多功能数字闹钟的设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：多功能数字闹钟的设计 学习中心： 内蒙古学习中心 学 号：090F31133063 姓 名： 赵恒秀 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 张伟 2015 年 8 月 5 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名：赵恒秀 学号：090F31133063 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：多功能数字闹钟的设计 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表学生姓名：赵恒秀 学号：090F31133063 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：多功能数字闹钟的设计 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。）毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文多功能数字闹钟的设计，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：赵恒秀 日期：2015年8月5日22中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）摘 要数字闹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，具有更长的使用寿命，并且可以实现更多的功能，如：定时控制、整点报时、闹钟、触摸报整点时数等，在现实生活中，各种数字闹钟已得到了非常广泛的使用。数字闹钟的设计方法有许多种，例如可用中小规模集成电路组成数字钟，也还可以利用单片机来实现数字钟等。这些方法都各有其特点，其中利用中小规模集成电路组建数字钟，原理简单，但由于集成电路集成度有限，对于需要实现较多功能的电路设计比较复杂，对于制作者焊接和布线有较高的要求。用单片机实现的电子钟具有结构简单，并便于功能的扩展，但需要涉及到汇编以及 C 语言编写程序，对设计者有较高的要求。本次设计为用中小规模集成电路组成数字闹钟。加入世贸组织以后，中国会面临激烈的竞争。这种竞争将是一场科技实力、管理水平和人才素质的较量，风险和机遇共存，同时电子产品的研发日新月异，不仅是在通信技术方面数字化取代于模拟信号，就连我们的日常生活也进于让数字化取缔。说明数字时代已经到来，而且渗透于我们生活的方方面面。 就拿我们生活的实例来说明一下“数字”给我们带来的便捷。下面我们就以数字钟为例简单介绍一下。数字钟我们听到这几个字，第一反应就是我们所说的数字，不错数字钟就是以数字显示取代模拟表盘的钟表，在显示上它用数字反应出此时的时间，相比模拟钟能给人一种一目了然的感觉，不仅如此它还能同时显示时、分、秒。而且能对时、分、秒准确校时，这是普通钟所不及。与此同时数字钟还能准确定时，在你所规定的时间里准确无误的想你发出报时声音，提醒你在此时所需要去做的事。与旧式钟表相比它更适用于现代人的生活。关键字： 数字闹钟 集成电路 计数器 显示器 校时电路目录一、中国钟表发展史6二、数字闹钟的现状8三、多功能数字闹钟硬件设计9（一）多功能数字闹钟的基本功能9（二）多功能数字闹钟的设计9（三）数字钟电路系统的组成框图9（四）振荡器的设计9（五）分频器的设计11（六）校时电路的设计13（七）主体电路部分13四、软件设计15（一）软件设计思路根据系统的功能15（二）程序流程图16（三）计时中断程序流程图18（四）数字电子钟的组装与调试19五、结论20致谢21参考文献22一、中国钟表发展史中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年间（纪元前104-101年）由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓，按时打钟。第一个机械钟的灵魂擒纵器用于计时器，这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪。第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880年，法国人皮埃尔居里和保罗雅克居里就发现了石英晶体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经过测试，一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为3-5秒。1942年，著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场合，它还经常被列为频率的基本标准，用于日常测量与检测。大约在1970年前后，石英钟表开始进入市场，风靡全球。随着科学的进步，精密的电子元件不断涌现，石英钟表也开始变得小巧精致，它既是实用品，也是装饰品。它为人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。在现行情况下根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。