可校时整点报时电子钟

课程设计报告

课程设计名称： 可校时整点报时电子钟

专 业 班 级 ： 0212101

学 生 姓 名 ： 崔平

学 号 ： 021210134

指 导 教 师 ： 张莉萍 李洪芹

课程设计时间： 2012.12.01-2013.01.01

目录

一、引言...................................................... . ... .1

二、方案论证选择........................................... . ... 1 2.1 设计要求…………………………………………. 1 2.2 系统框图…………………………………………. 2

2.3 设计过程…………………………………………. 2

三、电路仿真与设计……………………………………... 3

3.1所需芯片及芯片管脚图………………………….. 3

3.2秒信号发生电路……………………………. ….... 6

3.3时、分、秒显示电路模块设计………………….. 6

3.4校时电路模块设计……………………………….. 8

3.5报时电路模块设计……………………………….. 9

3.6综合电路………………………………………….. 9

3.7 PCB板3D 预览……………………………………11

四、电路调试及实物照片……………………………….. 12

4.1电路调试……………………………………….... 13

4.2实物照片………………………………………….15

五、存在的问题…………………………………………. . 15

六、课程设计心得体会………………………………….. .16 附录：

元件清单,

参考资料

可校时整点报时电子钟

一、 引言

目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。现在市场上出现了这样一类的电子钟，它以六只LED 数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同, 这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所。这种新型的电子钟因其方便、直观的特点也得到了社会的欢迎，在社会上占有相当一部分市场。

数字时钟是分为两种，一种是由纯数字电路搭建而成的，一种是由单片机编程而制成的。目前市场上用的多是由单片机制成的数字时钟，由由于此次为电子技术课程设计，故我们选择了用分立元件搭建而成。

数字电子技术课程的核心内容是时序逻辑电路、组合逻辑电路和触发器，这些也是我们学这门课所必学理解的内容。通过这次电子时钟的设计希望可以在设计这个的过程中加深对所学知识的理解与应用，也希望能够锻炼自己处理一些实际中的情况。虽然电子时钟在日常生活中十分普遍的应用在各个领域，看起来也比较简单，但是看花容易绣花难。其中包含的学问是十分的纷繁的。设计它需要对所用的原件非常了解，熟悉它们的功能，引脚图，封装图等。因此再设计中我们查阅了很多的资料，也参考了许多文献。

这次课程设计——可校时整点报时电子钟器，加深了我对数字电子技术课程的理解，也提高自己的动手能力以及实际问题中解决问题的能力，培养对数字电子技术的兴趣。因此感觉收获颇丰。

二、方案论证选择

2.1设计要求

1. 用秒脉冲作信号源，构成数字钟，显示秒、分、时

2. 具有“对时”功能，即时间可以快速预置

3. 具有整点提示功能。一种实现的方法是每到整点时触发“音乐芯片”或每到整点前几秒钟，发出如 “的、的、的、答”声音信号。

2.2系统框图

2.3设计过程

时间显示模块电路：在设计之初我想用3个CD4518来搭建，进行级联，再辅以若干逻辑门，完成进位、置零等功能，CD4518是双十进制计数器，有两个时钟输入端，正好可以满足进位和校时的功能，而不会产生干扰，且有一个置零功能，可以组成六十进制和二十四进制的计数器。但是在实际仿真时发现仿真软件里面缺少这个元件，因此我选择了十进制计数器74LS160来代替这个CD4518. 但是74LS160只有一个CP 脉冲输入端，在进行校时时会出现高位校时干扰低位显示的情况，在经过一番考虑思索以后，我用了两个二极管来解决这一

情况。二极管具有单向导电性，在进行校时时产生的低电位不会再影响低位的CP 脉冲输入端，从而不会影响其时间显示。

整点报时模块电路：在每小时的59分50~59秒的时候，分位产生的信号的BCD 码是0101 1010，秒位产生的BCD 码是0101,100X(X表示0或1) 我们可以把这些产生高电平的位接在CD4068（CD4068是8输入与/与非门）的6个输入引脚上，再把X 这一位也接在CD4068上从而产生一个频率为2HZ 的方波来驱动蜂鸣器使蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的响声。以实现整点报时功能。 秒信号发生器：555芯片可以接成多谐振荡器，通过调节所使用的电阻和电容的值可以改变555芯片输出方波的频率，当调到合适的值时，可以使它恰好输出频率为1HZ 的方波作为秒信号使用。

考虑到开关抖动现象，校时模块电路实验实验箱上的按键开关，每输出一个脉冲信号可以改变分个位和十个位，同时考虑到干扰问题，进位接线和校时接线接在不同的时钟输入端。

三、电路仿真与设计

3.1所需芯片及芯片管脚图及部分资料

(1)555计时器

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS 或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC ，双极型时基电路VCC 的范围是4.5 ~ 16V，CMOS 型时基电路VCC 的范围为3 ~ 18V。一般用5V 。

