计时器的发展与应用.doc

1. 引言人类对计时器的应用已有几千年的历史了，从远古的日晷和漏壶到现在的时钟和秒表，计时器从重量、功能、外观、应用范围发生了巨大的变化。本文设计了一种多功能计时器，该计时器的整个系统由五部分功能电路组成,为:脉冲发生电路,计时电路,校分电路,清零电路和报时电路。本设计报告对每部分电路的原理图,功能描述,工作原理及所用的器件都作了详细叙述。该系统可以完成的功能为:00秒到9分59秒的计时功能;能分别在9分53秒,9分55秒和9分57秒发三声低音,并且在9分59秒发一声高音;能完成快速校分功能;还有开机清零,并在任何时候按动清零开关使系统清零功能。2. 计时器的发展史2.1 中国计时器的发展中国是世界上最早发明计时仪器的国家。远古时代的日晷和漏壶是我们祖先创造的最简单的计时器，利用太阳的影子和滴水或流沙的恒定交流量计算时刻。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一擒纵器用于计时器。宋朝（公元1092年）苏颂和韩公廉等创制了著名的水运仪象台，它把浑仪、浑象和机械性计时器都组合在一起，成为世界上第一座以水为动力，装有擒纵装置的自呜机械天文钟，但最有价值的还是苏颂为水运仪象台撰写了详细设计说明编成新仪象法要一书，记载了水运仪象台的全部结构，并绘制了60多辐150多种零部件的附图，这是世界上第一部图文并茂的天文计时器专著。 明末清初，欧洲的钟表开始进入宫廷，并逐渐占据中国市场，带动了我国钟表制造业的发展。 解放后，人民生活水平不断提高，国家根据需要，在制钟工业原有基础上，先后建立了很多钟表工业基地，使钟表生产迅速发展。在轻工业部的领导下，设计出了全国摆钟、闹钟、手表、电子钟、石英钟的“统一机芯”为满足市场需要，钟表产品不断创新，花色品种日新月异，使中国成为世界钟表生产大国，为国民经济发展做出了重大贡献。2.2 西方计时器的发展西方的计时器也是经过水钟和机械钟两个阶段。但一直到十三世纪还没有脱离水钟的阶段。到十四世纪（约1370年）在法国著名的亨利德维克创制的钟上才采用了比较完备的齿轮系，并用重锤代替水力，经过约两个世纪的漫长时间，才造出了比较现代的机械时钟。1583年，著名的意大利物理学家伽利略在实验中发现了“摆”的等时性，1656年，荷兰数学家、物理学家和天文学家惠更斯继续伽利略的理论研究，建立了数学摆的力学原理，创造了“摆钟”理论，开创了精密计时学的新纪元。1658年，以“摆”做为钟表调速器的惠更斯摆钟问世，从此，摆钟就成为座钟的一个主要形式，目前广泛使用的就是这种摆钟。盘簧（发条）的发明给时钟的小型化创造了条件，而摆的发明进一步提高了时钟走时的准确性，使摆钟长期以来被作为最好的时间标准。1675年，惠更斯又采用摆轮游丝系统造出了一种便于携带的钟表。也就是现代闹钟的前身。随着自由锚式擒纵器的发明和怀表的微型化，十八世纪末由瑞士钟表匠制成了世界上第一块手表。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。并取代机械钟作了更精确的时间标准。3. 计时器的组成跟据计时器的功能特点，具体实现时可划分为6个子模块：键输入模块，时钟分频模块，控制模块，秒表计时模块，计时存储模块和显示模块。各模块的功能独立，可扩充性强，具有再次开发的潜力。3.1 键输入模块计时器的输入控制为按键方式，由于手动按键，会产生开关簧片反弹引起的电平抖动现象，为保证系统能捕捉到输出脉冲，在每一个开关后面安排一个消抖和同步电路，以并保证每按一键，只形成一个宽度为系统时钟周期的脉冲。3.2 时钟分频模块时钟分频模块的功能是将频率为1000Hz的外部时钟信号clk进行分频，从而产生用来消除抖动的25Hz的时钟信号clk1和用于计时器内部定时计数的100Hz的时钟信号clk0。由于计时器系统使用的时钟信号clk1和时钟信号clk0的有效脉冲宽度均为1ms，则需对分频产生的信号进行处理3.3 控制模块控制模块的功能是用来控制计时模块的工作。3.4 秒表计时模块秒表计时模块用来实现秒表内部定时计数功能。3.5 时间存储模块 时间存储模块的作用是对计时数据进行存储。当存储键未按下时，系统将计时模块产生的计时值送入存储模块进行锁存同时送给显示模块进行显示；当存储键按下时，存储模块则不锁存计时值，而保留按键时刻的时间并送给显示模块，实现中途计时的功能。当存储按键复位时，存储模块再一次重复前面的过程，实现对下一中途时刻进行计时。3.6 显示译码模块显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。模块由四个部分构成：八进制计数器count8、计时位选择电路、七段显示译码电路和显示位选择译码电路。 对于计时位选择电路，由于其输出端口的计时数据q的位数既有2位的、3位的还有4位的，而七段显示译码电路的输入端口接收四位宽度数据，因此在计时位选择电路中还需将计时数据转化为4位宽度的数据。