位可能是焊接时不小心造成短路也可能是芯片问题。总结我在这一次数字电子钟的设计过程中，很是受益匪浅。通过对自己在大学四年多的时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。这为我们今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我们运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我们运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次设计我们发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个实验十分有意义 我获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。附录附录1： 主 板序号型号参数数量（个）序号型号参数数量（个）1集成芯片CC4518311414862CC4511612电解电容100uF16V53CC4060113电容独石104124CC4040114电阻1/4W1M45芯片座16P1115220K56数码管LG5011AH616470427晶振3276811722028三极管PNP(1015)118微动开关6*6*649发光二极管5419稳压电源座3.5空心座110二极管IN4007420电路板扩 展 板18D锁存器74LS27337复位开关12同或门74LS26658自锁开关134输入2与门74 LS2149喇叭14芯片座20P310音乐片1514P911灰排线20P6三极管9013212电路板1附录2：附录3：数字钟电路设计图附录4 ：PCB板反面图附录5 PCB板布线图附录6参考文献1 曹国清.数字电路与逻辑设计.徐州：中国矿业大学出版社，19982 谢自美.电子线路设计实验测试.武汉：华中科技大学出版社，20003 康华光.电子技术基础数字部分（第四版）.北京:高等教育出版社,1998年第四版4 赵伟军. PROTEL99SE教程.北京:人民邮电出版社,2004（第一版）：47-54