3脚：输出端Vo

2脚：低触发端

6脚：TH 高触发端

4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR 、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC 为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF 电容接地，以防引入干扰。 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

（2）十进制计数器74LS160

74LS160同步可预置四位二进计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置 为低电平。有了超前进位电路后， 无须另加门，即可级联出n 位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（ENP 和ENT ）计数时必须是高电平，且输入ENT 必须正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近

似等于QA 输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP

和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响。电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP 、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。

（3）CD4511

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED 显示器。 CD4511 是一片 CMOS BCD —锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，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。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE 是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a ～g 是 7 段输出，可驱动共阴LED 数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a 段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V 时可使用300Ω的限流电阻

3.2秒信号发生电路

电路图设计如下：

在这个电路中，使用555接成多谐振荡器其震荡频率可以用以下公式计算：

T=（R 1+RV1上+2R2+2RV1下）*C1*In2

当我们取R 1= R2=40K，RV 1=5K，C 1=10u时通过调整RV 1可以使

（R 1+RV1上+2R2+2RV1下）=144K时恰可使T=1s从而得到秒信号。秒信号由引脚3引出做为电路的计时信号。

3.3时、分、秒显示电路模块设计

整个电子表的的核心芯片是74LS160，它是一个10进制加法计数器，因此只需要6个芯片，进行级联即可实现两个六十进制和一个二十四进制计数器，再加上一些合适的逻辑门，实现置零和进位。

下图是秒显示电路设计图，右边为秒个位，左边为秒十位在这个电路中主要是应用了74LS160的CP 端。在右边的74LS160的CP 输入端也就是引脚2加入秒信号就可以实现秒的累加，从而得到秒的个位。在秒的个位计数到“9”的时候在RCO 端也就是右边74LS160的引脚15会产生一个高电平，在这里我们用这个高电平做为秒的十位的进位信号。但是由于这个高电平是在秒的个位到“9”的时候就产生上跳变，而74LS160也是在CP 脉冲的上跳变到达时才会有效，故如果直接把它与左边芯片的CP 相接的话会使左边这个芯片在09,19,29,39,49,59, 时就进位，不满足电子表的逢10进位的要求。因此这个地方需要做一个特殊的处理。

经过我的一番思索我想到了一个解决这一问题的方法。就是在左边芯片的CP 脉冲与右边的RCO 之间接一个反相器。接反相器之后与之前其波形如下：

在这张波形图中上面一条为接反相器之前RCO 输出的信号，中间的一条为秒的个位进位信号，下面一条为接了反相器之后秒的十位接收到的进位信号。由图可以发先，接了反相器之后相当于把秒的十位的进位信号的上跳沿延迟了1s 。把原来的逢9进位改变成了逢10进位。

当秒的十位计数到“6”的时候其产生的BCD 码为0110，因此我们可以用这个信号中的11两位做为分位的进位信号和秒的十位的清零信号。从而实现秒的6——10进制计数，以及分位的个位累加。

分为的情况和秒位的情况相同，在此不再赘述。

上图为电子时钟的时位，进位信号的产生与秒位相同不再赘述。在计时到“24”时时位产生的BCD

码为0010 0100 我用了产生“1”的这两根信号线经过一个与非门来使时位的高位和低位清零，从而产生2——4进制计数器。自此，一个二十四进制计数器，两个六十进制计数器就做好了。

3.4校时电路模块设计

当校时时，把右边的开关SW1打开，调秒位的时候，按下右边的按键，秒位的进位CP 脉冲就会由高电位变为低电位，当松开按键时，就会有一个上跳变

使计数器加一，从而达到调时的目的。但是这种方法只适合调秒位的时间，对于分位还有时位，就不适用了。拿分位来说，分位的进位信号与秒位的清零信号是同一个信号，如不在这之间加一个二极管，

分调时信号会使秒位的十位清零，影响秒位的时间。当加一个如图所示的二极管时，由于二极管的单向导电性，使得秒位清零信号的高电平不会受到调时分位时产生的低电平的影响。从而解决了调时高位时会影响低位时间的问题。时位调时与分位调时情况一样，解决方法也相同在此就不再重复。

3.5报时电路模块设计

报时电路模块中的报时信号输出电路如上图所示，用的芯片是CD4068，CD4068是一个8输入与/与非门，与非门的引脚分别接CD4518芯片的对应的输出引脚，使其在59分51秒开始输出报时信号，根据要求将报时信号设计为第51、53、55、57、59秒时输出报时信号，在这些时间时产生的BCD 码为： 0101 1001 0101 XXXX （X 表示为0或1）

