課程設計--多功能數(shù)字鐘設計報告書

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 多功能數(shù)字鐘的設計與實現(xiàn)</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　本設計既可以使用集成譯碼器、計數(shù)器、定時器、脈沖發(fā)生器和必要的門電路等,也可以使用單片機系統(tǒng)構建多功能數(shù)字鐘。用數(shù)碼管顯

2、示時間計數(shù)值。</p><p>　　要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及技術要求，以及說明書撰寫等 具體要求）</p><p>　　1、課程設計工作量：1周。</p><p><b>　　2、技術要求：</b></p><p>　　1）設計一個數(shù)字鐘。要求用六位數(shù)碼管顯示時間，格式為00：00：00。</

3、p><p>　　2）具有60進制和24進制（或12進制）計數(shù)功能，秒、分為60進制計數(shù)，時為24進制（或12進制）計數(shù)。</p><p>　　3）有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能，能顯示時、分、秒計時的結果。</p><p>　　4）設計提供連續(xù)觸發(fā)脈沖的脈沖信號發(fā)生器，</p><p>　　5）具有校時單元、鬧鐘單元和整點報時單元。</p>

4、<p>　　6）確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。</p><p>　　3、查閱至少5篇參考文獻。按《武漢理工大學課程設計工作規(guī)范》要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應符合繪圖規(guī)范。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　

5、　1、 2013 年 3 月 18 日，布置課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求說明。</p><p>　　2、 2013 年 3 月 25 日至 2013 年 4 月 15 日，方案選擇和電路設計。</p><p>　　3、 2013 年 4 月 16 日至 2013 年 6 月 5 日，電路調試和設計說明書撰寫。</p><p>　　4、 2013 年 7

6、 月 5 日，上交課程設計成果及報告，同時進行答辯。</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p>　　多功能數(shù)字鐘的設計與實現(xiàn)</p><p><b>　　目

7、錄</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前市場上提供的無論是機械鐘還是石英鐘在晚上無照明的情況下都是不可見的。要知道當前的時間，必須先開燈，故較為不便?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)了這樣一類的電子鐘，它以六只LED數(shù)碼管來顯示時分秒，與傳統(tǒng)的以指針顯示秒的方式不同，違背了人們傳統(tǒng)的習慣與理念，而且這類電子鐘一般是采用大型顯示器件，

8、適用于銀行、車站等公共場所。這種新型的電子鐘因其方便、直觀的特點也得到了社會的歡迎，在社會上占有相當一部分市場。 </p><p>　　數(shù)字電子鐘是日常生活中常見的一種工具，大到機場等公共場所的時間屏幕，小到我們的手表、鬧鐘等，而且其報時功能也給人們提供了方便，因此，了解報時電子鐘的工作原理是很有必要的，也很有趣，因此我選擇了這個題目——多功能數(shù)字鐘。 </p><p>

9、;　　數(shù)字電子技術課程的核心內容是時序邏輯電路、組合邏輯電路和觸發(fā)器，這些也是我們學電子的學生最基本要掌握的知識，通過實踐可以加深對課本知識的理解，能夠處理一些實際中的情況，因此這次數(shù)電課程設計，我選擇了數(shù)字電子鐘這個題目，雖然這在日常生活中很常見，看起來也比較簡單，但是其中包含的學問很多。在這個項目中，校時是一個很重要的模塊，既要可以正常校時，又不能干擾到時間計數(shù)顯示模塊，而時間顯示比較簡單，用熟悉的芯片就可以做出來了，老師說過，對芯

10、片等元器件的了解程度等于將軍手中可以調動的兵力，掌握了芯片功能，也就掌握了主動權。 </p><p>　　這次課程設計的選題——多功能數(shù)字鐘，不僅可以加深我對數(shù)字電子技術課程的理解，也可以提高自己的動手能力以及實際問題中解決問題的能力，培養(yǎng)對數(shù)字電子技術的興趣。</p><p>　　關鍵詞：時序邏輯電路；組合邏輯電路；觸發(fā)器；</p><p><b&

11、gt;　　Abstract</b></p><p>　　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 o

12、n 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 differ

13、ent ways, contrary to the traditional habit and idea of people, and this kind of electronic clock is gener</p><p>　　Keywords:Sequential logic circuit;Combinational logic circuit;The trigger;</p><p

14、><b>　　1 設計目的</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。 </p><p>　　因此，我們此次設計與制作數(shù)字鐘就是為了

15、了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。</p><p><b>　　2 設計要求</b></p><p>　　1）設計一個數(shù)字鐘。要求用六位數(shù)碼管顯示時間，格式為00：00：0

