六位数字钟设计郑航数电课程设计报告Word下载.docx

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3锻炼动手能力，培养工程师的基本技能。

4提高分析问题和解决问题的能力。

（二）六位数字钟设计

1.设计目的

1学习了解数码管、计数器、译码器及一些器件的逻辑功能和使用方法。

2学习和掌握数字钟的设计方法及工作原理。

熟悉集成电路的引脚安排，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法了解面包板结构及其接线方法。

3了解PCB板的制作流程及提高自己的动手能力。

4学习使用Proteus软件进行电子电路的原理图设计。

5学习手工焊接的方法以及电路的调试。

2.要实现的电路具体功能

1设计一个二十四小时制的数字钟，时、分、秒分别完成二十四进制、六十进制、六十进制的功能，以此来完成计时的功能。

2能够准确校时，可以分别对时、分进行单独校时，并可以将秒暂停，使其到达标准时间。

3能够准确计时，以数字形式显示时、分、秒。

二、电路详细设计

（一）电路模块化的系统结构图及解释说明

如图1所示：

图1电路模块化的系统结构图

（二）各模块详细设计过程

1振荡电路：

振荡电路是由555定时器和一些电阻电容构成的1秒脉冲发生器。

使得振荡电路提供上升沿，并实现每隔1秒左右跳变一次必须根据公式为其加上两个特定数值的电阻以及一个特定数值的电容，这些确定后就开始把各个管脚处连接上。

8、4端接高电平，5、2端分别接一个电容后接地，1端接低电平接地，3端输出口外接，2、6端相接，7、8端之间接1个电阻，7、6端之间接1个电阻。

设计效果如图2所示。

原理公式：

f=1.43/（R1+2R2）CT=1/f

图2振荡电路

2计数电路：

主要是由6片二、十进制同步加计数器CD4518组成。

分为秒计数电路（两个CD4518）、分计数电路（两个CD4518）、时计数电路（两个CD4518）。

A.秒计数电路

将4518的输出端分别连接到4511对应的输入端，个位的输入端接振荡电路脉冲输出，十位数的进位依靠个位的4518的到9清零的进位而其Q3产生的下降沿触发造成，因此将十位的CLK端接地，将个位的Q3后连接到十位4518上的使能输入端，通过其异端清零的性质进行进位，其余的管脚按其性质对应接高低电平。

十位上再在5对应的二进制数上接一个与门连接到CLK端实现到6清零。

设计效果如图3所示。

图3秒计数电路

B.分计数电路

与秒计数电路类似。

为了使的十位到达6的时候进位，所以必须将5所对应的二进制数通过一个与门连接到分计时电路个位的使能输入端，从而达到从秒到分的进位。

设计效果如图4所示。

图4分计数电路

C.时计数电路

时计数电路需要做到24清零，因此要将十位上的2转化为二进制并于个位上的3对应的二进制相连并接上一个与门后分别接到十位和个位的清零端实现到24的清零。

设计效果如图5所示。

图5时计数电路

37段显示译码电路：

由6片七段码译码器CD4511组成。

根据功能将每片CD4511的LT、BI端接高电平，LE端接地。

将每一片的输入端A、B、C、D接到与之相应的CD4518相应的输出端，将输出端接至7段式数字显示器相应的输入端。

设计效果如图6所示。

图6七段显示译码电路

4数字显示电路：

由6片7段式数字显示器组成。

将每片数字显示器的接地端接地，输入端接对应的CD4511的输出端。

设计效果如图7所示。

图7数字显示电路

（三）关键芯片和用法的详细介绍

1.CD4511

CD4511是一片用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码-七段码译码器。

可直接驱动共阴LED数码管。

使用方法：

在CD4511的A,B,C,D脚输入0-9的BCD码,数码管就显示0-9字符，其中a为最低位。

LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。

BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。

其引脚图如图8所示，真值表如图9所示。

图8CD4511引脚图

图9CD4511真值表

2.CD4518

CD4518是二、十进制同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。

每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。

由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；

若用CL℃K信号上升沿触发，触发信号由CL℃K端输入，ENABLE端置“1”。

RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。

其引脚图如图10所示，功能表如图11所示。

图10CD4518引脚图

图11CD4518真值表功能

CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；

当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；

当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；

当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。

这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。

从而实现了0-9的十进制循环。

（四）最终合成的完整原理图

最终合成的完整原理图如图12所示：

图12完整原理图

三、仿真及设计

（一）仿真软件和仿真步骤的简要介绍

1.仿真软件

本次课设所使用的仿真软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件Proteus。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。