二十世纪八十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三个方面：1、从生产机械表转为石英电子表；2、曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的“组业”所取代，钟表生产中心转向中国南方沿海一带；3、中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。这场转折以迅雷不及掩耳的速度，冲击着传统的中国钟表工业。中国的钟表业从技术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全靠从日本、德国进口，1989年开始完全自己生产，包括模具的制造加工。近十余年，逐渐提高机芯质量的稳定性，同时转向对手表机芯研制与开发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福州、广东东莞、番禺；机械钟表机芯在上海、山东等地。数字钟被广泛用于个人家庭,车站,码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表,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。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。二、数字闹钟的现状现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的钟表精英在成长。我们相信在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表,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。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。三、多功能数字闹钟硬件设计（一）多功能数字闹钟的基本功能 1.准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。2.小时的计时要求为“12翻1，分和秒的计时要求为60进位。3.校正时间。 4、定时控制。 5.仿广播电台正点报时。6报整点时数。7触摸报整点时数。（二）多功能数字闹钟的设计1、数字钟的构成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。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。（三）数字钟电路系统的组成框图主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。整个系统所用的器件种类应尽可能少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。（四）振荡器的设计1、振荡器是数字钟的核心。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，这种压电谐的频率即为晶体振荡器的固有频率，如果精度要求不高，可采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。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。如图1所示为电子手 表集成电路（如5C702）中的晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。图1：晶体振荡器电路图 2、如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。这里设振荡频率fo=1kHz，电路参数如图2所示：C1C2图2：555振荡器电路（五）分频器的设计提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。 1、码制,5421码制表用四位二进制码的十六种组合作为代码，取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常，把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码，也叫做BCD码，见表1十进制8421码5421码十进制8421码5421码0000000005010110001001000016011010012001000107011110103001100118100010114010001000910011100表1：8421码制和5421码制2、分频器的具体工作原理分频器的功能主要有两个:一是产生标准秒脉冲信号;二是提供功能扩展电路所需的信号,如图3所示，仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等.选用3片中规模集成电路计数器74LS90可完成上述功能.因每片为1/10分频,3片级联则可获得所需要的频率信号,即第一片的Q0端的输出频率为500Hz,第二片的Q3端输出的是10Hz,第三片的Q3端输出为1Hz.图3：分频电路设计3、时分秒计数器的设计分和秒计数器都是模数 M=60的计数器，其计数规律为00-01- 58-59-00选74LS92作十位计数器，74LS160作个位计数器，将其级联成模数M=60的计数器。时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器，当数字中运行到23时59分59秒，下一个数将变为00时00分00秒。实现日常生活习惯用的技术规律。