16、0。</p><p>　　2）具有60進制和24進制（或12進制）計數(shù)功能，秒、分為60進制計數(shù)，時為24進制（或12進制）計數(shù)。</p><p>　　3）有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能，能顯示時、分、秒計時的結果。</p><p>　　4）設計提供連續(xù)觸發(fā)脈沖的脈沖信號發(fā)生器，</p><p>　　5）具有校時單元、鬧鐘單元和整點報時單元。<

17、;/p><p>　　6）確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。</p><p>　　3 仿真軟件Multisim介紹</p><p>　　3.1 Multisim概述</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適

18、用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。</p><p>　　工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工

19、程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。</p><p>　　3.2 Multisim 10功能簡介</p><p>　　1、NI Multisim 10是美國國家儀器公司（NI,National Instruments）推出的目前Multisim中運用最廣泛版本。</p><p>　　2、目前美國NI公

20、司的EWB的包含有電路仿真設計的模塊Multisim、PCB設計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute及通信電路分析與設計模塊Commsim 4個部分，能完成從電路的仿真設計到電路版圖生成的全過程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個部分相互獨立，可以分別使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4個部分有增強專業(yè)版（Power Professi

21、onal）、專業(yè)版（Professional）、個人版（Personal）、教育版（Education）、學生版（Student）和演示版（Demo）等多個版本，各版本的功能和價格有著明顯的差異。</p><p>　　3、NI Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。NI Multisim 10是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬

22、仿真軟件。 </p><p>　　4、NI Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產廠商的產品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設計中使用。</p><p>　　5、NI Multisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而

23、且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、失真儀、頻譜分析儀和網絡分析儀等。</p><p>　　6、NI Multisim 10具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設計人員分析電路的性能。</p>

24、<p>　　7、NI Multisim 10可以設計、測試和演示各種電子電路，包括電工學、模擬電路、數(shù)字電、射頻電路及微控制器和接口電路等?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。</p><p>

25、　　8、NI Multisim 10有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解說，Help中這種元器件功能解說有利于使用EWB進行CAI教學。另外，NI Multisim10還提供了與國內外流行的印刷電路板設計自動化軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能通過Windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進行編輯排版。支持VHDL和Verilog HDL語言的電路

26、仿真與設計。</p><p>　　9、利用NI Multisim 10可以實現(xiàn)計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統(tǒng)的電子電路設計與實驗方法相比，具有如下特點：設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；設計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗；可方便地對電路參數(shù)進行測試和分析；可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類

27、和數(shù)量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高；設計和實驗成功的電路可以直接在產品中使用。</p><p>　　10、NI Multisim 10易學易用，便于電子信息、通信工程、自動化、電氣控制類專業(yè)學生自學、便于開展綜合性的設計和實驗，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。</p><p><b>　　4 設計方案</b></p><p&g

28、t;　　4.1 方案一：采用小規(guī)模集成電路實現(xiàn) </p><p>　　采用集成邏輯電路設計具有能實現(xiàn)，時 分 秒計時功能和多點定時功能，計時數(shù)據(jù)的更新每秒自動進行一次，不需程序干預。</p><p>　　4.2 方案二：EDA技術實現(xiàn) </p><p>　　采用EDA作為主控制外圍電路進行電壓，時鐘控制鍵盤和LED控制，此方案

29、邏輯電路復雜，且靈活性較低，不利于各種功能的擴展，在對電路進行檢測比較困難。</p><p>　　4.2 方案三：單片機編程實現(xiàn) </p><p>　　在按鍵較少的情況下，采用獨立式4個按鍵，經軟件設計指定的I/O口，送出邏輯電平，控制數(shù)碼管顯示，根據(jù)數(shù)字電子鐘的設計要求與原理以及特性，本系統(tǒng)采用單片機AT89C52串口輸出的形式來設計電路，使功能及效果更完美。</p>

30、;<p><b>　　4.3 結論：</b></p><p>　　比較以上三種方案的優(yōu)缺點，方案一簡潔靈活可擴展性好，能完全達到設計要求，同時符合本次課程設計的要求，故采用第一種方案。</p><p>　　4.4 設計思路總括</p><p>　　圖4-1 設計思路網絡圖</p><p><b>

31、　　5 各模塊電路分析</b></p><p>　　5.1 1Hz標準脈沖發(fā)生器</p><p>　　5.1.1 設計方案</p><p>　　方案一:振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產生時間標準信號。因此，一般采用石英晶體振蕩器經過分頻得到這一時間脈沖信號

