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分译码器
秒译码器
时计数器
分计数器
秒计数器
校时电路
分频器
振荡器
图2-1数字钟的总体参考方案一
数字钟主要分为数码显示器、60进制和24进制计数器、频率振荡器和校时这几个部分。
数字钟要完成显示需要6个数码管,八段的数码管需要译码器械才能显示,然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器,在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真,频率可以随意调整。
60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成,而小时的24进制可以采用74LS90清零发实现。
图3-1方案一电路图
2.2.2方案二
本方案采用8个数码管的段选接到单片机的P0口,位选接到单片机的P2口。
数码管按照数码管动态显示的工作原理工作,将标准秒信号送入“秒单元”,“秒单元”采用60进制计数器,每累计60秒发出一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。
“分单元”也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个“时脉冲”信号,该信号将被送到“时单元”。
“时单元”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计。
显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整,按一下ksec,秒单元就加1,按一下kmin,分就加1,按一下khour,时就加1。
2.3方案选择
对比两种方案:
第一种方案中74LS90计时器是设计核心,脉冲用555定时器产生。
第二种方案中单片机是该设计的核心。
相比起来第一种方案更加易于实行。
经过多方面对比,我决定使用第一种方案进行24秒计时器的设计与制作。
三数字钟的硬件资料
3.174LS90计数器
二—五—十进制加法计数器74LS90构成数字钟的计数单元。
异步计数器如果设定初态,在每个脉冲的作用下是按顺序变化的(态序)。
二进制计数器的每一状态相当一最小项,当最后一个脉冲到来后,电路返回原状态。
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器,它既可以作二进制加法计数器,又可以作五进制和十进制加法计数器。
图17-3为74LS90引脚排列,表17-1为功能表。
通过不同的连接方式,74LS90可以实现四种不同的逻辑功能;
而且还可借助R0
(1)、R0
(2)对计数器清零,借助S9
(1)、S9
(2)将计数器置9。
其具体功能详述如下:
(1)计数脉冲从CP1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP2输入,QDQCQB作为输出端,为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP2和QA相连,计数脉冲由CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端,则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP1与QD相连,计数脉冲由CP2输入,QA、QD、QC、QB作为输出端,则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a)异步清零
当R0
(1)、R0
(2)均为“1”;
S9
(1)、S9
(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即QDQCQBQA=0000。
置9功能
当S9
(1)、S9
(2)均为“1”;
R0
(1)、R0
(2)中有“0”时,实现置9功能,即QDQCQBQA=1001。
图5-17490管脚图
74LS90功能表
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
(1)、R0
(2)
S9
(1)、S9
(2)
CP1CP2
1
×
×
0×
0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
11
不变
保持
图6-1
3.2译码器
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,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CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器,引脚排列如图2所示。
其中abcd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。
图7-1CD4511管脚图
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g:
为译码输出端,输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
CD4511的真值表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
8
消隐
2
3
4
11
5
6
7
1
9
图8-1
3.3共阴极七段LED数码管
数码显示器可显示系统的运行状态及工作数据,我们所选用的是发光二极管(LED)显示器,它分为两种,共阴极(BS201/202)与共阳极(BS211/212),我们所选的是共阴极,它是将发光二极管的阴极短接后作为公共极,当驱动信号为高电平时,阴极必须接低电平,才能够发光显示。
共阴极数码管的外引脚及内部电路如下图:
图9-1图9-2
3.4555定时器
555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。
555电路的类型有双极型和CMOS型两大类,两者的工作原理和结构相似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;