4、驱动电路 结合教材上所学到的的知识，CD4511 作为驱动芯片有它特有的优势。它不仅是我们所熟悉的共阴极数码管驱动芯片，而且驱动电流加大、价格适中。所以选择CD4511做驱动芯片。5、分计数电路部分 这部分的调试电路与秒计数器的电路一样，在调试中不同的是秒计数电路的个位计数器74LS90的14脚接入振荡电路部分的输出端，而分计数电路的个位计数器74LS90的14脚本该接校时电路，但是由于校时电路作为最后调试的电路所以在调试中74LS90的14脚与单次脉冲连接调试的结果是这部分的结果与秒计数电路部分的结果一样。校时电路部分 在整个电路的设计中，需要用到两个校时电路，两个校时电路的功能相同，它们不同的是在电路的设计时，校分电路比时电路少一个反相器，这是因为74LS191为高电平有效而74LS90为低电平有效。调试的结果是：当开关断开时，分计数电路，小时计数电路正常计数，当开关闭合时，校时电路进行校时。只是有时松开按键时，较时数。如果接上R-S触发器就能够消抖。 6、扩展电路部分 扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下，才能完成的。有些也可模拟调试。定时控制：扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下，才能完成的。单独在实验箱上可以调试其电路的输入就用模拟开关输入高低电平。只要输入的变化下能够控制风鸣器工作就行。因为这部分的电路比较简单、原理也不难。所以这部分调试很快，一切很顺利。 有了以上主要在DA软件虚拟平台上实现，主体电路的功能接上电源后就能实现：能显示时、分、秒的时间；小时的计数为“12翻1”，分和秒的计时为60进位；扩展部分：定时控制能够校时、分。（六）校时电路的设计当数字钟接通电源或者计数出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时，分，秒等校时功能。为了使电路简单，这里只进行分和小时的校时。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲作为校时脉冲。图8示电路为校“时”，校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，他们的控制功能如图表示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可以进行快校时。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。（七）主体电路部分（1）振荡电路部分我先用的是32768HZ的晶振和反向器74LS00接两个电阻和两个电容组成的振荡电路，产生32768HZ的方波信号，经过15级二分频后得到1HZ的基准脉冲。扩展部分所需的频率可以从5级二分频得到1024HZ六级二分频得到512HZ但是这样用的集成块较多，时间延迟较长。用555 123&74LS0312456&A74LS20A，多谐振荡方波也可，就是精确度和稳定度不高。后来我就用的1MHZ的晶振产生1MHZ的频率经过74LS90组成的二-五-十的分频器，可很好的扩展部分所需的频率。只是要用六块74LS90，后来我查了手册，现4518有两片十进制分频器，功能与74LS90又基本上相同，这样就可少用集成块，减少时间延时。 在现用电路调试中，晶振的输出频率为1MHz，用三片CD4518组成了六级十分频电路，在调试中我对每级分路进行了测试。在第一级分频后出现的脉冲信号为100KHz，经过第二级得到了10KHz的标准脉冲，这样一级级的分频，经过六次分频后得到了标准的1Hz脉冲信号。计数电路部分小时计数部分这部分电路较复杂，在第一次焊接完成后的调试显示中，发现小时的十位没有变化，经过分析、检查发现74LS74的3脚没有接上。（2）秒计数电路这部分的调试中顺利得到了结果即：秒计数器的个位能准确以十进制形式计数；秒计数器的十位也能准确以六进制的形式计数。当秒计数器的个位计数到9后自动向秒数器的十位计数。四、软件设计 （一）软件设计思路根据系统的功能可以将程序分为5个功能模块，包括LED数码管扫描模块、时间计时模块、校时模块、闹钟定时模块和键盘扫描模块。1、LED数码管扫描模块在采用动态扫描方式时，要使得LED显示得比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。当扫描频率在70Hz左右时，能够产生足够的图形和比较好的效果。在每一位LED显示后调用一个延时程序。采用实验平台时，插孔CS1用于数码管段选的输出选通，插孔CS2用于数码管位选信号的输出选通。在编程时，只需要先输出数据选通相应的位，再输出显示数据。显示数据输出前要将数据转换为显示代码。2、时间计时模块计时是采用硬件计时和软件计时相结合的方法。硬件定时100ms，产生中断。8253定时的时间是100ms，clk0的输入时钟f46875hz，所以计数初值为124FH。分别用Hour、Min、Sec来存储时分秒值。在中断服务程序中，计数到1秒的间时，Sec加1。当Sec加到60的时候进一，Min值加1。当Min等于60时，Hour值加1，Hour值等于24时清零开始下一次循环。 3、校时模块当校时键按下时，进入校时中断程序。停止计数器，开始键盘扫描。当键盘是A键时，校正的相应值为加1，若为B键时，校正的相应值为减1。C键负责在相应的位之间切换。具体流程见校时中断程序的流程图。4、闹铃定时模块当闹铃定时键按下时，进入闹铃定时中断程序。开始键盘扫描。当键盘是A键时，定时的相应值为加1，若为B键时，定时的相应值为减1。C键负责在相应的位之间切换。