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八人抢答器的课程设计
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武汉理工大学 课程设计 多功能数字钟的设计及制作
摘要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，具有更长的使用寿命，因此得到 了广泛的应用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包含了组合逻辑 电路和时序逻辑电路。 本次课程设计则是利用十进制计数器、译码器，以及数码显示管和一些常 用的逻辑门器件设计并制作一个多功能数字钟，对该数字钟的各个单元进行详细 的原理分析，同时阐述仿真过程中出现的问题及调试过程，并比较测试结果和理 论结果。除此之外还有硬件实现的步骤和理论依据，最后对整个设计、仿真、硬 件实现的过程进行总结。关键词：数字钟 脉冲信号 计时 清零1武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书多功能数字钟的设计及制作1 设计内容及要求设计一个多功能数字钟，能够达到指定的要求。1.1 设计内容 1.2 设计要求1.数字钟可以按常理计时，并显示时、分、秒； 2.小时以 24 为一个周期，分和秒均以 60 为一个周期； 3.具有校时功能， 可以分别对时和分进行单独校时， 使其校正到指定时间；2电路设计方案及其论证2.1.1 原理框图时数码显示管 分数码显示管 秒数码显示管2.1 电路设计方案 1译码管译码管译码管时计时电路时校时分计时电路分校时秒计时电路校时电路秒计时脉冲图 2.12VCC 5VVCC50Ω R2 43Ω R17 DIS THR TRI CON 6 2 4 RST OUT 38U13C2 S3 S1 0.01 F Key = Space Key = Space U9 U10 U1152.1.2 原理电路图S4 S2Key = Space Key = Space U8C1 0.01uF GND1U7LM555CM U12武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书图 2.2DCD_HEX_ORANGE DCD_HEX_BLUEDCD_HEX_ORANGEDCD_HEX_BLUEDCD_HEXDCD_HEX3U514 1 INA INB R01 R02 R91 R92 6 7 R91 R92 2 3 R01 R02 2 3 6 7 QA QB QC QD INA INB QA QB QC QD 12 9 8 11 14 1 12 9 8 11U6U414 1 2 3 6 7 INA INB R01 R02 R91 R92U3QA QB QC QD 12 9 8 11 14 1 2 3 6 7 INA INB R01 R02 R91 R92U2QA QB QC QD 12 9 8 11 14 1 2 3 6 7 INA INB R01 R02 R91 R92U1QA QB QC QD 12 9 8 1114 1INA INB2 3R01 R02QA QB QC QD12 9 8 116 7R91 R9274LS90D74LS90D74LS90D74LS90D74LS90D74LS90DVCC 5VVCC50Ω R2 43Ω R17 DIS THR TRI CON 6 2 4 RST OUT 38U13C2 S4 S1 0.01 F Key = Space Key = Space1 52.2.1 原理框图2.2.2 原理电路图S3 S2 C1 0.01uF GND LM555CM U122.2 电路设计方案 2Key = Space Key = Space U8 U9 U10 U11U7DCD_HEX_ORANGEDCD_HEX_ORANGEDCD_HEX_BLUEDCD_HEX_BLUEDCD_HEXDCD_HEX方案 2 的基本原理框图和方案一相同。武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书图 2.34U5QA QB QC QD 2 3 R01 R02 R91 R92 6 7 R91 R92 R01 R02 6 7 2 3 12 9 8 11 INA INB QA QB QC QD INA INB QA QB QC QD 14 1 12 9 8 11 14 1 12 9 8 11U6U4U314 1 2 3 6 7 INA INB R01 R02 R91 R92U2QA QB QC QD 12 9 8 11 14 1 2 3 6 7 INA INB R01 R02 R91 R92U1QA QB QC QD 12 9 8 1114 1INA INB2 3R01 R02QA QB QC QD12 9 8 1114 1INA INB2 3R01 R026 7R91 R926 7R91 R9274LS90D74LS90D74LS90D74LS90D74LS90D74LS90DU15A U14A 4011BT_5V74HC04D_4V武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书2.3 方案对比，择优选择2.4 方案论证数字电子钟由信号发生器、计数器、数码显示管、校时控制电路组成。 时钟源产生稳定的脉冲信号送进秒计时器，通过六十进制的秒计数器后产生一个 分脉冲，使分计数器计一次数，同样通过分计数器产生一个时脉冲，使时计数器 计一次数。最后一整个循环下来，通过反馈清零对数字钟清零。在计数过程中计 数器的输出端接译码器，将二进制码传送到数码显示管，则可以显示时间。校时 电路则是通过开关来控制各个芯片的脉冲输入端，需要校时时，该芯片接开关控 制的单脉冲则可以通过一次次的单脉冲来校正时间。3 单元电路的说明及各参数的计算3.1 振荡电路3.1.1 电路原理图R1 7 R2 6 VC 2 1 C 0 .0 1 u F 8 4 3 VO V CC5555图 3.1多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲， 就能输出一定频率的矩形波形。用 555 实现多谐振荡，需要具有一定参数的 R1、 R2 和电容进行连接，并且接上+5V 的直流电源才能形成特定频率的震荡。 振荡周期： T=0.7 1+2R2） （R C,其中当 R1=43Ω ， 2=50Ω ， R C=0.01F 时， f=1Hz。5武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书3.2 计时电路3.2.1 计时电路所用芯片 74LS90 工作原理74LS90 内部是由二进制和五进制计数共同组成的十进制计数。 （1）二进制计数：将计数脉冲由 CP0 输入，由 Q0 输出。