课程设计--多功能数字钟设计报告书

武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 课程设计任务书 学生姓名: 戴 维 佳 专业班级: 信息sy1201班 指导教师: 刘 可 文 工作单位: 信息工程学院 题 目: 多功能数字钟的设计与实现 初始条件: 本设计既可以使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等,也可以使用单片机系统构建多功能数字钟。用数码管显示时间计数值。 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 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 撰写等 具体要求) 1、课程设计工作量:1周。 2、技术要求: 1)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。 2)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。 3)有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。 4)设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器， 5)具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。 6)确定设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，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 企业安全文化建设方案企业安全文化建设导则安全文明施工及保证措施创建安全文明校园实施方案创建安全文明工地监理工作情况 用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排: 1、 2013 年 3 月 18 日，布置课设具体实施 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 与课程设计报告格式的要求说明。 2、 2013 年 3 月 25 日至 2013 年 4 月 15 日，方案选择和电路设计。 3、 2013 年 4 月 16 日至 2013 年 6 月 5 日，电路调试和设计说明书撰写。 4、 2013 年 7 月 5 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 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 多功能数字钟的设计与实现 目 录 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 摘 要 目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。现在市场上出现了这样一类的电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所。这种新型的电子钟因其方便、直观的特点也得到了社会的欢迎，在社会上占有相当一部分市场。 数字电子钟是日常生活中常见的一种工具，大到机场等公共场所的时间屏幕，小到我们的手表、闹钟等，而且其报时功能也给人们提供了方便，因此，了解报时电子钟的工作原理是很有必要的，也很有趣，因此我选择了这个题目——多功能数字钟。 数字电子技术课程的核心内容是时序逻辑电路、组合逻辑电路和触发器，这些也是我们学电子的学生最基本要掌握的知识，通过实践可以加深对课本知识的理解，能够处理一些实际中的情况，因此这次数电课程设计，我选择了数字电子钟这个题目，虽然这在日常生活中很常见，看起来也比较简单，但是其中包含的学问很多。在这个项目中，校时是一个很重要的模块，既要可以正常校时，又不能干扰到时间计数显示模块，而时间显示比较简单，用熟悉的芯片就可以做出来了，老师说过，对芯片等元器件的了解程度等于将军手中可以调动的兵力，掌握了芯片功能，也就掌握了主动权。 这次课程设计的选题——多功能数字钟，不仅可以加深我对数字电子技术课程的理解，也可以提高自己的动手能力以及实际问题中解决问题的能力，培养对数字电子技术的兴趣。 关键词:时序逻辑电路;组合逻辑电路;触发器; I 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 Abstract Currently on the market to provide both mechanical clock or quartz clock at night without lighting conditions are not visible. To know the current time, you must first turn on the lights, it is inconvenience. Now appearing on the market of electronic clock such, it takes six LED digital tube to display when the minutes and seconds, and the traditional to the pointer display seconds in different ways, contrary to the traditional habit and idea of people, and this kind of electronic clock is generally used for large display, Yu Yin line, railway stations and other public places. This new type of electronic clock because of its convenient, intuitive also got social welcome, occupies a considerable part of the market in the community. Digital electronic clock is a common tool in the daily life, large airports and other public places time screen, small to our watches, alarm clocks and timekeeping function, but also has provided convenience for people, therefore, to understand the working principle of the time electronic clock is very necessary, but also very interesting, so I choose this subject -- the whole point timekeeping digital clock. Road and trigger, these are our most basic electronic students to master the knowledge, through practice can deepen the understanding of textbook knowledge, can deal with the real situation, so the number of electrical design courses, I chose this topic of digital electronic clock, although this is very common in our daily life, seemed more simple, but contains a lot of learning. In this project, the school is a very important module, not only to be the normal school, but not the disturbance to the time counting display module, and the time display