课程设计（论文）数字钟的设计与制作

课程设计报告设 计： 专业名称： 班 级： 学号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 设计地点： 课程设计目录一、 封面二、 目录三、 设计任务书四、 数字钟的设计与制作1、 设计目的2、 设计要求3、 设计所需器材及工具4、 设计方案及论证 设计逻辑框图及原理方框图 “秒脉冲信号发生器”的设计、原理图，芯片引脚排列图及功能表 秒计数、译码/驱动及显示部分的设计 分计数、译码/驱动及显示部分的设计 时计数、译码/驱动及显示部分的设计 分时校准电路的设计5、 焊接技术及安装工艺6、 调试步骤及故障排除7、 附图五、 稳压电源的设计与制作1、 设计目的及要求2、 设计所需的器材及工具3、 设计内容及步骤 设计逻辑框图及电路原理图 常用电子仪表的使用及注意事项 常用电子元器件的认识及测量 通电调剂及故障排除六、 设计小结七、 设计参考资料数字钟的设计与制作一、设计目的 通过设计与实践，制作出具有准确显示小时、分、秒的数字钟，且可以校时。二、设计要求 数字钟的功能要求：用六位LED数码管显示时、分、秒，一24小时即使方式运行，使用按键开关可实现时分调整功能。三、设计所需器材与工具多功能数字钟主体电路元器件清单元件名称元件型号元件数量元件说明电路板通用板13孔连在一起的通用板（十行）电解电容47uF1极性电容瓷片电容30pF2无极性电容151pF1电阻10K4电阻4.7K6电阻520欧8电阻集成芯片SN74LS2441AT89C521单片机芯片插槽40孔140孔芯片插槽16孔116孔芯片插槽发光二极管2显示数码管共阳6七段共阳数码管开关小按钮开关4按钮头要高一点的晶振1 主要工具及附加材料：电烙铁、烙铁架、焊锡丝、松香、导线、镊子、钳子、数字万用表、吸锡器、剥线钳、等等。四、设计方案论证1、设计逻辑图及原理方框图逻辑框图 原理方框图 由上图的总体结构图可知，该设计大概可以分部分：秒脉冲产生部分、计数部分、显示部分、校时部分。在秒脉冲产生部分中，可以用振荡器或者555定时器予以实现，为了保证准确性，优先选用振荡器，但是由于个人技术问题，我们选用了555定时器来产生秒脉冲；在计数电路中，我们采用CD4518计数器，4518为双BCD同步加法计数器。在显示部分，我们采用CD4511芯片结合数码管来实现。最后的校时部分用四2输入与非门的CD4011芯片结合瓷片电容来完成。84562731555+VCCuoR1R2CC1+uC2、“秒脉冲信号发生器”的设计、原理图、芯片引脚排列图及功能表“秒脉冲信号发生器”的设计、原理图 振荡器是数字钟的核心部分。振荡器的稳定性及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说555产生出来的秒脉冲不太稳定，但是由于某种原因，本实验采用555定时器。其中要求R1、 R2为100K的电阻 C1为4.7mF、C2为0.01mF的电容，Vcc为+5V电源,GND接地。“脉冲信号发生器”是采用“555”定时器，所以下图为555芯片的引脚图及功能表。3、秒计数、译码/驱动及显示部分的设计 众所周知，秒、分、时分别为六十、六十、二十四进制(十二进制亦可)计数器那么“秒”和“分”计数器用两块十进制计数器级连来实现，它们的个位为十进制，十位为六进制，这样，符合人们通常计秒数的习惯。“时”计数也用两个十进制集成块，只是做成二十四进制，上述计数器均可用反馈清零法来实现。 秒计数采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“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，进位脉冲最终用CD4081的一个与门来实现。而CD4511芯片具有锁存译码驱动的功能，可以外接电阻驱动七段口LED数码管显示出来，以下即为秒计数器的设计原理图。见附图中图部分4、分计数、译码/驱动及显示部分的设计 分计数和秒计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”计数器的进位脉冲送入“分”计数器，每累计60分发出一个“时”脉冲信号，该信号将作为“时”计数器的时钟脉冲，进位脉冲最终用CD4081的又一个与门来实现，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来，以下即为分计数器的设计原理图。