将4068的引脚2,3,4,5,9,10分别接在产生“1”的这些位上，将秒位个位的最低位接在引脚11上，引脚12接在高电平上。这样之后在51、53、55、57、59秒时在引脚4上就会产生一个高电平，蜂鸣器在有高电平来临时就会发出“嘟嘟嘟”的声音。

3.6综合电路

3.7 PCB

板3D 预览

在做完仿真之后我又把这个仿真图样用protuse 中的画图软件画成了PCB 板。PCB 的走线如下图所示。

\

下图为PCB 仿真后的3D 预览图的正面。

下图为3D 预览图的反面。

四、电路调试及实物照片

4.1电路调试

上图是我们在调试555发出方波的频率。

上图中显示调好后555发出的方波频率为1Hz 左右。能满足我们所做的电子

表所需要的频率。

课程设计的起点在于仿真，使用仿真软件做出来后，还要进行接线。连线焊接时是整个课程设计的重点与难点。这时候整个电路的成功与否，就在最后的焊接调试了。在这次电路的调试过程中，遇到以下几个问题：

1. 原件焊接出错

原件焊接出错的地方主要有，原件上下焊反，原件位子焊错位。主要是因为所用的原件比较多，大小尺寸又相同，上下又对称。稍微有些疏忽，就会把原价

的位子按错位。或者是把原件的上下焊反。由于买的原件有限出现这种情况除了把原件焊下来之后重新焊上之外没有其他解决方法。

2. 虚焊，漏焊

由于以前除了在电工实习上有接触过焊接外，在其他时候没有过多的机会接触焊接，因此在这次焊接原件的过程中，在许多地方都有虚焊漏焊的情况。在焊完电路板以后第一次通电时数码显示管根本没有显示，起初我还以为是电压不够，但是当我把电压调到6.5V 时还是没有显示，这时我有些迷茫，把电路板反过来以后才发下有好几处漏焊了。我把这些漏焊的地方给焊好以后再通电，这次终于有显示了，但是电子时钟的秒位根本不是按1,2,3,4„计数的。它是以无规律的方式计数这下让我更迷茫了。在仿真的时候根本没有出现过这种情况。在用示波器测了秒位CP 脉冲的波形后才发现波形根本不是方波，而是有很多的杂波。这才是我想起可能焊点焊接的不牢固，导致了秒信号不是规规矩矩的方波，使得送往CP 脉冲接收端的信号不是按每秒一次的频率发出的。我又重新检查了每一个焊点，把感觉不牢固的地方都给焊了一遍。焊完之后，再次通电发现这下秒的个位不是胡乱的计数了，而是规规矩矩的按1,2,3,4„来计数。这下虚焊，漏焊的问题也解决了。

3. 当这些问题解决之后，又出现了一个情况，那就是调555发生方波平率的那个滑动变阻器怀了，导致方波的频率太高计时不准。由于滑动变阻器坏了，无法用它来调节频率，我只好在R2两端并联了一个电阻，以减小电阻的值从而使发出方波的频率减小，经过几次试验，我最终选择了一个50K 的电阻并联在它两端使得发出方波的频率正好是1HZ 满足了时钟走时准确的要求。

4. 在进行整点报时的调时的时候我发现蜂鸣器不响，在59分5X 秒（X 表示0~9）测试蜂鸣器正极的波形时发现正极的波形不是方方正正的方波，但是把蜂鸣器去掉之后再次测其波形发现其又是方方正正的方波，最后我得出了一个结论：由于蜂鸣器自身的工艺上原因使得蜂鸣器的输入波形受到影响，使得高电平时的电压不是5V ，而是比5V 低达不到使蜂鸣器发出声音所需要的最低电压，故此蜂鸣器在有波形输入的时候没有发出蜂鸣声。

5. 校时线路相互干扰问题。在进行校时电路的调试的时候，出现了校对高位的时间会影响低位的时间比如说分位时间现在是34分，在调时位的时间时分位

的时间会变成04分，也就是说调时位的时间时会连带把分位的十位清零。在仿真的时候，由于有一个二极管使得不会出现干扰，但是实际电路连接出来之后我发现这个问题并没有解决。之后我查资料发现，在焊接1N4001型号的二极管的时候温度不能过高大概为

250℃/10s但是在焊接的时候我用的温度为750℃而且焊接的时间也比10s 长，我想可能是在焊接的时候二极管已经被烧坏，失去了单向导电性故出现调时的时候调高位的时间会影响低位的时间的情况。

4.2实物照片

我设计的这个电子时钟最上面一排是数码显示管用于显示时间。第二排是CD4511用于把BCD 码转换为七段译码。第三排是74LS160用于产生电子时钟所需要的时分秒。第四排从左向右依次是74LS01内，部还有4个与非门；CD4009，内部含有6个非门电路；CD4068，用于产生报时信号；开关，用于切断时钟进位所需要的秒脉冲便于校时；NE555，用于产生秒脉冲信号；滑动变阻器，用于调节555所产生的脉冲的频率。第五排从左往右分别是：自锁开关，用于切断与打开电源；三个按键，用于校时；蜂鸣器，用于整点报时。