32、。</p><p>　　圖5-1 石英晶體振蕩器</p><p>　　方案一：由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源，如圖3 所示。</p><p>　　圖5-2 1Hz標準脈沖發(fā)射器</p><p><b>　　555定時器</b></p>&

33、lt;p>　　555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　　圖5-3 555定時器構成多謝振蕩器電路圖</p><p>　　引腳功能

34、：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。</p><p><b>　　3腳：輸出端Vo</b></p><p><b>　　2腳：低觸發(fā)端</b></p&g

35、t;<p><b>　　6腳：TH高觸發(fā)端</b></p><p>　　4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。</p><p>　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入

36、干擾。</p><p>　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。</p><p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為的情況下，555定時器電路的功能表如表1示。</p><p>　　表5-1 555定時器功能表</p><p>　　5.2 譯碼顯示電路</p><p

37、>　　數(shù)字鐘的譯碼顯示電路由譯碼器4511BP和共陰極LED七段顯示數(shù)碼管組成,為避免譯碼器輸出的電壓過高，在譯碼器的輸出和數(shù)碼管的輸入之間串聯(lián)一個100Ω的電阻。</p><p>　　譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。4511BP是一個用于驅動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉

38、換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。</p><p>　　圖5-5 譯碼顯示電路</p><p>　　4511BP的邏輯功能表如表 2 所示：</p><p>　　表5-2 4511譯碼器功能表</p><p>　　5.3 計數(shù)電路設計</p><p>　　計

39、數(shù)電路采用異步二-五-十進制計數(shù)器74LS290，功能表如表3所示：</p><p>　　表5-3 74LS290功能表</p><p>　　它由一個一位二進制計數(shù)器和一個異步五進制計數(shù)器組成。如果計數(shù)脈沖由端CP0輸入，輸出由端引出，即得二進制計數(shù)器；如果計數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由引出，即是五進制計數(shù)器；如果將與CP1相連，計數(shù)脈沖由CP0輸入，輸出由引出，即得8421碼十進制計數(shù)器

40、。</p><p>　　由表可以看出，當復位輸入R0(1)=R0(2)=1，且置位輸入S9(1)·S9(2)=0時，74LS290的輸出被直接置零；只要置位輸入S9(1)·S9(2)=1，則74LS290的輸出將被直接置9，即=1001；只有同時滿足R0(1)·R0(2)=0和S9(1)·S9(2)=0時，才能在計數(shù)脈沖(下降沿)作用下實現(xiàn)二-五-十進制加法計數(shù)。</

41、p><p>　　5.3.1 秒計數(shù)電路</p><p>　　圖5-6 秒計數(shù)電路</p><p>　　5.3.2 分計數(shù)電路</p><p>　　圖5-7 分計數(shù)電路</p><p>　　5.3.3 時計數(shù)電路</p><p>　　圖5-8 時計數(shù)電路</p><p><

42、;b>　　5.4 校時電路</b></p><p><b>　　圖5-9 校時電路</b></p><p>　　當閉合如圖J9開關時，輸入信號所在與門U34A被“鎖”，U34B外接校時單脈沖信號源（按鍵開關），通過U36A對時（分）電路進行校時。</p><p>　　5.5 整點報時電路</p><p>

43、;　　整點報時的功能要求是，每當數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。當時鐘還有十秒到整點時，蜂鳴器開始響，持續(xù)時間為十秒。</p><p>　　此電路是通過五個與門和一個蜂鳴器來實現(xiàn)的，每當分鐘的十位為5，個位為9，并且秒鐘的十位為5時，蜂鳴器接高電平，開始工作，直到到達整點停止。</p><p>　　整點報時電路如圖11所示：</p><p>　　圖5-10 整點報時電

44、路</p><p><b>　　5.6 鬧鐘電路</b></p><p>　　在指定的時刻發(fā)出信號，或驅動音響電路“鬧時”；或對某裝置的電源進行接通或斷開“控制”。不管時鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。</p><p>　　在本數(shù)字鐘設計中，選用了四片74LS85三位比較器實現(xiàn)。</p>

45、<p>　　圖5-11 鬧鐘電路</p><p>　　電路中，采用四個四位撥盤開關進行鬧鐘時間設定，同時采用四個數(shù)值比較器將鬧鐘時間與數(shù)碼管顯示的時、分數(shù)據(jù)進行比較，只有當兩者的時、分四位數(shù)均相同時，通過四輸入與門（圖中使用四輸入與非門和非門串聯(lián)代替）對蜂鳴器施加高電位，使蜂鳴器發(fā)聲，從而實現(xiàn)鬧鐘電路的設計。</p><p><b>　　6 仿真調試</b>