4. 设计电路功能总体要求4.1 设计电路功能的步骤1设计一个脉冲发生电路为计时器提供秒脉冲为报时电路提供驱动蜂鸣器的脉冲信号。2设计计时电路完成0分00秒9分59秒的计时功能。3设计报时电路使数字计时器从9分53秒开始报时，每隔一秒发一声，共发三声低音，一声高音：即9分53秒、9分55秒、9分57秒发低音（频率1KH），9分59秒发高音（频率2KH）。4设计校分电路在任何时候，拨动校分开关，可进行快速校分。5设计清零电路开机自动清零 在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零。4.2 系统调试将以上电路进行级联，完成计时器的所有功能。4.3 增加数字计时器功能 如数字计时器定时功能、电路起停功能、电路采用采用态显示等 。5. 电路设计原理框图与逻辑原理图译 译码显示译码显示译码显示分计数秒十位计数数秒个位计数校分电路秒信号源分频器清零电路报时电路图4-1 电路设计原理框图图4-2 逻辑原理图6. 各单元电路原理及逻辑分析与设计6.1 秒脉冲发生电路功能描述：为整个系统提供脉冲信号。工作原理：由于晶体振荡器的突出优点是有极高的频率稳定度，多用于要求高精度时基的数字系统中，所以脉冲电路由32768Hz晶体片构成的振荡器产生信号，经过14位二进制串行计数分频器CC4060分频，由管脚3产生2Hz信号分别给校分电路，计时电路和起停电路（给计时电路的信号是经过双上升沿D型触发器74LS74进行二分频后产生的1Hz信号）所用器件：32768Hz晶体管、22M电阻、20PF电容、10PF电容、CC4060、74LS74电路原理图：图5-1秒脉冲发生电路电路原理图6.1.1 计时电路功能描述：实现计时、译码、显示及秒个位到秒十位的进位功能。工作原理：该电路分为秒个位、秒十位和分位。秒个位和分位用双BCD同步加计数器CC4518计数；秒十位用四位二进制同步计数器74LS161计数。秒个位、秒十位和分位都用BCD七段译码器4511译码，用LED数码显示管显示。CD4518的管脚10接收1Hz秒脉冲信号,CC4518开始计数，输出BCD码信号到CC4511，译码后接到LED数码显示管显示09。当CC4518计数计到9(1001)时转为0(0000)，CC4518的管脚14由“1”转为“0”，形成下降边沿，经六反相器CC4069后变为上升边沿输入74LS161的管脚2，74LS161开始计数，实现了秒个位到秒十位进位的功能。当74LS161计数计到5(0101)时，74LS161的管脚12、14同时为“1”，经过与非门74LS00后输出“0”，接到74LS161的管脚9,则74LS161置数，将其管脚3、4、5、6接地，则管脚11、12、13、14输出“0”，74LS161从0开始重新计数。将74LS161四输出端11、12、13、14接到译码器CC4511译码后通过LED数码显示管显示05。秒十位到分位的进位由校分电路实现（见校分电路）。分位的译码、显示的实现同秒位。所用器件：CC4518、74LS161、74LS00、CC4511、CC4069、300电阻、LED数码显示管电路原理图：图5-2 LED数码显示管电路原理图6.1.2 设计报时电路功能描述：实现报时功能。在9分53秒、9分55秒、9分57秒发三声低音，在9分59秒发一声高音。工作原理：当秒十位为“5”，分位为“9”时，74LS161的12、14端和CC4518的3、6端都为“1”，所以此时最左边的74LS21输出“1”。74LS32的两个输入端分别接1Q2和1Q3，当秒个位为28时，1Q2和1Q3至少有一端为“1”，故此时74LS32输出“1”。图中上面一个74LS21的四个输入端分别接秒个位计数器CC4518的11、14端（即1Q4和1Q1）、2Hz信号和左边74LS21的输出端，当秒个位为“9”时1Q1和1Q4为“1”,即仅当整个系统计数至9分59秒时，高频信号2KHz接入蜂鸣器，使其发一声高音。图中下面一个74LS21的四个输入端分别接1KHz信号，左边一个74LS21的输出端，74LS32的输出端和秒个位计数器CC4518的1Q1端，即仅当整个系统计数至9分53秒、9分55秒、9分57秒时，低频信号1KHz接入蜂鸣器，使其发出三声低音。所用器件：74LS21、74LS32、蜂鸣器电路原理图： 图5-3 报时电路电路原理图6.1.3 设计清零电路功能描述：该电路具有开机清零和控制清零功能。工作原理：刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端为低电平，经过第一个4069输出高电平，接到CC4518的管脚7和15，实现秒个位和分位的清零。经过第二个4069输出低电平，接到74LS161的管脚1，实现秒十位的清零。 按下开关后，电容被短路，第一个4069的输入端为低电平，两个4069的输出端分别为高电平和低电平，原理同上，实现控制清零功能（用的是异步清零）。