五、存在问题

做到这里我完成了课程设计的基本要求，但是这个电子钟是没有实用价值的，

现实中不可能用这么多芯片花这么多钱去生产一个普通的电子钟，但这是学习的一种途径。在设计的电路中由于二极管可能被烧坏了，校时时必须先从高位开始，依次向低位调时。除此之外，在校时的时候本该是按一次按键，时间的个位就加一，但是由于按键的相互粘连使得校时时按一次按键加的时间数有可能不是1。比如说，校正时位的时候后，现在是13时，按一次按键本该是14时，但是有可能就会跳到15或是16等。由于设计时未考虑蜂鸣器本身的原因使得在整点的时候不能报时。

六、心得体会

经过这段时间的课程设计，我学到了许多东西，对学习的真谛也有了更深一步的认识。

学习的本质还是要用到实际中去，离开了实践，学习也就变得没有以意义。理论要联系实践，当然实践也离不开理论，由于数电这门课已经学了有半年之久了，许多东西都已经急得不是太清楚了，所以在做这个课程设计前我把上学期学的数字电子计数这门课中在这个设计中所用到的知识先复习了一遍。

理论复习了之后，接下来就是开始设计了。再这次设计中老师要求使用multisim 来仿真，但是在使用的时候发现这个软件仿真的速度实在是太慢了，仿真的效果也不是很好，因此我选择了用protuse 这个仿真软件来仿真。这个软件是在卓正安卓老师的带领下学习并使用的，由与学习过这个软件所，以用起来也比较顺手。在仿真的时候，遇到的最大的问题就是对原件的引脚不是很熟悉。因为这些都是在课本中没有的东西。为了便于仿真，我便查看了一些需要用到的元件的引脚图。弄明白了这些原件的工作原理。这样以后，我设计起来才如鱼得水。不过再也让我发现，在课本上学到的东西跟实际中用到的元件还收有差别的。课本上老师只是讲解了这些元件的工作原理，具体的芯片并没有涉及到。在实践运用中该如何去用这些元件更是没有涉及。因此这些东西都需要我们在课外的一些书籍中去获取。在以后的工作和学习中我们也会遇到一些新的以前没有见过的东西，如何去让这些东西为我们所？这就需要我们有一定的自学能力。这次课程设计正是为我提供了一个自学的机会，也让我体会到了自学的乐趣。

学东西最多的地方还是在焊接电路板的时候后。在焊接电路板时发生的事情都是在仿真中不曾遇到过的。比如说元件损坏，这是最麻烦的一件事。因为买元件的时候我们买的没有多余的。元件都是恰好够用，坏了就没有可以替代的原件可用。在焊接时我的那个滑动变阻器就坏了，本来是用这个滑动变阻器来微调秒脉冲的频率，但是坏了之后它就失去了原有的功能。因此就必须找到可以解决这一问题的方案。比如说时钟不是按1,2,3„这样的顺序计数，比如说蜂鸣器不响。为了解决这些问题我不得不去使用在实验室现有的仪器去测量各个焊点的电位和输出波形，从这些波形中去找哪里有虚焊漏焊，哪里元件出了问题。找到问题所在之后还要设法解决这些问题。这又需要根据现有的材料和元件去开动大脑想一些可行的方案把这些问题一一解决。这些过程是在课堂上不曾有过的，也是在以前的学习中不曾遇到过的。因此在发现并解决这些问题的过程中不仅锻炼了我发现问题解决问题的能力，也让我知道了理论跟实际还是有差距的，知道了自己以后努力的方向。有句话叫做“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，因此，自己所学的东西还需要在实践中检验，在实践中升华！

在实践中一定要仔细，认真。比如说在焊板子的时候哪怕是一个引脚没焊好都有可能导致时间走不准，或是没有时间显示；再比如说，在将元件插入插槽的时候一定要对准，不然就有可能导致元件损坏，或者是显示屏显示乱码。这些都是我在焊板子的时候遇到的问题。因此这次课程设计还让我知道：认真，严谨应该是我们做每一件事情的宗旨，也只有这样才能使我们能避免显而易见的错误。当然，认真严谨还是不够的。没有理论的支持我们所做的东西都是空中楼阁。是禁不起时间的检验的。在现阶段，还是要加强自己的理论知识的学习丰富自己的知识网络，为将来的实践打好理论的基础！

附录：

元件清单

参考文献：

《数字电子技术简明教程与实训》 贾海瀛 主编 《数字电子技术基本教程》 阎石 主编

《电路与数字电子技术实验教程》 卓正安 主编