Q3Q2Q1Q074LS90CP0 CP1 S9A S9B R0A R0BCP图 3.2（2）五进制计数：将计数脉冲由 CP1 输入，由 Q3 、Q2、 Q1 输出Q3Q2Q1Q074LS90CP0 CP1 S9A S9B R0A R0BCP图 3.3（3）8421BCD 码十进制计数：将 Q0 与 CP1 相连,计数脉冲 CP 由 CP0 输入6Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q074LS90CP0 CP1 S9A S9B R0A R0B武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书CP图 3.4（4）用级联（相当于串行进位）法和脉冲反馈法实现大容量计数器。 脉冲反馈：用 S0，S1，S2?，SN 表示输入 0，1，2，?，N 个计数脉冲 CP 时计数器的状态。 进制计数器的计数工作状态应为 N 个： 0， 1， 2?， N-1 。 N S S S S 在输入第 N 个计数脉冲 CP 后，通过控制电路，利用状态 SN 产生一个有效置 0 信 号，送给异步置 0 端，使计数器立刻置 0，即实现了 N 进制计数。 级联：将多个集成计数器（如 M1 进制、M2 进制）串接起来，以获得计 数容量更大的 N（=M1×M2）进制计数器。一般集成计数器都设有级联用的输入端 和输出端。异步计数器实现的方法：低位的进位信号→高位的 CP 端。图 3.53.2.2 秒计时原理U27U1R92 R91 7 6 R92 R91 7 6武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书图 3.6秒的个位部分逢十进一，为十进制计数，十位部分逢六进一，为六进制计 数，从而共同完成六十进制计数器，当计数到 59 时清零并重新开始计数。秒计 时的个位可以直接利用十进制计数器 74LS90 进行计数，由 0 增加到 9 时，芯片 输出端 1001 跳变到 0000，即最高位 Q3 输出一个下降沿产生进位，连在十位的计 数器脉冲输入端 CP，从而实现个位的十进制计数和进位功能。十位收到个位的进 位信号后计一次数，十位计数到 5 时接下来的脉冲使其变成 6，一瞬间通过清零 端反馈清零，秒计数集体清零，由于清零所需时间很短，所以显示管上不会显示 出 60，而是直接从 59 跳到 00。3.2.3 分计时原理分计时原理和秒计时原理一样，同样是通过两块 74LS90 级联和反馈清零实 现六十进制计数。3.2.4 时计时原理U6R92 R91 7 68U5R92 R91 7 6武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书图 3.7来自分计数电路的进位脉冲使时的个位加一，十计数器由 0 增加到 9 产生向 十位的进位信号，该进位信号即 Q3 连在十位计数的脉冲输入端，使十位计数，当 十位计数到 2，个位计数到 4 时，通过反馈清零将计数器清零，同样由于清零时 间较短，显示管上不会显示 24，而是从 23 便可以跳到 00。3.3 显示电路显示电路由译码器 74LS48 和数码显示管组成。3.3.1 译码器 74LS48 工作原理图 3.874LS48为有内部上拉电阻的BCD－七段译码器/驱动器。 输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极 VLED。当要求输 出 0－15 时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为 0 时还要求脉冲9武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书消隐输入（RBI）为高电平或者开路。当 BI 为低电平时，不管其它输入端,状态 如何，Ya－Yg 均为低电平。当 RBI 和地址端（A0－A3）均为低电平，并且灯测试 输入端（LT）为高电平时， Ya －Yg 为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低 电平。当 BI 为高电平或开路时，LT 为低电平可使 Ya－Yg 均为高电平。 引出端符号: A0－A3 译码地址输入端 BI/RBO 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） LT 灯测试输入端（低电平有效） RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效） Ya－Yg 段输出3.3.2 数码显示管工作原理7 段数码管一般由 8 个发光二极管组成， 其中由 7 个细长的发光二极管组成 数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。 当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导 通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也 有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数 码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图 4.9 所示。图 3.97 段数码管内部字段 LED 和引脚分布10武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书共阳极共阴极图 3.10 7 段数码管结构图发光二极管（LED 是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电 能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。 7 段数码管每段的驱动电流和其他单个 LED 发光二极管一样， 一般为 5～10mA； 正向电压随发光材料不同表现为 1.8~2.5V 不等。 7 段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。 （1） 静态显示 所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可 截止。这种显示方法为每一们都需要有一个 8 位输出口控制。对于 51 单片机， 可以在并行口上扩展多片锁存 74LS573 作为静态显示器接口。 静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器 的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU 才执行一 次显示更新子程序，这样大大节省了 CPU 的时间，提高了 CPU 的工作效率；缺点 是位数较多时，所需 I/O 口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式 ――动态显示。 （2）动态显示 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于显示器的 每一位而言， 每隔一段时间点亮一次。 