多功能数字电子钟课设报告.docx

多功能数字电子钟课设报告多功能数字钟设计报告 目录 1. 设计任务和要求 . 1 1.1 设计目的 . 1 1.2 设计任务 . 1 1.3 设计要求 . 1 2. 方案设计 . 2 2.1 设计思路 . 2 2.2 设计方案 . 2 3. 电路设计计算与分析 . 4 3.1 秒脉冲电路 . 4 3.2 计时电路 . 5 3.3 译码和显示电路 . 7 3.4 校时控制电路 . 8 3.5 整点报时电路 . 9 3.6 清零控制电路 . 10 4. 总结及心得 . 11 5. 附录 . 12 6. 参考文献 . 14 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 1. 设计任务和要求 1.1 设计目的 1) 进一步熟悉和掌握数字电子电路的设计方法和步骤。 2) 进一步将理论和实践结合。 3) 熟悉和掌握仿真软件的应用。 1.2 设计任务 1) 显示时)分)秒。 2) 可以24小时制或12小时制。 3) 具有校时功能，分别对小时、分钟和秒单独校时，对分校时的时候，最大分钟不向小时进位，对秒校时时不向分进位。校时时钟可以手动输入或借用电路中的时钟。 4) 具有整点报时功能，整点前10秒蜂鸣器开始响。 5) 具有清零功能。 1.3 设计要求 1) 完成全电路的理论设计。 2) 参数的计算和有关器件的选择。 3) 对电路进行仿真。 4) 撰写设计报告书一份。 1 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 2. 方案设计 2.1 设计思路 利用555定时器构成多谐振荡器，调整其电阻和电容大小，使其输出信号频率为1Hz秒脉冲发生器。用两片74LS160N级联构成60进制计数器，用来计“秒”，其CP输入为秒脉冲;另两片74LS160N级联构成60进制计数器，用来计“分”，其CP输入为“秒”变为0时产生的一个下降沿信号;还有两片74LS160N级联构成24进制计数器，用来计“时”，其CP输入为“分”变0时产生的一个下降沿信号。这样六片74LS160N实现了数字钟的计时功能。选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用74LS248作为显示译码电路，选用LED七段数码管作为显示单元电路。对“时”、“分”、“秒” 的信号切换为可控脉冲信的调节采用将原来使他们计时加“1号的方法。整点报时电路由555定时器构成的多谐振荡器，发光二极管和蜂鸣器组成，这样蜂鸣器输出音频信号发光二极管发光。我还设计了数字钟的清零功能，只要使所对应的74LS160N各自的清零端信号为低电平即可。 2.2 设计方案 根据数字钟的设计思路，可以将它分为六个单元电路:秒脉冲电路，计时电路，译码电路，显示电路，校时控制电路，整点报时电路，清零控制电路。它们之间的连接关系见原理方框图，如图1所示: 2 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 时显示分显示秒显示12/24进制转器 器 器 换 时译码分译码秒译码清零控制 器 器 器 时计数分计数秒计数整点报时 器 器 器 扩展 部分 校时电主体部分 路 秒脉 手动校冲冲 时 图1. 多功能数字钟原理框图 3 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 3. 电路设计计算与分析 3.1 秒脉冲电路 、R、C构成多谐振荡器，如图2，由555定时器和外接元件R12脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R、R向C充电，以及C12通过R向放电端D放电，使电路产生振荡。电容C在2/3V和2ccc1/3V之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。 cc图2. 多谐振荡器 输出信号的时间参数是: T= t+t ，t=0.7(R+R)C，w1w2w112t=0.7RC 。其中，t为VC由1/3V上升到2/3V所需的时间，w22w1cccct为电容C放电所需的间。555电路要求R与R均应不小于1K，w212但两者之和应不大于3.3M。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输4 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 出能力。因此，这种形式的多谐振荡器很广。 现在要用多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，由上面的三个表达式可得T=0.7(R+2R)C.若选择R=47K R=47K，C=10uF1212可求得T约为1S，则输出信号频率约为1Hz。 3.2 计时电路 计时电路主要由异步计数器74LS160N组成。74LS160N为中规模TTL集成计数器十分频功能，。其引脚排列图和功能表如图3和表1所示。 图3. 74LS160N的引脚排列图 CLK R LD EP ET 工作状态 D 0 置零 ? 1 0 预置数 1 1 0 1 保持 1 1 0 保持(但C=0) ? 1 1 1 1 计数 表1. 74LS160N的功能表 5 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 图3中ENO和 ENT为使能控制端，它们接高电平有效;LOAD为置数端，它都接低电平时置数有效;CLR为清零端，它们都接低电平时清零有效;RCO端为进位信号输出端，CLK端接脉冲信号，QD，QC，QB，QA作为输出时为10进制计数器。制作数字钟时单片74LS160N都要采用这种接法。 计时电路可分为“时”,“分”，“秒”三部分计时。以“秒”计时为例，它要求两片74LS160N构成60进制计数器，计数从0开始，到59后秒脉冲来时计数又变为0，如此循环。而且在“秒”由59变为0时要产生“进位信号”，使“分”的计时加1.首先将计“秒”的十位和个位的芯片分别编号为2，1.片1的CLK端接秒脉冲，它的RCO端在它计数从9变为0时由“1”变为“0”，把它接到片2的CLK端作为进位信号。