多功能电子时钟课程项目设计方案

1 多功能电子时钟课程项目设计方案 第一章：系统电路设计 统总设计思路 数字电子计时器原理框图如图（ 示，电路一般包括以下几个部分：振荡器、分频器、校时电路、时分秒计数器、译码显示电路。 图 数字电子计时器原理框图 对于各部分 （ 1） 振荡器用来产生相应频率的脉冲信号。 （ 2） 分频器用来对振荡器产生的信号进行分频，从而得到电子计数器需要的1脉冲。 （ 3） 为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”“分”计数器进行校时操作。 （ 4）计数电路，通过计数输出产生相应的二进制码元，再输入到译码器。 （ 5）译码电路和显示器为一个整体。通过译码器译码输入到数码管，最终显示出来。 2 计方案选择 荡部分 方案一 晶体震振荡器电路 采用石英晶体振荡器。使用振荡频率为 32768石英晶体和反向器构成一个稳定性好、精度高的时间信号源。改变电容 C 可以对振荡器的频率进行微调，再通过一个反相器，输出 32768 方波，将此方波的频率进行 15 次二分频后，在输出端刚好可得到频率为 1 方案二 555振荡器电路 振荡 器是计时器的核心，其作用是产生一个标准频率的脉冲信号。振荡频率的精度和稳定度决定了数字钟的质量。 采用集成电路555 定时器与 成的多谐振荡器。 （比较） 秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，但我们做实验考虑到用石音晶体振荡电路时分频电路用的元件较多 且价格较贵，用 555构成的电路元件容易得，电路简单且易于实现，故 选方 案二 。 频部分 方案一 通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级 2 进制计数器来实现。 数字集成 电路中可实现的分频次数最高，为 14 级 2 进制计数器而且包含振荡电路所需的非门。 方案二 74成的分频电路 74 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。将 0相连，计数脉冲由 3、 构成异步 8421 码十进制加法计数器。从而完成十分频。 （比较）由于 2进制计数，要求精度比较高，在实际学习中对 74以采用 74做分频电路， 所以选方案二。 时部分 方案一 慢校时 将低压电源通过一个开关连接到校时电路，通过开关的接通与断开产生高低电平 ,再通过部分逻辑门电路，从而得到所需要的脉冲信号完成校时。 方案二 快校时 将校时 1后与另一个进位脉冲信号同时输入到一个与非门，最后输如到进位脉冲，只要开关接通，1成快校时。 （比较）快校时电路由于脉冲源产生的 1现方案相对简单，并且灵活易操作，选方案二。 显示部分 方案一 译码器 74共阴数码管电路 共阴数码管的译码器应选用 74码后输出为高电平，数码管的公共端接地，从而在数码管上将显示出相应的数字。 方案二 共阳数码管电路 共阳数码管的译码器应选用 74码后输出为低电平， 数码管公共端 3 接正电源，将在数码管上显示出相应数字。 （比较）由于译码器 74市面比较容易买到及多方面的原因，所以选用74码管用共阳数码管。 综合上述方案的选择与比较，都选择方案二。主要是由于电器元件的熟悉程度以及市场的供求关系。在方案 二中，大部分的电器元件我们较熟悉并且更容易获得。 第二章 单元电路设计 荡器电路 555 作振荡器 采用集成电路 555 定时器与 出的脉冲 频率为=2)2+(1= 121 期 T =1= f S 1取电阻为千欧级 ， 电容 参数选择： 2=107以得到秒脉冲信号。虽然直接得到了秒脉冲，但从计时精度的角度考虑，振荡器的振荡频率越高，钟表计时的精度就越高 ，所以一般不直接输出秒脉冲信号。 片管脚图及功能表介绍 （ 1）芯片管脚如图（ 图 555定时器管脚图 （ 2）芯片功能表 输 出 输 出 阀值输入（ 触发输入（ 复位（ 输出（ 发电管 T 0 0 导通 4 2/31/3 0 导通 1/3 不变 不变 表 555定时器功能表 荡器单元电路图 图 555定时器构成的振荡器电路 工作原理 接通电源 1和 冲电，其电压 按指数规律上升。随着冲电达到饱和，电容 C 开始放电 于电容 C 上的电压 ，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。 频器电路 74分频器 通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级 10 进制计数器来实现。分频器的功能有两个：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。选用 中规模集成电路 74以完成以上功能。将 3 片 74 级联，每片为 1/10 分频，三片级联正好获得 1标准秒脉冲。 片 74管脚图及功能表介绍 （ 1）芯片管脚如图（ 图 74脚图 （ 2）芯片功能介绍 74 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。 通过不同的连接方式， 74且还可借助)、 )对计数器清零，借助 )、 )将计数 器置 9。其具体功能详述如下： 1)计数脉冲从 二进制计数器。 2)计数脉冲从 异步五进制加法计数器。 3)若将 0相连，计数脉冲由 则构成异步 8421码十进制加法计数器。 4)若将 3相连，计数脉冲由 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 )、 )均为“ 1”； )、 )中有“ 0”时，实现异步清零功能，即 0000。 