46、;</p><p><b>　　6.1 總體仿真圖</b></p><p>　　6.2 1Hz標準脈沖發(fā)生器仿真</p><p>　　圖6-1 1Hz標準脈沖發(fā)生器仿真結果</p><p>　　6.3 校時電路仿真</p><p>　　如圖6-2和圖6-3所示，現(xiàn)在的時間是00:08:06，且此時

47、“分”校時開關處于斷開狀態(tài)，說明現(xiàn)在是處于正常計數(shù)狀態(tài)；</p><p>　　圖6-2 現(xiàn)時刻時鐘顯示示數(shù)</p><p>　　圖6-3 “分”校時電路現(xiàn)狀態(tài)</p><p>　　如圖6-4所示，現(xiàn)將“分”校時電路開關閉合</p><p>　　圖6-4 “分”校時電路現(xiàn)狀態(tài)</p><p>　　按動按鍵開關三次，結果如

48、圖6-5</p><p>　　圖6-5 現(xiàn)時刻時鐘顯示示數(shù)</p><p>　　6.4 整點報時仿真</p><p>　　圖6-6整點報時電路仿真結果</p><p>　　6.5 鬧鐘電路仿真</p><p>　　圖6-7 通過撥盤開關所設的鬧鐘時間12:42</p><p>　　圖6-8 達到

49、鬧鐘時間時的電路狀態(tài)</p><p>　　此時探針發(fā)光，說明模擬中的蜂鳴器正在發(fā)聲</p><p>　　圖6-9 過了鬧鐘時間的電路狀態(tài)</p><p><b>　　7 結果分析與總結</b></p><p><b>　　7.1 分析總結</b></p><p>　　1）數(shù)字

50、鐘計數(shù)功能測試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、60進制。計數(shù)功能符合設計要求。</p><p>　　2）校時功能測試：在顯示時鐘時間時，按動時鐘調時、時鐘調分按鈕開關時，時、分均可以調節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設計要求。</p><p>　　鬧鐘功能測試：通過撥碼開關調節(jié)定時的時和分，當時鐘到達定時時刻時，蜂鳴器響起，探針發(fā)亮

51、，鬧鐘時間為1分鐘。鬧鐘功能符合設計要求。</p><p>　　整點報時功能測試：在每一個小時時刻，當時鐘到達59分50秒時，電路發(fā)出整點報時信號，持續(xù)10秒鐘后，報時停止。整點報時功能符合設計要求。</p><p>　　通過以上測試，表明此次設計的電路符合了實驗設計要求，達到了實驗目的。</p><p>　　7.2 遇到問題與解決方法</p><

52、;p>　　一直無法使蜂鳴器發(fā)出聲音，不能實現(xiàn)鬧鐘與報時提醒功能。</p><p>　　解決方法：在蜂鳴器那里接上一個指示探針，探針亮即表示蜂鳴器響，探針不亮即蜂鳴器不響。</p><p>　　開始仿真時，發(fā)現(xiàn)探針一直是亮的狀態(tài)，不符合理論分析結果。</p><p>　　解決方法：忘了在鬧鐘電路與蜂鳴器之間加上一個非門，使鬧鐘電路出現(xiàn)反效果。加上非門后問題解決。

53、</p><p>　　調動撥碼開關定時后，發(fā)現(xiàn)鬧鐘不能在指定時刻響起。</p><p>　　解決方法：弄錯了撥碼開關與時間的對應關系，即撥碼開關表示的時間與自己所想的時間不對應。理解后，重新調試可以成功。</p><p><b>　　8 參考文獻</b></p><p>　　[1] 呂思忠，施齊云.數(shù)字電路實驗與課程設計

54、.哈爾濱：工程大學出版社，2001.09</p><p>　　[2] 現(xiàn)代數(shù)字電路與邏輯設計  清華大學出版社  北京交通大學出版社</p><p>　　[3] 電子電路測試與實驗 朱定華主編. .北京：清華大學出版社，2004</p><p>　　[4] 謝自美.電子線路設計· 試驗· 測試，第三版.華中

55、科技大學出版社，2006.08</p><p>　　[5] 蔣黎紅，黃培根.電子技術基礎實驗&Multisim 10仿真.電子工業(yè)出版社，2010.07</p><p>　　本科生課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字：__________________ </p><p>　　年