所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,两者的逻辑功能和引脚排列完全相同,易于互换。
双极型的电压是+5V~+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压是+3V~+18V。
555定时器可构成多谐振荡器电路及施密特触发器电路。
图10-1555管脚图
四计时电路
六十进制计数器
“秒”、“分”电路都六十进制,它由一级十进制计数器和一级六进制计数器组成,如图采用两片74ls90串接起来构成“秒”、“分”计数器。
电路如下图:
图10-260进制电路图
由图得知,U5是十进制计数器,U6的QD作为十进制的进位信号,74ls90计数器是十进制异步计数器,用反馈归零的方法实现十进制计数,U4和与非门构成六进制,其中与非门输出进位信号
24进制计数器
时计数电路由U1和U2俩部分组成。
当时个位U1计数为2,U2计数为4时,两片74ls90复零,从而构成24进制计数。
图11-124进制电路图
五脉冲产生电路
本设计中用555集成电路组成多谐振荡电路提供时钟秒脉冲。
555定时器应用为多谐振荡电路时,当电源接通Vcc通过电阻R1、2向电容C充电,其上电压按指数规律上升,当U上升至2/3Vcc时,会使比较器C1输出翻转,输出电压为零,同时放电管T导通,电容C通过R2放电;
当电容电压下降到1/3Vcc,比较器C2工作输出电压变为高电平,C放电终止,Vcc通过R1、R2又开始充电;
周而复始,形成振荡。
则其振荡周期与充放电时间有关,也就是与外接元件有关,不受电源电压变化影响。
图12-1555多谐振荡电路图
图12-2工作波形图
定时器振荡周期为:
T=0.7(R1+R2)C1
频率为:
f=1/[0.7(R1+R2)C1]=1S
我们取C1=10uF,结合实际情况选取电阻R1=15K,R2=68K,就可以到我们要的秒脉冲。
六所用元件
元件列表
元件名称
型号
规格
数量
备注
数码管
共阴极
小号
七段译码显示器
CD4511
直插式
16脚
74LS90计数器
74LS90
定时器
555定时器
8脚
二输入与非门集成芯片
74LS00
14脚
电容
电解
10uF、0.1uF
电阻
Rest
15K、68K
直流电源
+5V
导线
若干
图13-1
七安装与调试
6.1电路的安装
电路安装遵循的原则:
(1)先装小后装大、先装矮后装高等;
(2)布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边,用来起一定的屏蔽作用;
(3)最好分模块安装等等。
6.2电路的调试
6.21对脉冲产生电路的调试
将脉冲电路连接一个发光二极管的正极,另一端接地,再接通电源,观察二极管的亮灭间隔时间,如果正常则进行下一步,如果不正常则检查芯片以及接线是否正确。
6.22对计时电路的调试
先将脉冲电路连接到60进制电路,观察数码管显示数字的走动,如果正常跳动则进行下一步,如果不正常则检查芯片以及接线。
再将脉冲电路连接到24进制电路,观察数码管显示数字的走动,如果正常跳动则进行下一步,如果不正常则检查芯片以及接线。
最后将24进制电路和60进制电路相连,并将脉冲电路连接到60进制电路,观察数码管显示数字的走动,如果正常则调试过程完毕,作品胜利完成,如果不正常则60进制电路的走动,如果正常跳动则进行下一步,如果不正常则检查芯片以及接线。
电路调试时要小心谨慎,要首先检查电路各部分的接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路,器件有无接错。
再接入电路所要求的电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。
如果有异常现象,应立即切断电源,排除故障后重新通电检查,直至无错。
6.3调试中的问题
问题一:
数码管数字不走动但芯片计数正常
原因一可能是电源电压不稳定或者不够。
原因二可能是数码管和芯片连接错误。
问题二:
分、秒、时电路单独能正常工作,组合起来时电路不能正常工作
原因可能是时电路没有正确接入脉冲
八课程设计体会
经过10天的实习,过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也失落过,也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
我们小组通过查阅各种资料,亲自动手操作,以及同学间的合作,课程设计通过了,虽然在制作过程中我们遇到了很多困难,做出的产品也不是最好的,但是我们从中学习到的东西远远超过这些表面上的。
通过课程设计,也让我们认识到了自己的不足,理论知识不扎实,并且不能很好的利用到实践中,虽然了解一些,但不能将它的功能转化为自己想要的结果,导致不能学以致用,在使用过程中走了很多弯路。
在整个设计的过程中,我们对电路连接了3次,前两次都由于各种原因导致电路不能正常工作,但经过我们的一番努力之后,最终还是通过了软件和硬件上的调试。
我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题,在实际设计中才发现,书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的,所以有些问题不但要深入地理解,而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决,而在解决的过程当中会发现自己在飞速的提升。
这也激发了我今后努力学习的兴趣,我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性,只有分工协作才能保证整个项目的有条不紊。
我相信经过本次课程设计之后,我会得到巨大的飞跃!
参考文献
[1]康华光《电子技术基础(数字部分)》.高等教育出版社.2006
[2]伍时和《数字电子技术基础》.清华大学出版社.2009
[3]阎石《电子技术基础(数自部分)》,高等教育出版社.2004
[4]温如坤高志敏《数字电子技术基础实验》.湖北汽车工业学院.2004
[5]江思敏陈明《Protel电路设计教程》.清华大学出版社2006
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