所用器件：CC4069、10K电阻、22F电容、开关电路原理图：图5-4 清零电路原理图6.2 设计校分电路功能描述：实现快速校分及秒个位到分位的进位功能。工作原理：开关打开时，与非门2的输入为“1”和74LS161的QC端，输出为QC的非。与非门1的输入为“0”和2Hz，输出为“1”，则与非门3的输出为QC，当秒十位由“5”变为“0”时，QC由“1”变为“0”，即给CC4518提供了一个下降沿触发信号，使其工作，从而实现了秒十位到分位的进位功能。开关闭合时，电容短路，与非门2的输入为“0”和74LS161的QC端，输出为“1”。与非门1的输入为“1”和2Hz。则与非门3的输出为2Hz,2Hz信号被送到分位，从而实现快速校分功能。所用器件：74LS00、CC4069、10K电阻、22F电容、开关电路原理图：图5-5 校分电路原理图7. 电路安装与调试功能由于准备充分，电路图设计较为合理，所以在实验过程中比较顺利。计时器、脉冲发生电路、清零电路都是一次连成功的。但是当我连好校分电路和报时电路时，问题出现了。校分电路：按照自己设计的电路图第一次连好后，没有正常的现象，以为是做实验过程中有疏忽插错线，便又连了一次，仍然不对。最后只能再回到自己的设计图上，仔细检查，分析原理，发现是自己把原理搞错了。由于当74LS161的输出由1001变为0000时4518加一，因此我用的是4518的下降沿触发有效。经检查发现74LS161的QA和QC经过与非门送到4518的输入端，所以在161由1001变为0000时，4518的输入端是由低电平变为高电平，所以应该用上升沿有效。发现问题，立即改正，校分电路很快就可以正常工作了。报时电路：报时电路的问题完全是自己的粗心导致 的。当分位为9的时候才有可能报时，而我却由于粗心，将1001错连成了1010。我所设计的电路，分位最大为9，是不会到达10的，所以我的电路在问题没检查出来之前就没响过。开始以为是喇叭出问题了，但换了器件依然毫无起色。无奈之下只有耐心检查，这才发现是这一孔之错让我浪费了好长时间。当分位改成9后，电路立即一切正常了。结论通过本次实验，使我觉得我学的不仅仅是理论上的知识，不是纸上谈兵，而是可以学以致用的，这提高了我们对课程的兴趣。我们根据实验要求设计电路，理解电路，自己通过查找资料，了解各种元器件的功能。让我们学会主动去利用资源，不在是被动的学习。实验中我们一共用了十三个芯片，引脚颇多，导线更是使我们眼花缭乱。实验开始时老师就提醒我们，不同电路用不同颜色的导线连接，尽量使用短线，使导线可以贴着面包板。我听取了老师的提醒，因此，尽管器件繁多，但我的电路板看起来干净、整齐，并没有多少导线。这一做法最大的好处就是利于我们在电路板上工作，有利于发现错误，改正错误，不至于轻易碰到其他的线。如果不是我的导线走的整齐，那么我的报时电路的错误估计是发现不了的。所以我们不用怕麻烦，我们的细心会为我们节省更多的时间。这次实验让我感触最大的是不管做什么都要有耐心，不能着急。无论难易程度如何，我们都应该小心谨慎。在实验中，让我们自己发现问题，解决问题。这培养了我们在短时间内综合自己所学的知识，处理问题的能立。我的校分电路在实验中发现是错误的，通过自己的思考独立解决了这一问题，提高了我们的自信心。致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导，在我撰写论文的过程中，陈老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题，构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陈老师的悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示深深的谢意。在论文的协作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意，感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后向在百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢。参考文献1 刘勇，陈松，孙亚维，数字电路 编著 ，电子工业出版社，2003 年2 程震光，恽雪如 数字电路实验与应用，北京理工大学出版社，2002年3 张志平，孙科学，卜新华，电子设计自动化，北京邮电大学出版社，2007年4 王建新，姜萍编著，电子线路实践教程，北京科学出版社，2003年5 王俊峰，安家文，吕宽州等编著，电工与电子技术实验教程，2006年6 马鑫金编著，电工仪表与电路实验技术，南京理工大学，2006年 7 朱定华，饶志强， 编著，现代数字电路与逻辑设计，北方交通大学出版社，2007年附 录附录A 器材清单 名 称型 号数