虽然在同一时刻只有一位显示器在工作 （点 亮） ，但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是 多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间 和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。11武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书若显示器的位数不大于 8 位，则控制显示器公共极电位只需一个 8 位 I/O 口（称 为扫描口或字位口） ，控制各位 LED 显示器所显示的字形也需要一个 8 位口（称 为数据口或字形口） 。 动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中， 要保证显示器正常显示，CPU 必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了 CPU 的大量时间，降低了 CPU 工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。 综合以上考虑，由于数字钟时分秒的现实只需 6 个数码管，又考虑到芯片工 作效率与电源效率，本设计采用静态显示，为共阴极显示。3.4 校时电路校时电路功能是在其他计时功能正常的情况下对时（分、秒）进行手动校 时。低位的进位信号 需校时的芯 片 CPoS1VCCS2图 3.11工作原理是当 S1 开关打向上方，电路正常计时；当开关 S1 打向下方，开 关 S2 从 VCC 打向接地端时产生单脉冲后，需校时的芯片计数增加一，每上下拨 动一次 S2，需校时的芯片技术加一，直到校时到所需时间。 时分秒各个校时电路原理相同，再次不再赘述。12武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书4 硬件电路的设计及其制作与调试4.1 电路仿真出现的问题和调试过程仿真使用的系统是 Multisim11，在该软件平台下将设计好的电路图仿真出 来，由于该软件仿真功能比较强大，在电路的连接，原件的选择都很全面，所以 仿真过程中出现的问题都不难解决。 主要问题有生振荡的时候需要设定电容电阻的值， 以达到产生的方波为 1Hz， 但是在已有的理论知识的基础上得到的理论值放到仿真系统中后不能达到需要 的效果，图 4.14.2 硬件制作出现的问题和调试过程在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况,后经检验 发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至. 在检测 74LS48 驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况,经检验 发现主要是由于接触不良的问题,其中包括线的接触不良和芯片的接触不良,在 实验过程中,数码管有几段二极管时隐时现,有时会消失.用 5V 电源对数码管进行 检测,一端接地,另一端接触每一段二极管,发现二极管能正常显示的,再用万用 表欧姆档检测每一根线是否接触良好,在检测过程中发现有几根线有时能接通, 有时不能接通,把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了.其次是由于芯片 接触不良的问题,用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通,而检13武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书测的导线状况良好,其解决方法为把 74LS48 的芯片拔出,根据面包板孔的的状况 重新调整其引脚,使其正对于孔,再用力均匀地将芯片插入面包板中,此后发现能 正常显示。 在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响, 特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从 40 跳到 59,然后又跳回 40, 分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连 线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压 档带电检测秒的十位的 QA,QB,QC 和 QD 脚,发现 QA 脚时有电压时而无电压,再检 测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所至。 由于在仿真过程中没办法考虑所设参数是否合理，所以发现在硬件实现过 程中电路中设定的 50Ω 和 43Ω 的电阻以及 0.01uF 的电容没办法完全没到相同的， 所以，为了买元件方便，就改变了硬件的参数，但是为了达到振荡电路 1Hz 的条 件，所买的电阻和电容尽量达到可以满足公式1.43 R1 + 2R 2 C=1 的要求即可。14武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书结束语总结收获和体会本次课程设计是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。身 为自动化的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供 了一个应用自己所学知识的平台。15武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书参考文献[1] 邱关源主编.电路.第五版.北京.高等教育出版社 [2] 于歆杰等选译.电路基础.第三版.北京.清华大学出版社 [3] 康华光主编.电子技术基础数字部分.第五版.高等教育出版社 [4] 康华光主编.电子技术基础模拟部分.第五版.高等教育出版社16武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书附录74LS48 引脚图和功能表17武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书74LS90 引脚图、逻辑图、功能表18武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别 专业、班级 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据： 设计方案和内容 （30 分） 制作与调试 （30 分） 说明书内容和 规范程度 （20 分） 答 辩 考 勤 总 分 （100 分）（10 分） （10 分）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19
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