整点报时数字钟设计.docx

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整点报时数字钟设计

信息与电气工程学院

课程设计说明书

课程名称：

整点报时数字钟

题目：

整点报时数字钟

专业班级：

电气工程及其自动化07-05

学生姓名：

学号：

********

设计周数：

2周

设计成绩：

1.课程设计目的………………………………………………………

2.课程设计的要求……………………………………………………

3.数字钟方案设计……………………………………………………

3.1方案设计……………………………………………………………

3.2数字钟逻辑框架图…………………………………………………

4.单元电路的设计和元器件的选择…………………………………

4.1时钟秒脉冲的产生…………………………………………………

4.2六十进制计数电路的设计…………………………………………

4.3双六十进制计数电路设计…………………………………………

4.4二十四进制计数电路的设计………………………………………

4.5译码驱动及显示单元电路设计……………………………………

4.6整点报时器单元电路………………………………………………

4.7校正单元电路的设计………………………………………………

5.数字钟的PCB板图的设计……………………………………………

5.1PROTEL99的使用……………………………………………………

5.2具体工艺要求和相关规则…………………………………………

5.3注意事项…………………………………………………………

6.系统调试………………………………………………………………

6.1系统调试方法………………………………………………………

6.2调试出现的问题及解决方法………………………………………

7.元器件清单…………………………………………………………

8.主要元件介绍………………………………………………………

9.课程设计总结和心得体会…………………………………………

9.1设计过程中遇到的问题及解决方法………………………………

9.2个人体会……………………………………………………………

10.参考文献……………………………………………………………

附录……………………………………………………………………

1数字钟原理图………………………………………………………

2数字钟PCB板………………………………………………………

课程设计评语表格……………………………………………………

1课程设计的目的

（1）设计的目的

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。

2课程设计的要求

（1）画出原理图或仿真图。

（2）元器件及参数选择。

（3）设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

3数字钟方案设计

3.1数字钟的系统方案

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。

由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。

为了保证计时的稳定及准确，通常使用精度比较高的石英晶体振荡器电路构成数字钟的频率发生器。

一般在电子设计中，使用到的集成块，一类是由三极管组成，一类是由COMS组成，它们的工作电压不同。

其中三极管的是5伏，COMS的是3-18伏。

在本时钟设计中，我们用到的CD4510、CD4511、CD4060、74LS74、74LS08、74LS00中都有BJT和COMS组成,因此我们在设计中采用5伏电源供电。

3.2数字钟实现的功能如下：

（1）设计时间以24小时为一个周期；

（2）显示时、分、秒；

（3）具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；

（4）计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；

3.3数字逻辑框架图

在数字时钟中总包括以下几部分。

（1）晶体振荡器一般是产生一个高频率的脉冲信号（产生频率的大小由晶振电路决

定），本设计中晶振产生频率为32768Hz。

（2）分频器

分频器负责把由晶振电路产生的高频率脉冲信号转换为低频率。

本电子时钟所用的分频器是把频率为32768Hz转换为1Hz的方形脉冲信号。

由CD4060和74LS74完成。

（3）计数器

计数器负责计数功能，也是时钟比较重要的部分。

其中CD4510就是一个能实现十进制的计数器，我们把六个CD4510连接成两个60进制和一个24进制。

（4）译码器

译码器负责把由CD4510产生的二进制转换为八进制，从而实现驱动数码管。

（5）共阴极七段数码管

共阴极七段数码管负责把由CD4511产生的信号表示出来，从而实现整个电子时钟的显示功能。

（6）校时电路

校时电路负责对时钟的时间调整，以实现与标准时间一致。

（7）整点报时电路

整点报时电路负责整点报时，一般是报时结束时刚好是整点。

4.单元电路的设计和元器件的选择

4.1时钟秒脉冲的产生

为确保数字时钟走时准确及稳定，我们采用晶体振荡器给整点报时数字时钟提供一个频率稳定的方波信号。

因此，我们采用了一个32768Hz的晶振、电阻、电容和CD4060分频器和74LS74D型触发器构成整个秒脉冲产生电路。

其中由晶振产生的32768Hz输入到CD4060分频器，再由输出端Q14（即3脚）输出一个频率为2Hz的方波信号，但不能直接输到秒计数器。

需要再经过74LS74D型触发器，它是上升沿触发，故由74LS74D型触发器输出端Q（即5脚）输出频率为1Hz的方波信号，此信号正可直接送到CD4510秒计数器CP脉冲的输入端CLK（即15脚）。

