《数字电子钟设计》word版

第1章 绪论现在是一个知识爆炸的时代。新产品，新技术层出不穷，电子计数的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子计数的应用无处不在，电子技术正在不断改变我们的世界。但在这快速发展的时代，时间对人们来说越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟给人们带来了极大的方便。随着科技的快速发展，数字电子钟在实际生活中的应用越开越广泛，小到普通的电子表，大到航天器等高科技电子产品中的计时设备。数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有整点报时附加功能。多功能数字钟由以下几部分组成：555定时器组成的多谐振荡电路构成秒脉冲发生器；矫正电路，六十进制的秒，分计数器和二十四进制的时计数器；秒，分，时的数码显示部分；报时电路等。作为电气工程及其自动化的一名学生掌握并能够独立自主设计一个数字电子钟是必要和必须的，即可以加深对课本上理论知识的理解又能锻炼自己的思考和解决问题的能力。11设计任务及要求1.能进行正常的时、分、秒计时功能；2.能进行手动校时；3.能进行整点报时；4.具有定时闹钟功能。1.2设计的方案的选择与论证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，定时报警，按时自动打铃，时间程序自动控制，这些，都是以钟表数字化为基础的。本次所要设计的数字电子钟可以满足使用者的一些特殊要求，输出方式灵活，如可以随意设置时，分，秒的输出，定点报时。由于集成电路技术的发展，特别是MOS集成电路技术的发展，使数字电子钟具有体积小，耗电省，计时准确，性能稳定，维护方便等优点。数字 时钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路，因此，时间计数电路是一个由计数器组成的时许逻辑电路。用555定时器构成的多谐振荡器作为秒脉冲信号源，控制秒个位的信号输入，整点报时信号输入和闹钟报时信号输入，是整个电路唯一的脉冲信号源。将计数器与显示器相连结，可以将输入的二进制数翻译成可以直读的十进制数字并显示出来，显示管与计数器之间由译码器相接，作为译码驱动。由于计数的起始时间不可能与标准时间完全一致，异或计数过程中可能出现误差，故需要在电路中添加校时电路，以保证可以随时对时间进行矫正。整点自动报时电路，可以使时钟在临近整点的时刻鸣叫提醒，并在指示灯闪烁。闹钟电路是该电路的附加部分，可以实现时钟在设定时刻鸣叫报时，并在指示灯闪烁，增加了时钟的功能。第2章 数字电子钟基本原理及其框图数字电子钟基本原理及其框图数字电子钟的逻辑框图如图1-1所示。它由555集成芯片构成的振荡电路，分频器，计数器，显示器和校时电路组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“时”，“分”，“秒”译码器显示时间。图1-1 数字电子钟原理框图第3章 单元电路的设计与选择3.1 振荡电路振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。但本设计因为实际条件的限制，所以我选用集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。选择适合的R,C的大小，让多谐振荡器的频率是1000HZ.这样既锻炼了动手能力，又加深了对555振荡器理论的理解。如图3-1.图3-1 振荡电路555的内部电路图如图3-2如图3-2 555的内部电路图555集成定时器由四部分组成1. 基本Rs触发器：有两个“与非”门组成2. 比较器：C1,C2是两个电压比较器3. 分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。4. 晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管VT构成开关，其状态受Q端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3,其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。（a） (b)图 3-3逻辑框图如图及其逻辑符号如图分频器 分频器的功能主要有两个(1) 产生标准秒脉冲(2) 提供功能扩展电路所需要的信号3.2 时间计数电路 秒，分计数器秒个位计数器74LS160被接成十进制计数器，其置数输入端A，B，C，D（3脚4脚5脚6脚）接低电平，LD,QB,QC,QD(14脚13脚12脚11脚)接译码电路74LS48的输入端A,B,C,D。当秒脉冲输入时，电路状态按二进制自然序说依次递增1，QA,QB,QC,QD输出为0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，当输出为1010也就是10时，QA，QC输出都是1，经过一个与非门后一路经反相后送入或非门的一个输入端，输出送往计数器的消零端RD使秒计数器消零，另一路经反相后作为进位脉冲送入秒脉冲送入秒十位计时器的脉冲输入端秒十位计数器在这里74LS160被接成6进制计数器，接法与个位计数器相同，秒计数器送来的进位脉冲送入秒使位计数器的脉冲输入端，使其按二进制自然序说依次递增1，QA,QB,QC,QD端输出为0000，0001，0010，0011，0100，0101，当输出为1010也就是6时，QB,QC输出为1，QA,QD输出为0，QB,QC经过一个与非门后一路先送往秒十位计数器的消零端，另一端经反相后作为进位脉冲送入分个位计数器的脉冲输入端。分计数器的连接方法与秒计数器的相同，分计数器向时计数器送进脉冲，秒，分的六十进制计数器的构成如图3-4所示：图 3-4 74LS160制成的六十进制电路图 时计数器二十四进制计数器，也使用两个74LS160集成块来实现的，方法与二十四进制计数器大同小异，但其要求个位是十进制，状态变化在00001001间循环，十位是二进制，状态变化在00000010间循环，显示为023时。 