多功能电子时钟课程项目设计方案.doc

多功能电子时钟课程项目设计方案第一章：系统电路设计1.1 系统总设计思路数字电子计时器原理框图如图（1.1）所示，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1.1 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1Hz秒脉冲。（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。1.2 设计方案选择1.2.1 振荡部分方案一 晶体震振荡器电路采用石英晶体振荡器。使用振荡频率为32768Hz的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32768Hz的方波，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1Hz的脉冲信号。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RC组成的多谐振荡器。（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 。1.2.2 分频部分方案一 CD4060构成的分频电路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。CD4060在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CD4060还包含振荡电路所需的非门。方案二 74LS90构成的分频电路74LS90是异步二五十进制加法计数器，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CP2和Q0相连，计数脉冲由CP1输入，Q3、Q2、Q1、Q0作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。从而完成十分频。（比较）由于CD4060为2进制计数，要求精度比较高，在实际学习中对74LS90的了解比CD4060的了解要深，所以采用74LS90来做分频电路，所以选方案二。1.2.3 校时部分方案一 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1Hz脉冲信号与开关控制的信号取反再输到一个与非门，然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，1Hz脉冲信号将连续输入到校时电路，完成快校时。（比较）快校时电路由于脉冲源产生的1Hz脉冲信号比较稳定，实现方案相对简单，并且灵活易操作，选方案二。1.2.4译码驱动显示部分方案一 译码器74LS48与共阴数码管电路 共阴数码管的译码器应选用74LS48，译码后输出为高电平，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74LS47，译码后输出为低电平， 数码管公共端接正电源，将在数码管上显示出相应数字。（比较）由于译码器74LS47在市面比较容易买到及多方面的原因，所以选用74LS47，数码管用共阳数码管。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2.1振荡器电路2.1.1 用555作振荡器采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。输出的脉冲频率为1KHz，周期T1ms。取电阻为千欧级，电容0.01uF到0.1uF。若参数选择：R1=R2=10k欧姆，C1=47uF时，可以得到秒脉冲信号。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。2.1.2 芯片管脚图及功能表介绍（1）芯片管脚如图（2.1）图2.1 555定时器管脚图（2）芯片功能表输 出输 出阀值输入（v11）触发输入（v12）复位（RD）输出（VO）发电管T00导通2/3VCC2/3VCC1/3VCC10导通1/3VCC1不变不变表2.1 555定时器功能表2.1.3 振荡器单元电路图图2.2 555定时器构成的振荡器电路工作原理接通电源VCC后，Vcc经电阻R1和R2对电容C冲电，其电压uc按由0按指数规律上升。随着冲电达到饱和，电容C开始放电uc随之下降。由于电容C上的电压uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回冲电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。2.2分频器电路2.2.1 用74LS90作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74LS90可以完成以上功能。将3片74LS90级联，每片为1/10分频，三片级联正好获得1Hz的标准秒脉冲。2.2.2 芯片74LS90的管脚图及功能表介绍（1）芯片管脚如图（2.3）图2.3 74LS90管脚图（2）芯片功能介绍74LS90是异步二五十进制加法计数器，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，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：1)计数脉冲从CP1输入，Q0作为输出端，为二进制计数器。2)计数脉冲从CP2输入，Q3Q2Q1作为输出端，为异步五进制加法计数器。3)若将CP2和Q0相连，计数脉冲由CP1输入，Q3、Q2、Q1、Q0作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。4)若将CP1与Q3相连，计数脉冲由CP2输入，Q0、Q3、Q2、Q1作为输出端，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R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。（3）芯片功能表输 入输 出功 能清 0置 9时 钟QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 01 0 1QA 输 出二进制计数1 QDQCQB输出五进制计数 QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持表2.2 74LS90功能表2.2.3分频单元电路图图2.4 三片74LS90构成的分频电路图工作原理由振荡器产生的1kHz信号通过U1，U2，U3三次十分频后得到1Hz的秒脉冲。即由U1的CP1输入十个脉冲后，从U1的Q3输出一个脉冲，同样U2，U3也是，最后1kHz的信号就转变成了我们所需要的1Hz的秒信号。2.3校时电路2.3.1 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1Hz的校时脉冲计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲做校时脉冲，（图2.5）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。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74LS00和74LS04实现。开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1，C2可以缓解抖动。2.3.2 芯片功能及管脚介绍（1）74LS00管脚如图（2.5）图2.5 74LS00管脚图（2）芯片功能介绍74LS00为四二输入与非门，即。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）芯片逻辑功能表输 入输出ABY110101011001表2.3 74LS00功能表（4）74LS04管脚如图（2.6）图2.6 74LS04管脚图（5）芯片功能介绍 74LS04为六反相器，即Y=。当A=0时，Y=1；当A=1时，Y=0。（6）芯片逻辑功能表输 入输 出AY0110表2.4 74LS04功能表2.3.3 校时单元电路图图2.7 由74LS00和74LS04构成的校时电路工作原理 当“S1”“S2”由接通到断开或由断开到接通时可能会产生抖动，接电容“C1”“C2”后可缓解抖动。