连接如图4.1。

4.2六十进制计数电路的设计

六十进制的电路可用于本电子数字时钟的分和秒。

为了实现六十进制，我们采用了两块CD4510集成元件。

该元件是一个能实现十进制的，类似于我们所学的74LS290，不过CD4510是异步清零且高电平有效，预置端高电平有效。

而在这我们采用整体清零法，故把两个CD4510的全部预置端分别是P1、P2、P3、P4加上低电平（即4、12、13、3脚接地即可）。

再把PSE、C1（即1、5脚接地），还有六十进制的个位上的RST（即9脚）也接上低电，两个U/D（即10脚）接高电平。

最后从六十进制的十位上的四个输出端中，把Q2和Q3（即11、14脚）送进一个与门（即74LS08），再把与门输出端连到六十进制的十位上的RST（即标号为U13的CD4510的9脚），从而实现清零。

电路连接如图4.2

4.3双六十进制计数电路设计

双六十进制的设计原理就是把两个六十进制连在一起。

电路连接如图4.3


图4.3双六十进制电路

4.4二十四进制计数电路的设计

二十四进制的设计中，我们还是利用两块CD4510计数器实现。

二十四进制中状态是从00000000到00100100（注：

CD4510可实现8424码，此处也是用作8421码）。

二十四进制中的PSE、P1、P2、P3、P4、U/D、C1和六十进制的一样。

唯一不同的是清零时二十四进制的十位上的输出端Q2（即标号为U9的CD4510上的11脚）和个位上的输出端Q3（即标号为U10的CD4510的14脚）作为74LS08的一个与门输入端，再由该与门的输出端接到两个CD4510的清零端RST（即9脚）。

电路连接如图4.4


4.5码驱动及显示单元电路设计

为了实现数字时钟显示功能，我们采用了显示译码器CD4511（输出高电平）和共阴极七段数码管。

而且CD4511可以把由计数器CD4510输出的二进制转换为八进制，而且输出高电平。

为保证CD4511正常工作，把BLK、LT（即4、3脚）接高电平，LE/STB（即5脚）接低电平。

而七段数码管我们采用公共电阻接地。

电路连接如图4.5


4.6整点报时器单元电路

由于该整点报时数字钟要求在59分50秒开始报时，并且报时十秒（即报完时刚好到整点）。

因此我们要把分十位上取5（即把分十位上输出端Q1和Q3）作为74LS08的一个与门输入和分个位上取9（即分个位上输出端Q1和Q4）作为74LS08的一个与门输入，秒十位上取5（即秒十位上输出端Q1和Q3）作为74LS08的一个与门输入。