由分计数器送来的进位脉冲送入时个位计数器，电路在分进位脉冲的作用下按二进制自然序说递增1，当计数到24，这时小时个位输出0100（也就是4），小时十位输出0010（也就是2），小时十位计数器只有QC端有输出，小时个位计数器只有QB端有输出，将QC，QB端接一个二输入与非门，与非门输出一路先送入十位计数器的清零端然后取反送入或非门的另一个输入端，输出姐小时个位计数器的消零端，其每10小时清零并向小时十位计数器送进为脉冲，当十位输出为二，小时个位输出为四时，将整个电路清零，另一路取反后作为星期进位脉冲送入星期显示电路的脉冲输入端，完成24小时的显示及向星期电路送入星期进位脉冲的功能。二十四进制计数器的构成如图3-5所示： 图3-5 74LS160制成的二十四进制计数器使用原件简介74LS00集成块74LS00是一种典型的与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚，引脚排列图（a）,逻辑符号(b)和逻辑状态表表3-1如图3-6所示： 图 (a) 图（b）图 3-674LS00的引脚排列图与逻辑状态表表3-1 74LS00的逻辑状态表74LS160集成块图 3-7 74LS160外引线排列图 表3-2 74LS160的功能表3.3 显示器本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器或共阴极显示器。74LS48译码器对应的显示器是共阴极显示器。74LS48与七段译码管构成显示器如图3-8所示的数码管需要译码器才能显示，74LS48是驱动共阴极数码管的器件。 图 3-8 译码器驱动共阴极数码管电路从74LS48的A，B，C，D端输入二进制数便可完成显示功能。74LS48集成块图 3-9 74LS48引脚排列表3-3 74LS48真值表3.4校时电路 当数字钟走时出现误差时，需要矫正时间。校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。本实验实现“时”“分”的校对。对校时的要求是，在小时矫正时不影响分和时的正常计数；在分校时不影响秒和小时的正常计数。需要注意的是，校时是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，为防止这一情况的发生我在原本接校时脉冲的端口接到了实验装置的“单次脉冲”端口，这样即时限内了防抖动，又可以利用手动操作来完成校时。校时电路图如图3-10。 图3-10 校时电路3.5 整点报时电路电路应该在整点前1秒钟内开始整点报时，即当时间在59分59秒时，报时电路发出报时控制信号，蜂鸣器发出响声，并且指示灯闪烁一次。当时间在59分59秒时，分十位，分个位和秒是为，秒个位均保持不变，分别为5，9和5，9，因此可将分计数器的Qc和Qa，个位的Qd和Qa及秒计数器十位的Qc和Qa，个位的Qd和Qa相与，从而产生报时控制信号。报时电路可选7个74F08D构成。如图3-11。图 3-11 整点报时3.6 闹钟功能电路数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹钟”，或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹钟还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如要求上午7时59分发出闹钟信号，持续时间1分钟。本实验设计为7时59分时，音响电路的晶体管通道，则扬声器发出1KHz的时间。持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截止，电路停闹。如同3-12所示。 图 3-12 闹钟功能电路3.7数字电子钟的总原理图如图3-13所示：图 3-13 总体电路表3-4 元件清单序号型号名称数量编号1555振荡器1A1274LS00与非门3.U19D.U20D.U21D374LS160同步十进制计数器6U13.U14.U15.U16.U17.U18.474LS48共阴极显示器6U7.U8.U9.5七段显示器6U1.U2.U3. U4.U5.U6.674LS04二极管2U22.U23774LS02或非门2U24.U258电感45R1R45974F08D与门710C电容2C1.C2总结通过运用数字集成电路设计的24小时制的数字电子时钟，经过试验，成功实现了一下基本功能：1. 能准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。2. 能实现整点报时的功能，当时间在59分59秒时，报时电路发出报时控制信号，蜂鸣器发出响声，并且指示灯闪烁一次。3.能定时控制，且能手动校时。4.能进行闹钟功能。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解，而且更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。另外，还在电脑制作文档的过程中，使我对办公软件有了更进一步的了解和掌握。 致谢通过这三周的学习，我感觉有很大的收获：首先，通过这次课程设计使自己对课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时也段练了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。更加了解了时序逻辑电路的设计步骤及方法。 对时序逻辑电路的触发方式的理解更加深刻即同步连接方式和异步连接方式的了解。增加了对74LS160和74LS00芯片引脚结构和功能的理解及运用，尤其是160的清零端和进位端的功能。在做设计过程中，锻炼了我的细心和耐性。在本文的写作过程中得到了程凤琴老师的精心指导，在此表示衷心的感谢。参考文献1、彭介华等著.电子技术课程设计指导.M北京：高等教育出版社，1997年。2、安冰菊等著.电子技术基础实验及课程设计.M北京：机械工业出版社，2006年。3、陈光明等著.电子技术课程设计与综合实训.M北京：北京航空航天大学大学出版社，2007年4、闫石主编.数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2001年。