取C1=C2=0.01uF，分压电阻R等于3.3千欧。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b的输出为高电平，因此与非门c的输出完全由与非门a的输出决定；又与非门 a的输入只与进位脉冲有关，所以电路进行正常计时。2.4计数器电路2.4.1 秒、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74LS90组成的24进制计数电路，采用两片中规模集成电路74LS90串联接起来构成。当“时”个位U8计数输入端CKA来到第10个触发信号时，U8计数器复零，进位端Q3向U9“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”脉冲到达时，U8计数器的状态为0100，U9计数器的状态为0010，此时“时”个位计数器的Q2和“时”十位计数器的Q1输出为1。把它们通过一个与非门送到U8和U9计数器的清零端R01和R02通过74LS90内部的R01和R02清零，计数器复位，完成24进制计数。如图（2.8）（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74LS90和74LS92串联接起来构成的秒、分计数器。74LS90计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。Q3作为十进制的进位信号。74LS92计数器是十二（二六）进制异步计数器，用反馈归零方法实现六进制计数，Q2作为六进制的进位信号。74LS90和74LS92都是在一秒时钟或进位信号的下降沿翻转计数，所以当74LS90计到9且74LS92计到5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（2.9）2.4.2 芯片74LS92的管脚图及功能表介绍。（1） 芯片管脚如图（2.8）图2.8 74LS92的管脚图（2）芯片功能介绍74LS92是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，74LS92可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零。其具体功能详述如下：(a)计数脉冲从CP1输入，Q0作为输出端，为二进制计数器。(b)计数脉冲从CP2输入，Q3Q2Q1作为输出端，为异步六进制加法计数器。(c)若将CP2和Q0相连，计数脉冲由CP1输入，Q3、Q2、Q1、Q0作为输出端，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R0(1)、R0(2)均为“1”；时，实现异步清零功能，即Q3Q2Q1Q00000。(3) 芯片功能表输 入输 出功 能清 0时 钟Q3 Q2 Q1 Q0R0(1)、R0(2)CP1 CP211 0000清 000 1100置 120 0 1Q0 输 出二进制计数1 Q3Q2Q1输出六进制计数 QAQ3Q2Q1Q0输出8421BCD码十二进制计数 1 1不 变保 持表2.5 74LS92功能表2.4.3 芯片74LS08管脚图及功能介绍（1）芯片管脚如图（2.9）图2.9 74LS08管脚图（2）芯片功能介绍芯片74LS08为四二输入与门，即Y=AB。当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ABY111100010000表2.6 74LS08功能表2.4.4 计数单元电路图（1）24进制计数图2.10 两片74LS90构成的24进制电路工作原理U8和U9都接成十进制计数器，当U9计到0010同时U8计到0100时，即U9的Q1和U8的Q2同为1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2.11 由74LS90和74LS92组成的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U4.6表示，芯片92用U5.7表示。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Q3向前进位，芯片92用Q2向前一计时电路进位。2.5译码驱动显示电路 2.5.1 译码驱动显示电路的设计 六个74LS47集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。74LS47七段显示译码器输出低电平有效，将计数器 输出的8421BCD码译成七段（a、b、c、d、e、f、g）输出，用以直接驱动LED七段数码显示对应的十进制数。六个LED七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3V5V，点亮电流在510mA。六个LED七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。2.5.2 芯片74LS47和数码管的管脚图及功能表介绍 （1）芯片管脚如图（2.12）图2.12 74LS47管脚图（2） 芯片功能介绍 芯片通过A，B，C，D输入四位不同的8421BCD码，将其翻译成16种不同的符号输出到显示器。（3） 芯片功能表 十进制功能输入BI 输出D C B Aa bc de f g01231 0 0 01 00 10 0 1 00 0 1 1HHH H0 0 0 0 0 0 11 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 045670 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1HHHH1 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 0 01 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 1 18910111 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 1HHHH0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 01 1 1 0 0 1 01 1 0 0 1 1 0121314151 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1HHHH1 0 1 1 1 0 00 1 1 0 1 0 01 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1表2.7 74LS47译码输出功能表(4)数码管结构如图（2.13） 图2.13 数码管字型结构图2.5.3译码驱动显示单元电路图图2.14 74LS47与数码管连接图 工作原理 译码器74LS47通过四个输入端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3.1仿真平台3.1.1 Proteus简介Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，.）其实proteus与multisim比较类似，只不过它可以仿真MCU！当然，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LCD，LED，AD/DA，直流马达，SPI，IIC，键盘，.的小实验的话，是可以做的很成功的！用51不管是用汇编或是C编程当然要用keil，uvisoin3有不少新特性呢！使用keilc51v7.50+proteus6.7可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！ Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，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。 3.1.2 仿真测试1.启用Proteus，对于我们所需要测试的参数主要是分频电路的三块74LS90的输出脉冲频率及脉冲稳定性。2.从元器件库中调出各种系列的芯片、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3.13.4）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0.002S,0.02S,0.