最后把分5和分9送到与门，再把该与门输出与秒5接到与门后，再连到蜂鸣器。

电路连接如图4.6
。

4.7校时电路设计

为了实现数字时钟的调时问题，我们采取在秒向分、分向时的进位信号作处理。

采用了单刀双掷开关对时钟的校正功能的实现。

由于单刀双掷开关属于机械开关，容易产生机械抖动，故我们利用由74LS00中的两个与非门组成RS触发器，对它进行消抖。

电路连接如图4.7。

4.8电路开关的使用方法

（1）正常工作时，开关S3和S4都扳到右边，此时开关S1和S2不影响数字钟工作。

（2）在进行对时作校正时，开关S3扳到左边，切断由分十位上的进位信号。

S2扳到右边，让时/分开关切换到时上。

S1在进行左右扳动时就能实现对时个位加脉冲信号。

（3）校正时，S4扳到左边，切断由秒十位上的进位信号。

S3扳到左边，防止在调分时有进位信号给时个位上。

S2扳到左边，让时/分开关切换到分上。

最后S1进行左右扳动就能对分加脉冲信号。

如图4.8。

5字钟的PCB板图的设计

5.1PROTEL99的使用

（1）打开PROTEL99程序，新建一个后缀名为SCH的文件。

（2）根据你设计的原理图和系统方案中所需的原件加入到刚新建的文件中。

元件的表示符号可从数据库中查找。

如果数据库中没有，可自己根据元件的实际参数进行制作。

（3）对元件进行布局，应做到元件的布局合理。

这有助于减少调线。

（4）对元件进行连线，注意有交叉线处是否有多余结点，以免多连其它元件。

（5）对一些连线过长的或不好连的，可采用把相连的两点进行标记，方便检查电路。

（6）把连好线的原理图导入到PCB板过程中，可能出现元件参数的错误提示。

此时必须根据提示对元理图中的元件各参数进行修改，直到能导入并生成PCB图。

（7）在PCB图进行布线前，必须根据工艺要求对焊盘、焊孔、电线、电路板大小等参数进行设定。

（8）在PCB图布线时，应多次对某一个元件周围的线进行合理安排，或对元件进行翻转，以减少跳线。

（9）连线正确时，电线应为蓝色（跳线除外，跳线是红色）。

若出现绿线或其它颜色，应停止该连线，并对电路进行检查。

（10）最后检查一下整个电路，查找一下有没有没连线或标记缺失。

可能有个别元件的参数需要修改。

（11）保存文件。

5.2具体工艺要求和相关规则

（1）焊盘的规格为3mm×2mm。

（2）焊孔大小1mm。

（3）导线宽度最大值为1.5mm，最少值为0.6mm，一般值1mm。

5.3注意事项

（1）连接导线时，一定要使用电线连接，否则，在打印时无法打印。

（2）尽可能减少跳线，集成块底部的走线不能过于靠近集成块的焊脚，以免在焊接时出现短路。

（3）对于较复杂的连线可以利用做标号的方法，以减少电路图的复杂性，更容易检查电路图。

（4）需要跳线的地方一定要做好标号。

（5）地与电源一定要区分开，做好符号的选取。

（6）电路图连完后注意检查，看看元件间有没有出现绿色（如果出现绿色就说明该处元件间距过少），有没有没连上的或连错的。

6.系统调试

6.1系统调试方法

（1）在调试前一定要检查电路板上有没有出现短路，最好先用万用表检查一下整个电路的总电阻。

正常情况下，电阻不为零或接近零，或者是无穷大。

如过出现这两种情况，就必须要对电路的焊接点或明线现进行检查。

（2）对系统接电源时，一定要做到眼看耳听手摸。

如果电路出现明显的元件冒烟或有发烫时，就必须马上断开电源。

在利用万用表测试一下该处元件的性能或看一下有没有短路。

（3）如果发现电路不能正常工作时（没有出现短路或断路情况下），利用万用表先对集成块的供电系统进行检查，再对其他小元件检查。

（4）焊接完成后，必须对整个电路板与原理图或PCB图进行检查，以防止有线没连上，特别是跳线。

6.2调试出现的问题及解决方法

（1）秒个位一直显示0，并没有跳动。

问题可能是秒脉冲没有输入到4510的CP脉冲输入端。

解决方法：

利用万用表对秒脉冲产生电路进行检查，在74LS74信号输出出现高低电平交替，因此问题不在秒脉冲电路中。

接着检查4510的引脚的焊接是否有短路或短路，发现15脚出现假焊，我们对此脚进行重焊后，问题解决。

（2）秒十位的进制出现0和1，本应该是出现0到6。

问题可能4510的输出端中Q1Q2Q3Q4管脚出现问题又或者是74LS08与门有问题。

经检验74LS74与门并没有问题，而输出端出现短路情况，经重焊问题解决。

（3）在整点报时电路中，蜂鸣器并没有响。

经检查组成蜂鸣器开关的三极管管脚接错，经重新处理，问题解决。

（4）数码管显示忽明忽暗或者数字不能完整显示。

经检查是焊脚出现接触不良。