is relatively simple, familiar with the chip can be done, the teacher said, on chip and other components of the understanding to the general hands to mobilize force, master chip function, will have the initiative. In the curriculum design topic -- the whole point timekeeping digital clock, can not only deepen our understanding of the digital electronic technology course, ability can also solve the problem to improve their practical ability and practical problems, to II 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 cultivate interest in digital electronic technology. Keywords:Sequential logic circuit;Combinational logic circuit;The trigger; III 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 1 设计目的 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。 数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。 1 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 2 设计要求 1)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。 2)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。 3)有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。 4)设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器， 5)具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。 6)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。 2 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 3 仿真软件Multisim介绍 3.1 Multisim概述 Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 3.2 Multisim 10功能简介 1、NI Multisim 10是美国国家仪器公司(NI,National Instruments)推出的目前Multisim中运用最广泛版本。 2、目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版(Power Professional)、专业版(Professional)、个人版(Personal)、教育版(Education)、学生版(Student)和演示版(Demo)等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。 3、NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 4、NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。 3 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 5、NI Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 信号发生器、双踪示波器、直流电源;而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 6、NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 7、NI Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 8、NI Multisim 10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外，NI Multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。 9、利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点:设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便;设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高;设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 10、NI Multisim 10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、 4 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 开发和创新的能力。 5 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 4 设计方案 4.1 方案一:采用小规模集成电路实现 采用集成逻辑电路设计具有能实现，时 分 秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。 4.2 方案二:EDA技术实现 采用EDA作为主控制外围电路进行电压，时钟控制键盘和LED控制，此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，在对电路进行检测比较困难。 4.2 方案三:单片机编程实现 在按键较少的情况下，采用独立式4个按键，经软件设计指定的I/O口，送出逻辑电平，控制数码管显示，根据数字电子钟的设计要求与原理以及特性，本系统采用单片机AT89C52串口输出的形式来设计电路，使功能及效果更完美。 4.3 结论: 比较以上三种方案的优缺点，方案一简洁灵活可扩展性好，能完全达到设计要求，同时符合本次课程设计的要求，故采用第一种方案。 4.4 设计思路总括 图4-1 设计思路网络图 6 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 5 各模块电路分析 5.1 1Hz标准脉冲发生器 5.1.1 设计方案 方案一:振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。 图5-1 石英晶体振荡器 方案一:由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源，如图3 所示。 7 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图5-2 1Hz标准脉冲发射器 555定时器 1) 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成 本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单 稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 2) 引脚图: 图5-3 555定时器构成多谢振荡器电路图 8 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 引脚功能:1脚:外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 8脚:外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。 