见附图中图部分5、时计数、译码/驱动及显示部分的设计 时计数和分计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“分”计数器的进位脉冲送入“时”计数器，但是是计数器采用的是24进制、且不需要进位脉冲，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来，以下即为分计数器的设计原理图。见附图中图部分 其中秒、分、时计数器都用到芯片CD4511、CD4518、CD4081和数码管，下面就针对秒、分、时的设计原理来介绍这些芯片的引脚及功能。 数码管是数字钟的显示部分，由七段LED和一个点构成，其引脚图如下CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件，MAX7219和他功能差不多。CD4511引脚功能： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4518是十进制双BCD同步加法计数器，内含两个单元的加计数器，下图为CD4518的引脚图及功能表。 CD4081是四2输入与门电路，其结构和CD4011差不多，具体引脚图如下。6、分时校准电路的设计 分时校准电路的原理是一样的。均是采用瓷片电容103和与门电路用开关来实现的，具体电路图如下。 平常计时状态下，开关处于断开状态，当需要校时时，按下开关，瓷片电容则放电，CD4011的引脚1、2是低电平，3引脚输出高电平，此时8引脚送入时钟脉冲，则10输出低电平，那么4输出一定是高电平，而且这个高电平被送入CD4518的1号时钟引脚，此时“分”必定加1，同理，若连续按下开关则“分”就会连续加1，即完成分校时。时校时电路的原理和分校时是一样的，不多做解释。五、焊接技术及安装工艺1、烙铁使用的注意事项新买的烙铁在使用之前必须先给它蘸上一层锡（给烙铁通电，然后在烙铁加热到一定的时候就用锡条靠近烙铁头），使用久了的烙铁将烙铁头部锉亮，然后通电加热升温，并将烙铁头蘸上一点松香，待松香冒烟时在上锡，使在烙铁头表面先镀上一层锡。 电烙铁通电后温度高达250摄氏度以上，不用时应放在烙铁架上，但较长时间不用时应切断电源，防止高温“烧死”烙铁头（被氧化）。要防止电烙铁烫坏其他元器件，尤其是电源线，若其绝缘层被烙铁烧坏而不注意便容易引发安全事故。 不要把电烙铁猛力敲打，以免震断电烙铁内部电热丝或引线而产生故障。 电烙铁使用一段时间后，可能在烙铁头部留有锡垢，在烙铁加热的条件下，我们可以用湿布轻檫。如有出现凹坑或氧化块，应用细纹锉刀修复或者直接更换烙铁头。2、 焊接技术（1） 通常握持电烙铁的方法有握笔法和握拳法两种。握笔法。适用于轻巧型的烙铁如30W的内热式。它的烙铁头是直的，头端锉成一个斜面或圆锥状的，适宜焊接面积较小的焊盘。 握拳法。适用于功率较大的烙铁，我们做电子制作的一般不使用大功率的烙铁（这里不介绍）。（2） 在印刷电路板上焊接引线的几种方法。印刷电路板分单面和双面2种。在它上面的通孔，一般是非金属化的，但为了使元器件焊接在电路板上更牢固可靠，现在电子产品的印刷电路板的通孔大都采取金属化。将引线焊接在普通单面板上的方法： 直通剪头。引线直接穿过通孔，焊接时使适量的熔化焊锡在焊盘上方均匀地包围沾锡的引线，形成一个圆锥体模样，待其冷却凝固后，把多余部分的引线剪去。直接埋头。穿过通孔的引线只露出适当长度，熔化的焊锡把引线头埋在焊点里面。这种焊点近似半球形，虽然美观，但要特别注意防止虚焊。3、安装工艺（1） 电路板设计与安装导线间距小于0.1mm 将无法进行蚀刻过程，因为如果蚀刻液在狭小的空间内不能有效扩散，就会导致部分金属不能被蚀刻掉。 UUy|/z% 如果导线宽度小于0.1mm ，在蚀刻过程中将会发生断裂和损坏。 L2|g 焊盘尺寸比孔的尺寸至少应大0.6mm 。 eLcP.;Z 合理放置较小元器件，以使其不会被较大的元器件遮盖。 ET1/oG 阻焊剂的厚度应不大于0.05mm。 q05_5 丝网印制标识不能和任何焊盘相交。 x BBQP 电路板的上半部应该与下半部一样，以 TA r; 达到结构对称。因为不对称的电路板可能会变弯曲。 nk9Kq2f: （2）、以下所列限制条件决定了板面的设计方法: r#wMd9) 用于产品原版胶片的翻拍照相机尺寸性能; ?tsYXU j 原图制表尺寸; w 6qT3v 最小的或最大的电路板操作尺寸; nmp(%;exN 钻孔精度; NvWwj%6 精良线形蚀刻设备。 .4A4-Cqe 六、调试步骤及故障排除 当完成数字时钟部分后，我们通电后发现“分”的个位数码管的b中发光管二极管不亮，对照数码管的引脚图，我可以看到b中的发光二极管对应的是6号引脚，然后我们就用万用表的二极管档测试该发光二极管，发现该二极管是亮的，说明数码管本身没问题。于是我就想可能是接线的问题，便着手去找6号引脚对应的接线，当我用万用表测试连线时，突然发现某一根连线两端的电阻为无穷大（理论上应为0），于是我便找原因，发现是一个焊点出现了虚焊，重新焊接后通电调试，发现没有问题，故障完全排除。七、附图数字钟及稳压电源原理图稳压电源的设计与制作一、设计目的及要求通过设计与实践做出+5v的直流稳压电源，为数字钟的主体部分提供连续稳定的电源。直流稳压电源的功能要求：输入220V交流电压，输出+5V直流电压，且电压稳定，能够使数字钟正常运行二、设计所需的器材及工具 直流稳压电源电路元器件清单元件名称元件型号元件数量元件封装元件说明变压器220V9V110W左右降压变压器电解电容100uF2耐压16V25V极性电容器电阻2K1AXIAL0.4电阻集成稳压器78051三端集成稳压器整流桥堆2W101整流发光二极管1显示两相插头1带半米导线带半米导线的两相插头备注/说明以上为直流稳压电源电路的元器件清单三、设计内容及步骤1、设计逻辑框图及电路原理图 逻辑框图 电路原理图2、常用电子仪表的使用及注意事项这里主要介绍万用表的使用及注意事项数字万用表由于具有测量精确、取值方便、功能齐全等优点，因此深受无线电爱好者的欢迎、最普通的数字方用表一般具有电阻测量、通断声响检测、二极管正向导通电压测量。交流直流电压电流测量、三极管放大倍数及性能测量等。有些数字万用表则增加了电容容量测量、频率测量、温度测量、数据记忆及语音报数等功能，给实际检测工作带来很大的方便。但是，数字方用表由于使用不当，在实际检测时易造成表内元件损坏，产生故障。本人根据在课程设计中造成数字万用表损坏的实际情况，总结出数字万用表在使用中的注意事项如下： 数字万用表损坏在大多数情况下是因测量档位错误造成，如在测量交流市电时，测量档位选择置于电阻挡，这种情况下表笔一旦接触市电，瞬间即可造成万用表内部元件损坏。因此，在使用万用表测量前一定要先检查测量档位是否正确。在使用完毕，将测量选择置于交流750V或者直流1000V处，这样在下次测量时无论误测什么参数，都不会引起数字万用表损坏 有些数字万用表损坏是由于测量的电压电流超过量程范围所造成的如在交流20V档位测量市电，很易引起数字万用表交流放大电路损坏，使万用表失去交流测量功能。在测量直流电压时，所测电压超出量量程，同样易造成表内电路故障。在测量电流时如果实际电流值超过量程，一般仅引起万用表内的保险丝烧断，不会造成其它损坏。所以在测量电压参数时，如果不知道所测电压的大致范围，应先把测量档置于最高档，通过测量其值后再换档测量，以得到比较精确的数值。如果所要测量的电压数值远超出万用表所能测量的最大量程，应另配高阻测量表笔。如检测黑白彩电的第二阳极高压及聚焦高压。 多数数字万用表的直流电压上限量程为1000V，因此测量直流电压时，最高电压值在1000V以下，一般不会损坏万用表。如果超出1000V，则很有可能造成万用表损坏。但是，不同的数字万用表的可测量电压上限值可能有所不同。如果测量的电压超出量程，可采取电阻降压的方法加以测量。另外，在测量40O1000V的直流高电压时，表笔与测量处一定要接触好，不能有任何抖动，否则，除了可能会造成万用表损坏而使测量不准确外，严重时还可使万用表无任何显示 在测量电阻时，应注意一定不要带电测量。 3、常用电子元件的认识及测量 这里主要介绍色环电阻及电位器、电解电容、整流桥、三端稳压片等电子元件（1）色环电阻及电位器 带有四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数量级范围内，例如是几点几K、还是几十几K的，再将前两环读出的数代进去，这样就可很快读出数来。 下面介绍掌握此方法的几个要点： 熟记第一、二环每种颜色所代表的数。可这样记忆：棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百 k等，这是读数时的特殊情况，要注意。例如第三环是红色，则其阻值即是整几k的。 