2.仿真步骤

1在编辑区域放置所需要的元器件（有仿真模型的），并按照原理图所示进行位置摆放与电线连接，最终得到仿真电路图。

2在左下角的“▶”按钮运行仿真，左下角同时还有暂停和停止按钮方便进行仿真控制。

3如需要对电路原理图进行修改，需要先停止电路仿真。

（二）仿真结果

1.仿真结果展示

仿真结果如图13所示：

图13Proteus仿真结果

2.仿真结果分析

仿真结果为在秒脉冲作用下秒显示器显示达到60清零并使分进一位；

分显示器显示达到60清零并使时进一位；

时显示器显示达到24时清零。

仿真结果符合预期。

3.问题及解决对策

仿真过程出现的主要问题是仿真原件没有仿真模型导致无法仿真（可能是因为计算机兼容性问题）。

经过网上查询资料，得知通过替换有仿真模型的相同原件即可解决。

经修改后仿真正常。

四、电路调试及分析

（一）基础知识及注意事项

1.面包板常识知识介绍

面包板是由于板子上有很多小插孔，专为电子电路的无焊接实验设计制造的。

由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，适合进行电子电路的组装、调试和训练。

其构造特点及功能如图14所示。

图14面包板构造特点及功能

2.调试电路的一般步骤和注意事项

1一般步骤：

A.观察元件的安装情况

B.观察连线是否正确

C.通电检查。

D.观察是否有异味，触摸电路板是否有灼热的地方。

2注意事项：

A.正确使用测试仪器的接地端。

B.正确的选择测试点。

C.测试方法要方便可行。

D.调试过程中，不但要认真观察和测量，还要善于记录。

（二）用面包板调试两位十进制计数器

1.过程及结果

1过程：

将七段显示数码管安装在面包板上，在按照对应管脚的连接方式连接起来，将电阻一一对应连接，之后再将导线与4511和4518接对应接上，将低高电平的导线各自接起来并分别引出一根，接上不超过5V的直流电源进行测试。

2结果：

个位的数码显示器显示逢十清零，同时使十位进一位；

十位的数码显示器显示逢6清零。

调试结果符合预期，如图15所示。

图15调试结果

2.问题分析及解决方案

调试过程中由于操作员疏忽导致某两个电阻短路，使得十位的LED某显示段烧坏。

通过改正与操作员谨慎程度的增加，有效地解决了这个问题。

五、实物制作及分析

（一）实物套件对应功能原理图及元器件清单

1原理图：

如图16所示。

图16功能原理图

2元器件清单：

如图17所示。

图17元器件清单

（二）实物组装和焊接注意事项、详细操作步骤

1.实物组装

安装顺序：

先装电阻，后装二极管，接着装跳线，之后装开关，再安装IC底座，集成芯片最后安装。

完成后安装瓷片电容，之后安装晶振，拨动开关、数码管、发光二极管，电解电容，最后安装集成电路。

2.焊接注意事项

1选用合适的焊锡，应选用焊接电子元件用的低熔点焊锡丝。

2助焊剂，用25%的松香溶解在75%的酒精（重量比）中作为助焊剂。

3电烙铁使用前要上锡，具体方法是：

将电烙铁烧热，待到刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡。

4焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。

5焊点应呈正弦波峰形状，表面应光亮圆滑，无锡刺，锡量适中。

6焊接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化后的助焊剂影响电路正常工作。

7集成电路应最后焊接，电烙铁要可靠接地，或断电后利用余热焊接。

或者使用集成电路专用插座，焊好插座后再把集成电路插上去。

8电烙铁应放在烙铁的架上。

3.焊接详细操作步骤

把焊盘和元件的引脚用细砂纸打磨干净，涂上助焊剂。

用烙铁头沾取适量焊锡，接触焊点，待焊点上的焊锡全部熔化并浸没元件引线头后，电烙铁头沿着元器件的引脚轻轻往上一提离开焊点。

（三）实物实现效果

1.实现效果

1数字钟准确计时，以数字形式显示时、分、秒。

2可通过控制器进行准确校时，可以分别对时、分进行单独校时，并可以将秒暂停，校时其到达标准时间。

3时、分、秒分别完成了二十四进制、六十进制、六十进制的功能，以此来完成计时的功能。

4实物实现效果总体符合预期，如图18所示：

图18实物实现效果图

2.存在问题分析及解决方案

初次调试时出现了显示分钟的数码管不亮，其余则正常的现象。

原因是焊接不严格导致接触不良。

后重新将相关引脚仔细排查并补充焊接，并剪掉多出的较长的引脚线。

经修理后重新调试实现了理想的预期效果。

学生总结

学生签名

年月日

课设成绩

考勤

（10分）

仿真答辩（20分）

调试

制作答辩（20分）

课设报告

（40分）

总分

（100分）

能力评价

1、理论知识：

优秀（）；

良好（）；

中等（）；

合格（）；

不合格（）；

2、实践能力：

3、其他意见：

指导教师

年月日