采用两片74LS160N将片2的QC，QB端接到片2的清零端，当计数为“60”时，片2计数为“6”，它的QC，QB端都为“1”，则两片芯片的清零端都有效，计数清零。因为74LS160N是异步清零，故数码管上不会显示“60”，而是显示由“59”变为0.“秒”计时电路图如图4所示。 图4. 秒计时电路 6 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 利用相同的原理再做一个60进制计数器计“分”，考虑到“秒”计时清零时片2的RCO端由“1”变为“0”，这一下降沿信号可作为进位信号接到“分”计时的个位计数芯片的CLK端，当“秒”计时清零时“分”计时加1.类似的做一个24进制计数器计“时”，将它的十位计数芯片的QB端和个位计数芯片的QC端接到两个芯片的清零端，并将“分”计时的十位计数芯片的进位信号接到“时”计数的个位计数芯片的CKL端，这样“分”计时清零时“时”计数加1.根据上述原理可得到计时电路，如图5所示。 图5. 计时电路 3.3 译码和显示电路 计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用74LS248作为显示译码电路，选用LED七段数码管作为显示单元电路。 字符显示器:分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若7 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.5-3V，驱动电流为几十毫安。74LS248译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管必须采用共阴极接法。如图6所示: 图6. 译码显示电路 3.4 校时控制电路 当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时;如果校时脉冲由单次脉冲产生则为慢校时。计时电路原来所接的进位信号切换为单脉冲或秒脉冲，各通过一个单刀双掷开关实现信号切换。单脉冲由一个带弹簧的开关模拟，把它接在与电源相连的线路中，当开关按下去时线路连通为高电平，弹起时线路断开为低电平，开关一次按下和弹起就是一个下降沿脉冲，可以使计时器计数加1，这样可以通过这个开关校时。进位信号切换接到计数器的计数脉冲上就可以实现快校时。电路图如图7 所示 : 8 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 图7. 校时控制电路 3.5 整点报时电路 整点报时电路如图8所示。它由一个发光二极管和一个扬声器组成，当输入为高点平时扬声器发出频。我想把报时功能设置成整点前十秒蜂鸣器开始鸣叫，十秒后停止鸣叫即为整点。注意到某点59分50秒后的十秒钟内，“5”“9”“5”对应的8421BCD码为0101 1001 0101，将3块芯片上对应的输出为“1”的输出端相与输出为高电平，在整点前十秒蜂鸣器会报时。在其它时间这六个输出端不可能同时为“1”，即它们相与的输出为低电平，不会报时。如此可以实现整点报时功能。 图8. 整点报时电路 9 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 3.6 清零控制电路 清零功能要求在“清零”后，“秒”数码管显示为0，但计时电路仍然工作。此功能是通过两个带弹簧的开关来实现的。通过两个开关分别接至74160N芯片的CLR端，当按下开关时CLR端将变为低电平，从而实现清零。但是此处需要考虑一个问题，即“秒”计时器十位端如果将开关直接接在CLR端是不可以的，因为CLR端平时为高电平，而当直接接上在按下开关时会导致短路。故此处应加入一个电阻以实现电压的拉升。从而实现“清零”的作用。 10 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 4. 总结及心得 通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念,而且在设计过程中可能用到我们没学过的知识，需要我们去查阅资料获取相关信息，这又提高了我们查找信息和学习新知识的能力。在实物的调试与检测过程中，又会遇到许多意想不到的问题，需要我们去分析原因和解决问题。有些现象能够证明我们所学知识的正确性，有些现象有说明理论和现实是有差异的，比如数字钟的调时问题。理论上弹簧开关模拟单脉冲是可行的，但实际的“机械抖动”会影响调时的准确性和稳定性，这也是我们通过动手实践积累的经验。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我们也学到很多实用的知识，在此表示感谢同时，对给过我帮助的所有同学和老师表示衷心的感谢 11 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 5. 附录 1) 元器件清单 QuantiDescription RefDes Package ty U10, U3, 6 74LS, 74LS248D U15, U18, IPC-7351DO16 U25, U28 U1, U4, U6, IPC-2221A/22226 74LS, 74LS160N U7, U8, U5 NO16 U12, U13, 6 74S, 74S00D U19, U14, IPC-7351DO14 U11, U20 U40, U55, IPC-2221A/22223 74LS, 74LS04N U39 NO14 UltiboardLED9R1 LED_red LED1 2_5V BUZZER, BUZZER 1 U43 GenericBUZZER 600 Hz IPC-2221A/22221 74LS, 74LS20N U37 NO14 2 SWITCH, SPDT J2, J3 GenericSPDT RPACK_VARIABLE_R1, R2, R4, 6 GenericDIP-14 2X7, 180 R3, R5, R6 表2. 元器件清单 12 华 北 科 技 学 院 课 程 设 计 2)多功能数字钟原理图