多功能数字钟课程设计论文.doc

湖南人文科技学院课程设计 多功能数字钟摘要：多功能数字时钟是用数字电路完成对时间的显示。对时间显示精确到“时”、“分”、“秒”。显示直观并且稳定。以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，便于集成化而受广大消费的喜爱。设计以数字电子为主，分别对1S时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示、整点报时及校时电路进行设计，然后将它们组合，来完成时、分、秒的显示并且有整点报时和走时校准的功能。并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。电路主要使用计数器，74ls00、74ls248、74ls160、555定时器、电阻、电容等，材料经济方便，贴近生活。关键词：数字电路；时间显示；价格低廉；校时电路；计数器目 录第1章 绪论51.1多功能数字时钟的意义51.2多功能数字时钟的目的51.3 多功能数字时钟的内容61.4 方案论证与对比61.4.1 方案一61.4.2 方案二71.4.3 方案对比与选择7第2章 多功能数字钟设计与制作82.1 多功能数字时钟的设计功能82.2多功能数字时钟的结构和方案8第3章 硬件选择与各部分的功能103.1振荡器电路部分103.2分频器部分103.3计数器部分103.4 译码显示电路部分113.5校时电路部分12第4章 数字钟时钟设计及其功能144.1 振荡电路与分频器电路部分144.2 计数器部分144.2.1 60进制计数器154.2.2 二十四进制计数器154.3 译码显示电路部分154.4 校时电路部分16结束语18致谢19参考文献:20附录21附录A 原理图21附录B pcb图22第1章 绪论1.1多功能数字时钟的意义 随着社会的发展，科学技术不断快速的发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力的推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。全球化与数字化已经成为社会发展的趋势。尤其是在生活用品方面，随着电子产品的发展，人们对数字时钟的要求越来越高，传统时钟已经不能满足人们的要求，于是，时钟数字化成为了历史的必然。数字钟是一种利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，维护方便，便于与其它电子产品合成。充分显示了其强大的适用性，以及适应了社会发展的需求。因此得到了广泛使用。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，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。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。数字电子钟是采用数字电路对时、分、秒数字显示的计时装置，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不可缺少的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的方便，而且大大的扩展了钟表原来的报时功能，因此研究数字钟及扩大其应用，有着日常现实的意义。1.2多功能数字时钟的目的目的是制作数字钟具有显示时、分、秒的功能；1.3 多功能数字时钟的内容各芯片的逻辑功能及使用方法；数字钟的设计方法和和计数器相互关联方法；数字系统的设计和数字系统功能的测试方法；数字系统的制作和布线方法1.4 方案论证与对比 1.4.1 方案一数字钟的组成框图如图1.4.1所示分别由显示电路，译码电路，计数器，校时电路，和脉冲产生的分频器及振荡器。图1.1 方案一方框图 1.4.2 方案二图1.2 方案二方框图 根据设计要求，我们把本设计分为两个部分，第一个为计时部分，即时间的产生和显示，第二个为调整部分，即通过第二部分来实现时间的调整。根据系统功能我们选择51单片机来作为控制处理核心，用数码显示管来显示。总体设计思路如图1.42： 经过论证，采用STC8952单片机和六个共阳极数码管来实现单片机电子时钟功能。 1.4.3 方案对比与选择 由于方案一与我们的教学中的数字电路课程有着密切的关系，有利于我们巩固提高，所以我组选方案一。第2章 多功能数字钟设计与制作2.1 多功能数字时钟的设计功能数字钟电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，振荡电路和单次脉冲产生电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”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“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个时脉冲信号，该信号将被送到时计数器。时计数器采用24进制计时器，可实现对一天24小时的计时。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过显示驱动电路，七段显示译码器译码，在经过六位LED七段显示器显示出来。校准电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。2.2多功能数字时钟的结构和方案 数字钟电路结构原理图如图2.1所示，电路信号先从振荡器电路送出，经分频器电路对振荡器的输出信号进行分频，得到1Hz的秒信号输入。秒脉冲信号经过级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60秒为1分、60分为1小时、24小译码器译码器时十位计数分频器电路分频器电路振荡器电路译码器译码器译码器译码器时个位计数分十位计数分十位计数秒十位计数秒十位计数校时电路校分电路图2.1 系统结构原理图时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）、一个二十四进制（时）的计数器。又经译码器将计数器的状态进行译码并将其显示出来。校时电路校准时间减小时间的误差。第3章 硬件选择与各部分的功能3.1振荡器电路部分振荡器是数字钟的核心,其的作用是产生一个频率标准时间频率信号,然后再由分频器分秒脉冲,因此,振荡器频率的精度与稳定度基本决定了数字电子钟的质量。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。用555定时器构成多谐振荡器作为秒脉发生器，因为设计电路时可以外加个滑动电阻调节得到1Hz的秒信号输入。555定时器引脚如图3.1。图3.1 555定时器图3.2分频器部分分频器电路将高频方波信号经分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。