（5）在正常工作或手动加脉冲时，分十位的进位信没有送到时的个位上。

怀疑是开关线路有问题，经过多次的检验和调试，发现是经过单刀双掷开关和时个位上的CP脉冲输入端缺少连线，造成进位信号中断，最后对这两点进行连接，问题解决了

7.元件清单

型号

代号

数量

共阴极七段数码管

6个

CD4511

4511

6块

CD4510

4510

6块

CD4060

4060

1块

74LS74

7474

1块

74LS00

7400

1块

74LS08

7408

2块

9013三极管

9013

1个

1k电阻

7个

22M电阻

1个

10K电阻

2个

2K电阻

1个

32768Hz晶振

1个

33pF电容

2个

蜂鸣器

1个

单刀双掷开关

4个

8.主要元件介绍

（1）CD4510主要功能是实现十以内的进制,CD4510计数器的功能表和管脚的参数如下：

图8.1CD4510

图8.2

下面是利用1块CD4510连成的6进制电路

因为4510是异步高电平清零，预置是高电平有效，所以我们在用清零法时必须把预置端接上低电平，其它端口如下图接法所示。

电路状态由0000从0110这六个状态时（注：

0110是不能出现的），电路就能自动实现6进制。

（2）CD4511显示译码器功能表和管脚

CD4511译码器负责把由CD4510输出的二进制转换成相应的八进制。

图8.4CD4511

（3）CD4060分频器及晶振电路

用于对由晶振电路产生的高频率信号进行分频，从而实现低频率的输出，用作于一些元件的脉冲信号。

在本设计中是把由晶振产生的32768Hz的高频率换成2Hz的低频率脉冲信号。

图8.5CD4060

（4）74LS08与门集成块及管脚参数

与门在这里用于CD4510的实现某进制时，对计数器进行清零作辅助作用。

（5）74LS00与非门集成块及管脚参数

在这里用2个与非门作为RS触发器来对机械开关进行消抖处理。

（6）74LS74D型触发器管脚参数

在这里作为一个分频器，把由CD4060分频器输出的2Hz的脉冲转换成1Hz的方波脉冲信号，供给CD4510使用。

9.课程设计总结和心得体会

9.1设计过程中遇到的问题及解决方法:

（1）在设计整点报时电路中，刚开始时我们分别把分5、分9、秒5和秒9都取出来送到与门。

由此产生了我们没法实现在59分50秒开始报时并维持十秒的功能，而且造成元件缺少。

只能实现的是在59分59秒报时1秒。

解决方案：

我们只取分5、分9和秒5并送到与门，这就能实现在59分50秒就能报时并维持十秒的功能。

（2）三极管在刚设计电路时，我们把它用作放大器来驱动蜂鸣器，结果造成所可选用的元件不足。

解决方案：

对于蜂鸣器的驱动其实不需要放大，因此三极管在这是当作一个开关使用，当它发射极正偏时，三极管导通，驱动蜂鸣器工作。

反偏时三极管截止，蜂鸣器不工作。

（3）在连接共阴极七端数码管时，我们刚开始时是每个发光二极管接上一个200小电阻。

但由于电路板的面积大小有限，没法都接上电阻。

采用公共电阻的方法，在每个数码管的接地端连上一个1K大电阻。

（4）在画PCB板图时，为了减少调线，我们尽可能在集成元件底部走线，但有时因为走线过多没法走完，但又不想跳线。


解决方案：

原来在刚开始时我们设计线的大小为1mm，最小为0.6mm，因此我们采用该处线的大小为0.8mm，问题就解决了。

9.2个人体会

通过这次对数字电子钟的设计作，让我了解了由基本设计原理到成品制作的基本步骤（包括原理图设计﹑PCB电路布线﹑电路板的腐蚀﹑钻孔﹑焊接和调试等），也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念。

但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。

而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。

所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际

操作才会有深刻理解。

10.参考文献

[1]电子技术基础实验与课程设计（第二版）
电子工业出版社主编高吉祥副主编易凡

[2]电子技术实践与制作教程国防工业出版社苏文平任力颖何希才编著

[3]权明富,齐佳音,舒华英.客户价值评价指标体系设计[J].南开管理评论,2004,7（3）:

17-18.

附录

1数字钟原理图

2数字钟PCB板

图10.2数字钟PCB板

课程设计

评语

课程设计

成绩

指导教师

（签字）

年月日