数字电子钟设计

数字电子钟设计 电子信息工程技术 大专 陈晓敏 摘 要 本文利用数字电路知识设计数字钟 该数字钟可实现 24 小时计时 整点 报时 校时功能 整个设计采用模块化结构设计 系统分为 4 个模块 即计数 模块 较时模块 报时模块以及显示模块 利用 555 芯片构成振荡电路产生脉 冲信号经分频器分频获得时基脉冲和报时脉冲 再经计数器和译码器构成系统 的主体电路 在主体电路的基础上增加相应逻辑结构构成报时电路和校时电路 关键字 脉冲 计数器 分频器 报时 校时 第一章 电路设计原理与实验电路 数字电子钟由 555 组成的多谐振荡器 分频器 计数器 译码器显示器和校时 电路组成 振荡器产生稳定的高频脉冲信号 作为数字钟的时间基准 然后经过 分频器输出标准秒脉冲 秒计数器满 60 后向分计数器进位 分计数器满 60 后向 小时计数器进位 小时计数器按照 24 翻 1 规律计数 计数器的输出分别经译 码器送显示器显示 计时出现误差时 可以用校时电路校时 校分 校秒 一 设计任务及要求 1 设计一个有 时 分 秒 23 小时 59 分 59 秒 显示且有校 时功能的电子钟 2 用中小规模集成电路组成电子钟 自行组装 调试 3 画出框图和逻辑电路图 4 功能扩展 1 整点报时 在 59 分 51 秒 53 秒 55 秒 57 秒输出 750Hz 音频信号 在 59 分 59 秒时 输出 1000Hz 信号 音响持续 1 秒 在 1000Hz 音像结束时刻为 整点 2 在计时出现误差时能通过校时电路进行校正 二 计时器的特点及其应用 本数字钟能清晰地显示时 分 秒之间的相互变化 并具有整点报时和手动较 时的功能 主要用于一般的生活计时 计时精度高 整个系统集成化程度高 电路结构相对简单 模块化明显 是提高课堂学习效果的一个很好实例 数字 钟的制作能将所学的数字电子技术很好地应用于实际制作当中 具有很高教学 意义 三 设计方案 如图 1 所示 数字钟电路电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成 其中 主体电路完成数字钟的基本功能 扩展电路完成数字钟的扩展功能 该系统的 工作原理是 振荡器产生的稳定高频脉冲信号 作为数字钟的时间基准 再经 分频器输出标准秒脉冲 秒计数器计满 60 后向分计数器进位 分计数计满 60 后向小时计数器进位 小时计数器按照 24 翻 1 规律计数 计数器输出经译 码器送显示器 计时出现误差时可以用校时电路进行较时 校分 校秒 扩展 电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展 数字钟的逻辑框图如图 1 2 所示 它由 振荡器 分频器计数器 译码器 显示器和校时电路组成 图 1 为数字钟逻辑框图 四 单元模块的设计 主体电路由功能部件或单元电路组成 设计中采用了模块化的思想 使整个课 题的设计在具体的设计过程当中任务明确 思路清晰 具体的模块设计如下 1 振荡器的设计 振荡器是数字钟的核心 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 考虑到设计成本 在满足设计要求的前提下 本设计采用了集 成定时器 与 组成多谐振荡器 改变电容 C2 可获得超长时间 的低 频脉冲 调节电位器 RV1 可得到任意频率的脉冲 主要用于调试阶段 振荡频率 f0 1KHz 电路参数如图 1 2 所示 图 1 2 555 振荡器电路 2 分频器的设计 分频器的功能主要有两个 一是产生标准秒脉冲信号 二是提供功能扩展电路 所需要的信号 正点报时用的是 1KHZ 的高音频信号和 500HZ 的低音频信号 选 用 3 片中规模集成电路计数器 74LS90 来完成上述功能 每片为 1 10 分频 3 片级联则可以获得所需要的频率信号 即第一片的 Q0 端输出频率为 100HZ 第 二片的 Q3 端输出 10HZ 第三片的 Q3 端输出为 1HZ 3 时分秒计数器的设计 分和秒计数器都是模数 M 60 的计数器 其计数规律为 00 01 58 59 00 选 74LS92 作十位计数器 74LS90 作个位计数器 再将它们级联组成模 数 M 60 的计数器 时计数器是一个 24 翻 1 的特殊进制计数器 即当数字钟 运行到 24 时 59 分 59 秒 秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时 数字钟应自动 显示为 01 时 00 分 00 秒 实现日常生活中的计时规律 4 译码电路的设计译码电路由 74LS48 和八段数码显示器组 74LS90 产生的时 间脉冲信号经由 74LS48 译码后翻译二进制代码 输入给八段数码显示器显示相 应的时间 本系统中采用共阴极八段数码显示器作为时间的显示 5 较时电路的设计 当数字钟接通电源或者计时出现误差时 需要校正时间 对校时电路的要求是 在小时校正时不影响分和秒的正常计数 在分校正时不影响秒和小时的正常计 数 通过开关控制 使计数器对 1HZ 的校时脉冲计数 如图 1 4 所示为校 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 