这里分频器电路与振荡器电路合并为一个电路，用若干个电阻与电容与555定时器组合。3.3计数器部分 时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分。时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，用2个十进位计数器的集成片组成,其中”秒”个位是十进制,秒十位为六进制。可采用反馈归零变”秒”十位为六进制,实现秒的六十进制。”分”计数器原理也一样。 这里选用74ls160，如图图3.2. 图3.2 74ls160引脚图3.4 译码显示电路部分 译码器的逻辑功能与编码器相反，它是将具有特定含义的不同二进制代码辨别出来，并转换成对应的输出高电平、低电平信号。常用的译码器电路有通用译码器和数字显示译码器两类。这里用LED数码显示器05611，在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方 面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动 器和显示器等部分组成。数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。 、七段字符显示器是目前广泛使用的一种数码显示器件，常称为七段数码管。这种数字显示器由七段可发光的“线段”拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。用发光二极管（LED）组成的七段字形显示器件叫做半导体数码管。 a a f f b b g g e e c c d d (a)共阳极7段数码管结构 (b)共阴极7段数码管结构 图3.3 半导体数码管显示原理磷砷化钾制成的发光二极管，其光波波长与所渗磷和钾的比例有关，含磷的比例越高，波长越短，且发光效率越低。目前我国生产的磷砷化钾发光二极管BS201、BS202等，其波长约为650nm左右，呈桔黄色。半导体数码管结构如图3.3所示。图(a)是共阳极7段数码管的原理图；图(b)是共阴极7段发光数码管的原理图。半导体数码管的每段发光二极管，既可以用半导体三极管驱动，也可以直接用TTL门电路驱动。3.5校时电路部分实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，加之电路中其它原因，数字钟总会产生走时误差的现象。因此，电路中就应该有校准时间功能的电路。校准的方法很多，现在以“分计时器”的校时电路为例，简要说明它的校时原理，见图3.4，与非门1，2构成的双稳态触发器，可以将1Hz的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的CP端”。两个信号中究竟选哪个送入由开关K控制，它的工作过程是这样的：当开关K置“B”端时，与非门1输出低电平，门2输出高电平。“秒计数器进位信号”通过门4和门5送至“分计数器的CP端”，使“分计数器”正常工作；需要校正“分计时器”时，将开关K置“A”端，与非门1输出高电平，门2输出低电平，门4封锁“秒计数器进位信号”，而门3将1Hz的CP信号通过门3和门5送至“分计时器”的CP控制端，使“分计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，直至正确的时间，再将开关置于“B”端，以达到校准时间的目的。图3.4校时电路第4章 数字钟时钟设计及其功能 数字钟电路主要由译码显示器、校准电路、报时电路、时计数、分计数、秒计数器，振荡电路和单次脉冲产生电路8部分组成。4.1 振荡电路与分频器电路部分用555定时器构成多谐振荡器作为秒脉发生器，调节RP可以调节脉冲的频率，使输出为1hz。如图4.1。图4.1秒脉发生器电路图4.2 计数器部分 秒脉冲信号经过级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）、一个二十四进制（时）的计数器。将这些计数器适当地连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时的功能进制计数器。4.2.1 60进制计数器 这里用74ls160设计电路使得计数器60进制，设计方法如图4.2。图4.2 60进制计数器4.2.2 二十四进制计数器设计如图4.3。图4.3 24进制计数器4.3 译码显示电路部分显示器件选用LED七段数码管。在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。当数字钟的计数器在CP脉冲韵作用下，按60秒为1分、60分为1小时，24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。我们选用的计数器全部是二-十进制集成片，“秒”、“分”、“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。现以60进制“秒”计时电路为例，将计数器、译码显示器和显示数码管连在一起，其电路示意图见图4.4。图4.4译码显示图4.4 校时电路部分 校准时间功能，减小误差。用6个74ls04与电阻等组成校时电路。如图4.5。图4.5校时电路表4.1 元件清单元器件型号 参数数量备注芯片74ls009芯片NE555D1芯片74ls248 6芯片74ls1606芯片056116电容1034电阻1K2电阻0.025k2滑动电阻1点触开关2结束语 这次的课程设计中我遇到了很多问题比如： 设计软件是英文版的很难上手； 设计中本来要用的的元件学校没有，这不得不去想用已有的元件去设计出与原来的元件相同功能的部分。比如：秒的计数器本来用60进制就可以了的可学校没有，于是，就用十进制设计电路代替了。 在钻孔时，一定要钻得适中，不然后来的焊接，会产生虚焊。影响电路正常运转。后来就发现几个。 焊接时，一定要细心，由于本次的电路很多元器件，所以，铜板布局很紧凑，有一次，一不小心把俩个引脚焊在一起了。 后来好不容易才去掉。重焊！在原理图pcb时，pcb模版一定要大些，线0.7，这样步线成功率高些。在这次的课程设计中，我们对一些软硬件有了更多的了解。增强了我们的团队意识，对团队的力量是强大的更为信服了。 还有这对理论课学习起到了重要的指导辅助作用。例如，我们学过数字电路，里面也有各种芯片，和数码管、译码器。在这次设计中都遇到了。深刻了解到：能够正确的运用知识远远比知识本身更有意义。在老师的大力支持下，她提出了许多的意见和建议，在此表示衷心的感谢。致谢在课程设计期间，一直得到曹锋老师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，曹老师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向老师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，班级同学也给予了很大的帮