记住第四环颜色所代表的误差，即：金色为5；银色为10；无色为20。 （2）电解电容 有的点解电容在电容的表面标有“”号，即是为负极，另一边则为正极不知道极性的电解电容可用万用表的电阻挡测量其极性。我们知道只有电解电容的正极接电源正（电阻档时的黑表笔），负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。测量时，先假定某极为“+”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），然后将电容器放电（既两根引线碰一下），两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。测量时最好选用R*100或R*1K档。 对于电容的质量和大小，可用万用表的电容档直接测量或根据个人经验，这里不多解释.（3）整流桥（1） 判别引脚极性 将数字万用表置于二极管档，把黑表笔固定接某一引脚，再用红表笔分别接触其余三个引脚，如果三次显示中两次为0.50.7V，一次为1.01.3V，则黑表笔所接的引脚则为全桥的直流输出端正极，另一端则必定是直流输出端负极，如果所得不是上述结果，可将黑表笔改换一个引脚重复以上测试步骤，直至得出正确结果为止。（2） 判别性能 在上述判别引脚极性的测量中，任意相邻两引脚间（即任何一只二极管）的导通电压应在0.50.7V内，四只二极管的导通电压越接近越好，而在反偏测量时，仪表必须显示溢出符号“1”。对于全桥内部某只二极管的短路性故障，可采用如下技巧进行判别：红表笔接d端，黑表笔接c端，应显示1.01.3V；测量a、b端两次（交换表笔）均应显示溢出符号“1”。若所测结果与上述范围不符，则表明被测全桥内部必定有短路性故障。（4） 三端稳压片 一般三端稳压片为78xx和79xx系列，我们常见的有7805、7812、7905等。78表示正，79表示负，05和12分别表示输出5V和12V直流稳压电源，如7805即表示+5V的直流稳压电源。我本次课程设计用的是7805整流桥堆，下面将以7805为例来说明。 78系列的稳压电源的接法最简单，拿起7805有字的面向自己，左边是输入端（7805的输入端不要超过20V就行，超过了20V的话7805可能会过热而保护）如果电压比较高的话最好在前面接电阻，中间是地，右边是输出，只有你输入端满足了它的要求输出就能出5V. 具体如下图所示4、通电调试及故障排除 在完成+5V直流稳压电源后通电调试，我们发现电源的发光二极管是持续亮的，经用万用表直流电压档测试后，确认输出电压为+5V左右，误差很小，电压也很稳定，因此直流稳压电源通电调试成功，无任何故障。六、设计小结 通过此次课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能力还是培养自己的性情方面。在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.在连接六进制,十进制,六十进制的进位及二十四进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的，所以在连接线路是就要求非常认真，要清楚了解各个连接点之间的关系，这样才能在实际焊接过程中得心应手，取得事半功倍的效果.在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的焊点所引起的.在焊接过程中，组员间配合的非常好，进度相当快，虽然在其中几个焊接中遇到几点非常困难的地方，但是还是被我们解决了，这就是团队的力量。在开始的设计和最后的调试过程是漫长的，有时我们为了一个问题要找很长时间，甚至要熬夜、顾不上吃饭等，我们既要在计算机前收集资料，又要在实验室验证，这个过程非常辛苦，但是也非常快乐。最后我们通过两个星期的艰苦奋斗，终于完成了数字表和直流稳压电源的制作，并调试成功，为此我们感到无比的自豪。七、设计参考资料 1 康华光主编.电子技术基础-数字部分（第五版）.高等教育出版社,2006 2 数字电子技术实验指导书 3 杨素行主编.模拟电子技术简明教程 (第三版). 高等教育出版社，2005 4 谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社,2000 5 吕思忠主编.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社,2001