电子设计具有整点报时功能的数字钟.docx

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电子设计具有整点报时功能的数字钟

目录

绪论1

1数字钟的工作原理1

2数字钟的各部分设计2

2.1振荡器电路、分频器2

2.2计数器2

2.2.1秒计数器3

2.2.2分计数器4

2.2.3时计数器4

2.3译码器5

2.4显示器7

3校时与整点报时8

4安装与调试8

4.1安装所用器材8

4.2安装与调试8

4.2.1计数器CC4518的安装与调试9

4.2.1译码器/驱动器CC4511的安装与调试9

4.2.2显示器C5013HO的安装与调试10

4.3调试结果分析10

5感想10

6致谢11

参考文献12

具有整点报时功能的数字钟

绪论

20世纪末，电子技术取得了飞速的发展，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，一旦是重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。

尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。

注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。

手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。

所以，要制作一个定时系统，随时提醒这些容易忘记时间的人。

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、定时启闭电路、定时开关烘箱、中断动力设备，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数字钟的工作原理

数字钟的核心器件之一是振荡器，由振荡器产生的时间标准信号，作为分频器的输入信号，分频器将1KHz的时间标准信号分频后，得到1Hz的“秒”计时信号，将1Hz的时间脉冲信号输入“秒”计数器中，每输入60个计数脉冲，“秒”计数器本身完成一轮循环计数，同时向“分”计数器输出一个进位脉冲；“分”计数器也是60进制，当来自“秒”进位脉冲的个数为60个时，“分”计数器向“时”计数器输入一个进位脉冲；“时”计数器采用24进制。

当来自“分”计数器的脉冲个数为24时，“时”、“分”、“秒”计数器同时清零。

译码器把“时”计数器、“分”计数器、“秒”计数器的输出状态翻译成对应的高、低电平，去驱动显示器件工作，显示器来显示“时”、“分”、“秒”计时的结果，供直接读取。

校时电路则采用截断正常的计数通路,然后再次进行人工触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态。

整点

报时功能则由蜂鸣器与“分”向“时”的脉冲信号相连，每当“时”进位时，蜂鸣器就会蜂鸣报时。

其原理框图如图1-1所示。

图1-1数字钟原理框图

2数字钟的各部分设计

2.1振荡器电路、分频器

该部分由同组人某某完成。

2.2计数器

能够累计CP脉冲（又称为计数脉冲）个数的逻辑电路称为计数器。

计数器由没有空翻的触发器组成，计数器可以用于计数、分频、定时以及产生序列脉冲。

计数器按照时钟脉冲的引入方式分类有同步计数器和异步计数器。

所有的触发器受同一个CP脉冲的控制时，称为同步计数器；所有的触发器不是受同一个CP脉冲的控制时，称为异步计数器。

计数器按照计数长度分类有二进制计数器，二—十进制计数器和任意进制计数器。

按照二进制的规律计数的计数器称为二进制计数器；按照二—十进制编码的规律计数的计数器称为二—十进制计数器；能够完成任意计数长度的计数器称为任意进制计数器，常用的有六进制计数器、十二进制计数器和六十进制计数器。

按照计数器的状态的变化规律分类有加法计数器、减法计数器和可逆计数器。

若计数器的状态随着CP脉冲的个数的增加而增加，称为加法计数器；若计数器的状态随着CP脉冲个数的增加而减少，称为减法计数器；在控制信号作用下，既可以加法计数又可以减法计数的计数器称为可逆计数器。

集成计数器品种很多，如二进制加法计数器74LS161、十六进制可逆计数器74LS191、可预置二进制可逆计数器74LS169、双四位二进制同步加法计数器CC4520、同步十进制加法计数器74LS160、同步十进制加法计数器74LS162和双BCD同步加法计数器CC4518等。

本设计采用双BCD同步加法计数器CC4518来实现计数功能。

2.2.1秒计数器

CC4518的引脚图如图2-1所示。

CC4518的功能表如表2-1所示。

图2-1CC4518引脚图

表2-1CC4518功能表

CC4518的功能表

CLK

EN

R

功能

↑

1

0

加计数（上升沿）

0

↓

0

加计数（下降沿）

↓

×

0

不变

×

↑

0

不变

↑

0

0

不变

1

↓

0

不变

×

×

1

Q1—Q4=0

表2-1中R为清零端，高电平有效，即R=1时Q1～Q4=0。

正常计数时R接“0”。

CLK、EN为计数脉冲输入端，CLK（EN=1）为上升沿加计数，EN（CLK=0）为下降沿加计数，其他输入的情况下，计数器不计数，保持原状态不变。

“秒”计数器的“个位”为十进制，“十位”为六进制。

“个位”的Q4与“十位”的CLK相连，EN端均接+5V，使“十位”为上升沿触发，“十位”的Q2、Q3经过一个“与非门”和一个“非门”的转换，再与“个位”和“十位”的R端相连，使“秒”计数器清零。

信号发生器向“秒”计数器输入十个计数脉冲，“秒”计数器的“个位”向“十位”送入一个进位信号，来自“个位”的六个进位信号使得“十位”