3脚:输出端Vo 2脚:低触发端 6脚:TH高触发端 4脚:是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚:VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。 7脚:放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555定时器电路的功能表如表1示。 表5-1 555定时器功能表 5.2 译码显示电路 数字钟的译码显示电路由译码器4511BP和共阴极LED七段显示数码管组成,为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出和数码管的输入之间串联一个100Ω的电阻。 译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4511BP是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下:具有BCD转换、 9 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 图5-5 译码显示电路 4511BP的逻辑功能表如表 2 所示: 表5-2 4511译码器功能表 10 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 5.3 计数电路设计 计数电路采用异步二-五-十进制计数器74LS290，功能表如表3所示: 表5-3 74LS290功能表 它由一个一位二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由端CP0输入，输出由端引出，即得二进制计数器;如果计数脉冲由CP1端输入，输出由引出，即是五进制计数器;如果将与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出由引出，即得8421码十进制计数器。 由表可以看出，当复位输入R0(1)=R0(2)=1，且置位输入S9(1)?S9(2)=0时，74LS290的输出被直接置零;只要置位输入S9(1)?S9(2)=1，则74LS290的输出将被直接置9，即=1001;只有同时满足R0(1)?R0(2)=0和S9(1)?S9(2)=0时，才能在计数脉冲(下降沿)作用下实现二-五-十进制加法计数。 5.3.1 秒计数电路 11 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图5-6 秒计数电路 5.3.2 分计数电路 图5-7 分计数电路 5.3.3 时计数电路 图5-8 时计数电路 5.4 校时电路 12 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图5-9 校时电路 当闭合如图J9开关时，输入信号所在与门U34A被“锁”，U34B外接校时单脉冲信号源(按键开关)，通过U36A对时(分)电路进行校时。 5.5 整点报时电路 整点报时的功能要求是，每当数字钟计时快到整点时发出声响。当时钟还有十秒到整点时，蜂鸣器开始响，持续时间为十秒。 此电路是通过五个与门和一个蜂鸣器来实现的，每当分钟的十位为5，个位为9，并且秒钟的十位为5时，蜂鸣器接高电平，开始工作，直到到达整点停止。 整点报时电路如图11所示: 图5-10 整点报时电路 5.6 闹钟电路 13 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”;或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管时闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。 在本数字钟设计中，选用了四片74LS85三位比较器实现。 图5-11 闹钟电路 电路中，采用四个四位拨盘开关进行闹钟时间设定，同时采用四个数值比较器将闹钟时间与数码管显示的时、分数据进行比较，只有当两者的时、分四位数均相同时，通过四输入与门(图中使用四输入与非门和非门串联代替)对蜂鸣器施加高电位，使蜂鸣器发声，从而实现闹钟电路的设计。 6 仿真调试 6.1 总体仿真图 14 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 6.2 1Hz标准脉冲发生器仿真 15 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图6-1 1Hz标准脉冲发生器仿真结果 6.3 校时电路仿真 1)如图6-2和图6-3所示，现在的时间是00:08:06，且此时“分”校时开关处于断开状态，说明现在是处于正常计数状态; 图6-2 现时刻时钟显示示数 16 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图6-3 “分”校时电路现状态 2)如图6-4所示，现将“分”校时电路开关闭合 图6-4 “分”校时电路现状态 3)按动按键开关三次，结果如图6-5 17 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 图6-5 现时刻时钟显示示数 6.4 整点报时仿真 图6-6整点报时电路仿真结果 6.5 闹钟电路仿真 图6-7 通过拨盘开关所设的闹钟时间12:42 图6-8 达到闹钟时间时的电路状态 18 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 此时探针发光，说明模拟中的蜂鸣器正在发声 图6-9 过了闹钟时间的电路状态 7 结果分析与总结 7.1 分析总结 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， 19 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 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)闹钟功能测试:通过拨码开关调节定时的时和分，当时钟到达定时时刻时，蜂鸣器响起，探针发亮，闹钟时间为1分钟。闹钟功能符合设计要求。 4)整点报时功能测试:在每一个小时时刻，当时钟到达59分50秒时，电路发出整点报时信号，持续10秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。 5)通过以上测试，表明此次设计的电路符合了实验设计要求，达到了实验目的。 7.2 遇到问题与解决方法 1)一直无法使蜂鸣器发出声音，不能实现闹钟与报时提醒功能。 解决方法:在蜂鸣器那里接上一个指示探针，探针亮即表示蜂鸣器响，探针不亮即蜂鸣器不响。 2)开始仿真时，发现探针一直是亮的状态，不符合理论分析结果。 解决方法:忘了在闹钟电路与蜂鸣器之间加上一个非门，使闹钟电路出现反效果。加上非门后问题解决。 3)调动拨码开关定时后，发现闹钟不能在指定时刻响起。 解决方法:弄错了拨码开关与时间的对应关系，即拨码开关表示的时间与自己所想的时间不对应。理解后，重新调试可以成功。 8 参考文献 [1] 吕思忠，施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨:工程大学出版社，2001.09 [2] 现代数字电路与逻辑设计 清华大学出版社 北京交通大学出版社 [3] 电子电路测试与实验 朱定华主编. .北京:清华大学出版社，2004 20 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 [4] 谢自美.电子线路设计? 试验? 测试，第三版.华中科技大学出版社，2006.08 [5] 蒋黎红，黄培根.电子技术基础实验&Multisim 10仿真.电子工业出版社，2010.07 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 专业班级 题 目: 21 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计报告书 答辩或质疑记录: 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 指导教师签字:__________________ 年 月 日 22