具体流程同校时中断程序流程图。5、键盘扫描模块采用的是行反转法来扫描键盘的，调用键盘扫描的程序TESTKEY后，程序中的变量KEY的值就是按下的键的值，如果KEY为0FFH则表示无键盘输入，为015则按照上往下从左往右的顺序分别代表每一个按键按下的信息。判断键值进行相应的操作。（二）程序流程图1、主程序流程图如图4开始系统初始化数码管扫描输出开 始系统初始化数码管扫描输出图4主程图流程图2、校时中断程序流程图如图5校 时 中 断中 断 保 护PAO输出停止计数器读 键 值是A盘？是B盘？是C盘？读 键 值是A盘？是B盘？是C盘？PAO输出启动计数器中 断 返 回YYNYYNMin+1-MinHour+1-HourHour-1-HourMin-1-Min图5：校时中断程序的流程图（三）计时中断程序流程图如图6NY定时中断中断保护Cnl-I-CnlCnt=10?0-CntScc-I-SccLloui=60?0-Hour时分是定时时间PBO输出恢复中断中断返回NNY图6：计时中断程序流程图（四）数字电子钟的组装与调试1、 数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指成数字中的各个功能电路。级联时如果出现时序配合不同步，或剑锋脉冲干扰，引起的逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退藕滤波电容。通常用几十微法的大电容与0.01F的小电容相并联。.2、 实验结论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，并分别在51秒、53秒、55秒、57秒、59秒实现了四短一长”的报时效果。（3）.能定时控制，且能惊醒校正时间（通过开关调时、分）。3、调试在本设计中，为了设计的顺利进行，我在实验箱上进行了部分调试，因为电路太复杂，在实验箱上不可能整体电路进行调试。调试后，我就自己焊接了一个试验板进行调试。以确保最后能很好的完成其各部分功能。调试后，我就画PCB图，用来制印制板。因为PCB图先画，后经过反复考虑振荡电路部分改进了，最后用的是1MHZ的晶振经过三片CD4518六次分频就能得到1HZ的频率。所以在印制板外加了一个振荡部分电路。 五、结论 通过本次毕业设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这毕业设计由于我采用的是集成电路,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.通过这次设计,我还掌握了制集成电器设计的的一系列步骤,在几个月时间里,通过杳阅资料，还有指导老师的指点，对多功能数字闹钟的设计从基本结构到主体设计，最后，对其调试和软件设计也作了一些介绍。通过这次毕业设计，我不仅掌握了些元器件的用途以及它们的参数、性能，更重要的是通过这次设计提高了我理论和实践相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，同时也提高了我分析问题和解决问题的能力。做什么事情没有最好，只有更好。我相信通过这一次的毕业设计之后，我以后会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。克服困难，战胜自我，超越自我。我要努力在今后走向社会中，在工作中做得更好。致谢 时间过的好快，转眼间，大学生活结束了。通过大学课程的学习，不仅让我们拓宽了知识面，而且锻炼了能力，综合素质得到较大提高。设计，给人以创作的冲动。但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金子般的财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。课程设计达到了专业学习的预期目的。通过这次毕业论文的写作，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。这次毕业论文终于完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。在这个过程中我们学到了很多东西。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！首先我们要感谢学院给与我们机会学习，再次感谢我们的指导老师，在我们完成设计的过程中，指导老师给予了我们很大的帮助。在课程设计开始的初期，我们对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，段落层次也不是很清晰，老师详细给我们分析论文的写作过程，从论文的题目，论文的内容，论文的脉络，都给与我们详细的指导。在我们课程设计的进展过程中，老师也及时给我们解决疑惑，并且监督我们论文的进展过程，非常感谢！但是惭愧的是，论文也时有偏差出现，经过了曲折的过程，老师也耐心的给我激励，非常感谢! 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后，对这次参加答辩的老师表示最诚挚的敬意。参考文献1 谢自美 电子线路设计实验测试华中科技大学出版社2 路而红 虚拟电子实验室EWB人民邮电出版社3 祁存荣 电子技术基础实验武汉理工大学教材中心4 康华光 电子技术基础数字部分5 郑继禹 同步理论与技术电子工业出版社6 方建邦 通信电子电路基础人民邮电出版社 7 陈安凯最新集成电路数据手册人民邮电出8 王港元电子电工实践指导人民邮电出版9 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