它们的控制功能如表 1 1 所示 校时脉冲采用分频器输出的 1HZ 脉冲 同时为了缓解开关 S1 或 S2 为 0 或 1 时产生的抖动 需在开关处各并 接一电容 当数字钟接通电源或者计时出现误差时 需要校正时间 对校时电 路的要求是 在小时校正时不影响分和秒的正常计数 在分校正时不影响秒和 小时的正常计数 通过开关控制 使计数器对 1HZ 的校时脉冲计数 6 报时电路的设计 每当数字钟计时快要到正点时发出声响 按照 4 低音 1 高音的频率发出间断 声响 前 4 低音声响频率为 500HZ 后 1 高音声响频率为 1000HZ 并以最后一 声高音结束的时刻为正点时刻 本设计中 报时电路采用 TTL 与非门 报时电 路如图 1 5 所示 4 声低音分别发生在 59 分 51 秒 53 秒 55 秒及 57 秒 最 后一声高音发生在 59 分 59 秒 声响均持续 1 秒 如表 1 2 所示 由表可得式 1 1 只有当分十位的 Q2M2Q0M2 11 分个位的 Q3M1Q0M1 11 秒个位的 Q2S2Q0S 11 及秒个位的 Q0S1 1 时 音响电路才能工作 第二章 电路板的制作及电路焊接与调试 一 电路板的制作 利用 protel 软件将已仿真成功后的数字钟逻辑框图绘制成原理图和 PCB 图 制作过程如下 1 原理图的绘制 2 ERC 检查 3 生成网络表 4 导入 PCB 5 转印 PCB 图 6 腐蚀铜板 7 钻孔 原理图和 PCB 图见附录所示 注意事项 制作 PCB 图时 元器件的封装必须与元器件的实际封装相一致 否 则将给后面元器件的安装造成很大的麻烦 甚至会使整个电路板报废 转印 PCB 图时 两面的导线过孔一定要对整齐 腐蚀铜板时要注意不断搅拌溶液 以免断线 二 电路安装 电路的安装分三步进行 元件测试 元件焊接 系统检查 1 元件测试 全部元件在安装前都要进行检查 检查内容及要求如表 2 1 所示 元器件名称 测试内容及要求 二极管 正向电阻 极性标志是否正确 三极管 判断极性及类型 电解电容 是否漏电 极性是否正确 电阻 阻值是否合格 电位 阻值是否线性变化且在要求范围内 数码显示管 判断各引脚的对应的显示字段 芯片 测量各引脚是否有短路现象 开关 通断是否可靠 插头及软线 接线是否可靠 表 2 1 元器件测试 2 元件的焊接 在焊接元器件前应先将过孔导线连接好 焊接过程按不同的元件分类进行焊接 先将小元件或易于焊接的元器件焊接到铜板上 再进行芯片的或难焊接的元件 的焊接 为确保焊接质量高 焊接过程应注意以下事项 1 焊点应该接触良好 保证被焊件间能稳定可靠地通过一定的电流 2 避免虚焊的发生 3 焊点要有足够的机械强度 4 焊点表面应美观 不应出现棱角或拉尖现象 5 焊接时间的选择 在焊接温度确定之后 应根据润湿状态来决定焊接时 间的长短 时间太短 锡焊不足以润湿 时间太长 有损伤元器件和印制板的 危险 通常焊接在 1 5 4s 之间 且对同一个焊点应断续焊接 而不能连续焊接 一般焊接分五步法进行焊接 1 准备 将被焊件固定在适当的位置 将焊料 电烙铁等准备好放入方便使 用的地方 进入可焊状态 2 用烙铁头加热被焊件 3 送入焊料 被焊件经过加热达到一定温度后 立即将左手握着的焊料送 入到被焊件和烙铁头的连接点上熔化适量的焊料 4 移开焊料 当焊料溶化一定量之后 迅速移开焊料 5 移开电烙铁 当焊接流动扩散覆盖整个焊点后 迅速移开电烙铁 移开烙 铁的方向以 45o 角度的方向移开 注意 完成第五个步骤后 焊料尚未凝固以前 不能改变被焊件的位置 因为焊料 未凝固前 如果被焊件的相对位置发生改变 可能出现虚焊 三 电路的调试 接通电源查看数码管显示状况 看是否出现错误 若出现错误 则需对系统进 行调试 调试步骤如下 1 接通电源逐级调试 先检查各芯片的电源线是否接上 并保证有正常的 工作电压 2 用万用表在 U23 74LS90 的第 11 脚处测量输出电压 如果指针左右摆 动 且周期为 1 秒 则正常 3 检查各级计数器的工作情况 将 秒 信号直接接入计数器的 CPA 端 检 查 秒 计数器和 秒 译码驱动器和显示器的工作是否正常 计数器是否为 六十进制 是否能正常进位 若不能正常显示 则需查 74LS90 计数器和 74LS48 译码驱动器和数码管 若不 能正常六十进制 则需检查产生清零信号 的 74LS92 芯片工作是否正常 4 观察校时电路的功能是否满足校时要求 如果不正常 则需检查 74LS92 及 74LS00 芯片 5 将时间调整到 59min50s 观察报时电路能否准确报时 如果不正常 则需 检查相应的 74LS90 芯片 6 整机联调 使数字电子时钟正常工作 四 数字钟元件清单 元件名称 规格 数量 74LS48 七段译码器 6 片 74LS90 计数器 5 片 74LS92 计数器 2 片 74LS191 计数器 1 片 74LS20 四输入与非门 1 片 74LS04 非门 4 片 74LS00 二输入与非门 4 片 555 触发器 1 片 三极管 NPN 1 个 蜂鸣器 1 个 电位器 10K 1 个 开关 接触开关 2 个 电阻 3 3K 3 个 2K 1 个 5 1K 1 个 1K 1 个