向“分”计数器发生进位，同时“秒”计数器的“个位”与“十位”清零。

“秒”计数器的电路连接图如图2-2所示。

图2-2秒计数器电路图

2.2.2分计数器

“分”计数器也是六十进制计数器，采用的集成块、功能表及其结构与“秒”计数器基本相同，它的计数脉冲是来自“秒”计数器的进位信号。

其连接如图2-3所示。

图2-3“分”计数器电路图

2.2.3时计数器

“时”计数器采用的集成块、功能表及其结构与“秒”计数器基本相同，它的计数脉冲是来自“分”计数器的进位信号。

他采用24进制，“个位”同样是十进制，“十位”为二进制，将“个位”的Q4与“十位”的EN相连，使“十位”的计数器为下降沿触发。

再将“个位”的Q3与“十位”的Q2经过与非门和非门的变换，再和R相连，使个位和十位清零，同时使得“时”计数器为24进制。

其电路连接图如图2-4

所示。

图2-4“时”计数器电路连接图

2.3译码器

译码是编码的逆过程。

将二进制代码的原来的含意翻译出来的过程称为译码，即译码器输入的是一组代码，输出的是与代码相对应的高、低电平。

完成译码功能的电路称为译码器。

常用的译码器有二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器。

将二进制代码翻译成对应的输出信号的电路称为二进制译码器；将8421BCD代码翻译成10个对应的输出信号，用来表示0～9共10个数字的逻辑电路称为二-十进制译码器；能够直接驱动显示器件的译码器称为显示译码器。

由于本设计需要将“时”、“分”、“秒”计数器中计数的输出状态（8421BCD）翻译成七段数码管能显示十进制数所要求的电信号，然后经数码显示器，把数字显示出来，供人们阅读它的工作情况，即需要译码器的输出能够直接驱动显示器件，所以采用显示译码器。

七段显示译码器输入的是8421BCD码，输出的是能够驱动七段显示器的高、低电平信号。

所以它有4个信号输入端，分别用D、C、B、A表示和控制输入端，有七个输出端分别用a、b、c、d、e、f、g表示。

集成显示译码器品种较多，例如TTL型的有74246、74247、74248、74LS249等，CMOS型的有CC4547、CC4511等。

本设计采用CC4511集成块来实现译码器。

CC4511是一种BCD-7段显示译码器，高电平输出电流可达60mA。

CC4511集成块的其管脚排列如图2-5所示。

CC4511

CC4511集成块的真值表如表2-2所示。

表2-2CC4511真值表

输入

输出

LE

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示字形

×

×

0

×

×

×

×

1

1

1

1

1

1

1

×

0

1

×

×

×

×

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

1

1

1

×

×

×

×

在LE由0变1时由输入决定

锁存

表2-2中

为消隐输入端，即使显示器熄灭，低电平有效。

当

=0时无论输入为何状态，所有字段都输出“低”电平，显示器熄灭。

为灯测试输入端，低电平有效。

正常译码时

=1。

LE为锁存控制端，高电平有效。

在LE上升沿时锁存刚刚建立的状态，正常译码时LE=0。

由表2-2可以看出，当输入的BCD码超过1001（即十进制的9）之后，输出全为低电平，可以把要显示的数字消隐。

可以直接驱动七段数码管。

2.4显示器

七段数码显示器又称为七段数码管。

根据发光材料的不同有荧光数码管、液晶（LCD）数码管和发光二极管（LED）等。

发光二极管将十进制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。

当某些发光二极管中有足够大的驱动电流时该字段就会发光，相应的发光二极管中没有驱动电流时该字段就不会发光，根据发光字段的不同，可以组成不同的数字。

LED数码管是目前最常用的数字显示器，一个LED数码管可用来

显示一位0～9十进制数和一个小数点。

本设计采用发光二极管C5013HO作为显示器，它的管脚排列顺序如图2-6所示。

图2-6显示器管脚排列

为了使用方便，通常在七段LED显示器内部各发光二极管的阳极和阴极连接在一起，这样七段LED显示器就有两种连接方式，如果将各发光二极管的阳极连接在一起成为公共电极，称为共阳极接法，如果将各发光二极管的阴极连接在一起成为公共电极，称为共阴极接法。