b) 置 9功能 当 )、 )均为“ 1”； )、 )中有“ 0”时，实现置 9功能，即 1001。 （ 3） 芯片功能表 6 输 入 输 出 功 能 清 0 置 9 时 钟 0(1)、 ) )、 ) 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 0 0 1 0 1 输 出 二进制计数 1 五进制计数 十进制计数 十进制计数 1 1 不 变 保 持 表 74能表 频单元电路图 图 三片 74成的分频电路图 工作原理 由振荡器产生的 1号通过 次十分频后得到 1秒脉冲。即由 入十个脉冲后，从 出一个脉冲，同样 后 1信号就转变成了我们所需要的 1秒信号。 时电路 校时电路的设计 当数字计时器接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字计时器应具备的基本功能。为使电路简单。这里只进行分和小时的 7 校对。 对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和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 1校时脉冲计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲做校时脉冲，（图 校“时”，校“分”电路。其中 校“分”用的控制开关， ”用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的 1冲，当 0”时可进行“快校时” 。 秒的正常计数；在分校正 本设计采用“快校时”。 需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，可用芯片 744现。开关 “ 0”或“ 1”时，可能会产生抖动，接电容以缓解抖动。 片功能及管脚介 绍 （ 1） 74脚如图（ 图 74脚图 （ 2）芯片功能介绍 74四二输入与非门，即 Y 。 当 A=1， B=1 时 Y=0；A=1， B=0 时 Y=1； A=0， B=1 时 Y=1； A=0， B=0 时 Y=1。 （ 3）芯片逻辑功能表 表 74 能表 （ 4） 74脚如图（ 输 入 输出 A B Y 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 8 图 74脚图 （ 5）芯片功能介绍 74六反相器，即 Y=A 。当 A=0 时， Y=1；当 A=1 时， Y=0。 （ 6）芯片逻辑功能表 输 入 输 出 A Y 0 1 1 0 表 74能表 时单元电路图 9 图 由 74 74成的校时电路 工作原理 当“ 接通到断开或由断开到接通时可能会产生抖 动，接电容“ “ 可缓解抖动。取 2=压电阻 R 等于 欧。 开关 S 闭合后，电路开始校时。非门 1 的输出也为高电平；所以非门 b 的输出只与校时脉冲有关。又由于与非门 a 的输出也为高电平，所以非门 c 的输出只与非门 b 的输出有关。因此与非门 c 的输出与校时脉冲相同。 开关 S 断开后，电路开始正常计时。非门 1 的输出为低电平，所以与非门 此与非门 c 的输出完全由与非门 a 的输出决定；又与非门 以电路进行正常计时。 数器电路 、分 、时计数器设计 秒脉冲信号经过 6 级计数器，分别得到 “秒 ”个位，十位、 “分 ”个位、十位、“时 ”个位，十位的计时，小时为 24 进制 ， 秒分计数器为 60 进制 。 （ 1） 24 进制计数电路：小时计数电路是由 两片 74成的 24 进制计数电路，采用两片中规模集成电路 74联接起来构成。 当 “时 ”个位 数输入端 到第 10 个触发信号时， 数器复零，进位端 9“时 ”十位计数器输出进位信号，当第 24 个 “时 ”脉冲到达时， 100， 数器的状态为 0010，此时 “时 ”个位计数器的 ”十位计数器的 。把它们 通过一个与非门 送到 数器的清零端 02通过 74部的 数器复位，完成 24 进制计数。 如图（ （ 2） 60 进制计数电路：秒计数器电路与分计数器电路都是 60 进制，它由一级 10 进制计数器和一级 6 进制计数器连接构成，采用两片中规模集成电路74 74联接起来构成的秒、分计数器。 74数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现十进制计数 。 74数器是十 二（二 六） 进制异步 计数器，用反馈归零方法实现 六 进制计数 ， 74 74在一秒时钟或进位信号的下降沿翻转计数 ，所以当 74且 74 的时候再输入一个脉冲计数器全部归零。由次可见串联实现了六十进制计数。如图（ 片 74管脚图及功能表介绍。 （ 1） 芯片管脚如图（ 10 图 74管脚图 （ 2）芯片功能介绍 74异步 二 六 十二 进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作六进制和十二进制加法计数器。 通过不 同的连接方式， 74且还可借助)、 )对计数器清零。其具体功能详述如下： (a)计数脉冲从 二进制计数器。 (b)计数脉冲从 异步六进制加法计数器。 (c)若将 0相连，计数脉冲由 则构成异步 8421码十二进制加法计数器。 (d)清零功能。 异步清零 当 )、 )均为“ 1”；时，实现异步清零功能，即 0000。 (3) 芯片功能表 输 入 输 出 功 能 清 0 时 钟 )、 ) 1 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 0 0 置 12 0 0 1 输 出 二进制计数 1 六进制计数 3 十二进制计数 1 1 不 变 保 持 表 74片 74 11 （ 1）芯片管脚如图（ 图 74脚图 （ 2）芯片功能介绍 芯片 74四二输入与门，即 Y= A=1， B=1 时 Y=1；当 A=1，B=0 时 Y=0；当 A=0， B=1 时 Y=0；当 A=0， B=0 时 Y=0。 （ 3） 芯片功能表 输 入 输 出 A B Y 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 表 74能表 计数单元 电路图 （ 1） 24进制计数 12 图 两片 74成的 24 进制电路 工作原理 9都接成十进制计数器，当 010 同时 100时，即 1和 再经一个与非门后连接到异步置零端清零，从而完成 24进制计数。 （ 2） 60进制计数 图 由 74 74成的 60 进制电路 工作原理 由于分和秒都是 60进制，所以芯片 90用 片 92用 示。 接为十进制计数器芯片 90与接为六进制 的芯片 92相串联就构成了我们所需要的六十进制计数器。芯片 90用 片 92用 码驱动显示电路 码驱动显示电路的设计 六个 74成电路构成数字电子计时器的七段数码显示管显示译码 /驱动器。 74段显示译码器输出低电平有效，将计数器 输出的 8421译成七段（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g）输出，用以直接驱动 段数码显示对应 13 的十进制数。 六个 段数码显示管利用不同发光段组合的方式显示不同数码，都采用 +5V 电源作为每段 发光二极管的驱动电源。需要发光的段为高电平，不发光的段为低电平。设计中采用共阳极数码管，每段发光二极管的正向降压，随显示光的颜色有所不同，通常约 3V 5V，点亮电流在 5 10个 段数码显示管分别显示秒个位、十位；分个位、十位；时个位、十位的计数十进制数。 片 74数码管的管脚图及功能表介绍 （ 1）芯片管脚如图（ 图 74脚图 （ 2） 芯片功能介绍 芯片通过 A， B， C， D 输入四位不同的 8421，将其翻译成 16种不同的符号输出到 显示器。 （ 3） 芯片功能表 14 十进制功能 输入 输出 D C B A a b c d g 0 1 2 3 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 10 0 0 11 H H H H 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 4 5 6 7 0 1 0 0 0 1 01 0 1 10 0 1 11 H H H H 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 8 9 10 11 1 0 00 1 0 01 1 0 10 1 0 11 H H H H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 12 13 14 15 1 1 00 1 1 01 1 1 10 H H H H 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 表 74码输出功能表 (4)数码管结构如图（ 图 数码管字型结构图 码驱动显示单元电路图 16 图 74数码管连接图 工作原理 译码器 74过四个输入端 A， B， C， D 输入 015 个不同的二进制码元，将其翻译成不同的高低电平组合，从而在数码管上显示出相对应的16 个不同的数字符号。本设计最多只需 00001001 九个不同的二进制码元，所以数码管只显示 09 九个数字。 第三章 仿真及测试 真平台 介 目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真 51 系列、 常用的 其外围电路（如 盘，马达， D/分 件，部分 件， .） 其实 较类似，只不过它可以仿真 然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是估计初学者有的可能性比较小吧？如果你在 51 单片机，如果自己动手做 A，直流马达， 盘， .可以做的很成功的！ 用 51 不管是用汇编或是 C 编程当然要用 不少新特性呢！ 使用 以像使用仿真器一样调试程序，一般而言，微机实验中用万利仿真器 +电工系自己做的实验板的实验都可以做得到！ 当然，硬件实践还是必不可少的！ 其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容 17 的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这 样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 真测试 对于 我们所需要测试的参数主要是分频电路的三块 74 列的芯片 、电容、 电感、电阻以及示波器等我们所需要的各种元器件， 元器件调出后， 认真连接各元件， 对元器件的位置进行调整 以求电路原理图美观简易，并保存图， 使布局比较合理。 数字电子计时器的 仿真原理图 及仿真结果 如 （图 所示 。（见 21， 22 页）注：仿真时一次分频，二次分频，三 次分频对应的时间档位分别为 每个脉冲占 5 格，所以对应的频率分别为 100101 图 一次分频的输出脉冲波形 18 图 二次分频的输出脉冲波形 19 图 三次分频的输出脉冲波形 20 图 电路仿真总原理图