本设计采用共阴极接法，使用CC4511驱动显示管C5013HO显示数字，连接图如图2-7所示。

图2-7译码器与显示器连接图

3校时与整点报时

该部分由同组人某某完成。

4安装与调试

4.1安装所用器材

安装所用器材如表4-1所示。

表4-1安装所用器材

数字逻辑试验箱

1台

万用表

1块

七段共阴极LED数码管C5013HO

6块

CC4511BCD七段锁存/译码/驱动器（显示译码器）

6块

双二—十进制同步计数器CC4518

6块

四2输入与非门CC4011

2块

1K电阻

6个

4.2安装与调试

全部元器件的安装采用边安装边调试的步骤进行，有利于安装、调试和查找故障。

每一个元器件的安装分两步进行，第一步断开电源，连接电路（必须断掉电源）；第二部检查连线无误以后接通电源进行调试。

调试成功以后再安装下一个元器件。

正确设计各个元器件再面包板上的摆放位置是非常必要的，位置摆放整齐，线路连接合理，可以使得实物图美观大方。

各元器件的摆放位置大致如3-1所示。

图3-1元器件连接图

4.2.1计数器CC4518的安装与调试

测试每一片CC4518的计数功能是否正确：

CC4518的VDD接+5V电源，VSS接地，EN接+5V，R接地。

Q4Q3Q2Q1接到译码器CC4511的DCBA输入端，用1Hz信号作为计数脉冲，分别送到每一片CC4518的CLK端，观察是否按照二-十进制的规律加计数。

“时”、“分”、“秒”计数器先单独调试：

“秒”计数器、“分”计数器分别接成六十进制（个位接成十进制，十位接成六进制）计数器，“时”计数器接成二十四进制计数器。

每接好一个计数器，接通电源，调试计数器的逻辑功能。

调试时，用1Hz信号作为计数脉冲，单级调试，各个计数器之间不连接。

计数器整体连接：

“秒”计数器的进位输出端接到“分”计数器的CLK输入端；“分”计数器的进位输出端接到“时”计数器的CLK输入端。

4.2.1译码器/驱动器CC4511的安装与调试

把CC4511的VDD接+5V电源，VSS接地，CC4511的7个输出端a～g分别与C5013HO的a～g7个输入端相连接。

每一块CC4511对应一块C5013HO。

用试验箱上的开关提供高、低电平，测试逻辑功能。

=0时，数码管显示数字8。

=0时，数码管熄灭。

=1，

=1从DCBA输入一个数据，例如（0110），给LE送一个上升沿（开关由0变成1），译码器锁存，数码管显示锁存的数据（显示数字6）。

=1，

=，LE=0，由DCBA输入信号（用开关送0、1信号）CC4511正常译码，输入0000～1001时，显示0～9；输入1010～1111时译码器消隐，显示器无显示。

4.2.2显示器C5013HO的安装与调试

把每一个C5013HO的3（或8）管脚通过1KΩ电阻接地，从试验箱上的开关处接出一条导线，分别接触a、b、c、d、e、f、g各管脚，把开关先置1，然后置0，观察开关置1时，相应的字段发光；开关置0时，相应的字段不发光即为正常。

6个显示器要逐个进行测试。

4.3调试结果分析

经过精心的准备，我和同组人某某同学用了半天的时间将焊板和元器件用导线连接起来。

由于电路的线路非常复杂，我们在连接集成块与集成块之间用了上百根导线。

但是我们有十足的信心和耐心，按照安装调试方法，一步一步的做。

皇天不负苦心人，我们终于完成了电路的焊接。

焊完以后，我们又仔细检查了一遍，看是否有错接，短路和漏接，电源引线是否正确。

可是，当我们接上电源后发现，我们的数字钟没有任何跳动，我们认为是555电路的原因。

经过检查发现555没有输出。

我们当即换了一块555芯片。

有输出了解决了一个问题，可一试还是不成功，秒的数码显示器只有0 ，1，4， 5。

不能实行进位功能，两人都很着急，拿出电路分析，仔细核对。

最后，我们发现电路存在了错误。

我们改正了电路本身的不足。

三次调试，电路还是不能实现它的原功能，我们又仔细的看了电路和图。

经过检查发现CC4518的二号电源线忘了，我们赶紧焊好。

最后，我们成功了。

5感想

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，在这一段时间里，我有很

多的收获。

做毕业设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学的基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。

通过这次对“具有整点报时功能的数字钟”的设计与制作，让我了解了怎样设计电路，也让我了解了关数字钟的原理与设计理念，要实现电路功能首先要设计各部分电路，选择正确的集成块和门电路，并且加以比较，所以，在设计时应考虑不同集成块和门电路之间的差异，从中找出最适合的设计方法。

 在做毕业设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。

在完成设计过程中我曾经遇到过一些问题。

在计数器的芯片选择上，经分析与综合比较，知道了各个芯片的区别，虽然有很多的芯片都可以完成计数功能，但是各有各的优点与缺点，于是较合理的选择了双BCD同步加法计数器CC4518。

但是从中我学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了我一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心。

6致谢

在这里首先要感谢我的指导老师张桂芬老师。

她平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。

我的设计较为复杂烦琐，但是张桂芬老师仍然细心地纠正设计中的错误。

除了敬佩张桂芬老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

所有的这些心得会对我以后的学习和工作有帮助作用。

其次要感谢和我一起作毕业设计的某某同学，她在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难，并且在我的毕业设计的制作过程中多次给予我很大的帮助。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下了坚实的专业知识基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持、鼓励和帮助，此次毕业设计才会顺利完成。

最后感谢学院三年来对我的大力栽培。

参考文献

[1]阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社第四版，1998

[2]童诗白，模拟电子技术基础，高等教育出版社第三版，2001

[3]康华光，电子技术基础，高等教育出版社，2002

[4]张桂芬，电子技术基础，人民邮电出版社，2005