武汉理工数字电子技术课程设计

1、武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 多功能数字电子钟的设计与实现 初始条件：1.555定时器构成的多谐振荡器 2.集成芯片74LS90 3.集成芯片74LS48 4.共阴极七段数码管要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）一、设计任务设计一个秒、分为六十进制，时为二十四进制计数功能并能通过数码显示器显示的正常工作的多功能数字钟。二、设计要求 1.准确计时，六个数码显示器分别以数字形式显示时、分、秒的时间； 2.小时的计时要求为二十四进制进位，分和秒的计时要求为六十进制进位；

2、3.在数字钟运行的情况下，能修改时、分的数值，且不影响数字钟正常的计数功能； 4.画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告； 4.用555定时器设计一个频率为1Hz的多谐振荡器，其输出脉冲作为秒计时电路的输入脉冲。三、发挥部分1.用计数电路和译码显示电路显示年、月、日数值或其它时间信息（如农历月、日等）；2.具有记事本或备忘录的功能，即可以设置任意时刻的报时功能；3.具有报时功能，即时间显示接近整点时，有喇叭鸣叫（或产生其他提示信号）功能。4.仿广播台正点报时；5.触摸报整点时数。四、课程设计报告书1.注意内容的完整和格式的规范；2.完成课程设计报告书。时间安排：指导教师签名： 年 月 日

3、系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1、 多功能数字电子钟的设计61.1数字电子钟的基本原理61.2数字电子钟的系统组成62、 数字电子钟设计方案的选择及论证72.1设计方案的选择72.2设计方案的论证10三、数字电子钟单元电路设计及总体电路组成113.1单元电路的设计113.2总体电路的设计与组成21四、仿真及实物图224.1数字电子正常的走时仿真图224.2数字电子钟校时仿真图234.3数字电子钟整点报时仿真图234.4实物图24五、设计总结25六、参考文献25七、元件清单26 摘要 数字电子钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路。多功能数字电子钟基本

4、部分包括脉冲产生电路，计数电路，译码电路，数码管显示电路，校时电路，报时电路。在此基础上，我提出了一个方案。具体实现为：用555定时器制作一个多谐振荡器产生标准的1秒的标准的秒信号，60秒为一分；同样设计，60分为一小时，并以24小时为一计时周期；各自引到显示器能显示时分秒，具有校时，校分，校秒功能。通过调试和测量，完成了题目的基本部分和其中一个发挥部分。 关键词：计数 译码 显示 脉冲 Abstract A digital electronic clock from principle speaking is one kind of typical circuits. Including c

5、ombination logic circuit and sequential logic circuits .The basic parts of multifunctional digital electronic clock include pulse circuit, counting circuit, decoding circuit, digital display circuit, timing circuit, timekeeping circuit. On the base, a kind of program is put forward. The special impl

6、ementation consists of astable multivibrator made by a 555 timer produces a standard one second signal, and every sixty seconds is equal to one minute. By the same way every sixty minutes is equal to one hour, every twenty-four hours is equal to one day, thus forming a circle. Link them to the digit

7、al tube to show the time. And the design electronic clock has the function of setting hour, setting minute .By debugging and measuring, we compete the basic part and one of the exertive part . Key word: count ; decode; show; pulse.多功能数字电子钟一、 数字电子钟的基本原理及系统组成1. 1数字电子钟的基本原理数字电子钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官

8、的计时装置。多功能电子时钟实际上是一个标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。多功能电子时钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具体实现为：用石英晶体振荡器或555振荡器产生1秒的标准“秒”信号；设计60进制计数器，即60秒累计为一分；同样设计，60分为1小时，并以24小时为一计时周期；各自引到显示器能显示“时”、“分”、“秒”；具有整点报时功能，要求报时声音四低一高，最后一响为整点；由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需在电路上加一个校时电路，同时标准的1Hz时间信号必须做到标准稳定。如果数字时钟走时有误差，应有校时电路校正。1.2数字电子钟的系统组

9、成 数字电子钟由振荡器、计数器、译码器、显示器、校时电路等基本组成部分以及报时电路、闹钟电路等扩展部分组成。 1.2.1 振荡器电路 振荡器电路（可以含分频器电路）给数字电子钟提供一个频率稳定准确的1Hz的方波信号，可以保证数字电子钟走时准确及稳定。 1.2.2 计数器电路 计数器电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和时十位计数器电路组成，其中根据设计要求，秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器电路各自组成六十进制计数器，时个位和时十位计数器电路组成二十四进制计数器。 1.2.3 译码、显示电路 译码电路和显示器可作为一个整体，将六个计数器芯片的输出经译码器译码输入到数

10、码管，显示成十进制数，符合人们的日常计数习惯。 1.2.4 校时电路 当需要校时时，将校时信号输入，即可改变秒、分、时的数值，且不影响正常的计数功能。 其组成框图如图1.1所示：时显示器分显示器秒显示器 分译码器时译码器秒译码器 分频器（可不用）振荡器报时电路校时电路秒计数器分计数器时计数器 图1.1 数字电子钟系统框图二、 数字电子钟设计方案的选择及论证2.1设计方案选择方案一：采用10进制计数器74LS192来实现时间计数单元的计数功能。秒个位为十进制，无需转换。秒十位为六进制，需用与非门实现异步置数。分显示电路与秒显示电路类似。如图2.1所示。 图2.1 秒、分计时电路时十位为3进制，当

11、时十位为0、1时，时个位为10进制；当时十位为2，时个位为4时，即需要一与非门将整体电路置数为0.如图2.2所示。 图2.2 时计数电路采用石英晶体振荡器（含分频器）产生1Hz时钟脉冲。方案一总原理图如2.3所示。图2.3 方案一总原理图方案二：采用异步二五十进制计数器74LS90实现计时功能。秒个位为十进制，无需转换。秒十位为六进制，可直接用导线实现异步清零。分显示电路与秒显示电路类似。时十位为3进制，当时十位为0、1时，时个位为10进制；当时十位为2，时个位为4时，也可直接用导线将整体电路置数为零。计数电路无需使用门电路。秒脉冲电路采用555定时器构成的多谐振荡器。其基本原理图如图2.4所

12、示。555定时器构成的多谐振荡器校时电路74LS90构成的秒计数器74LS90构成的分计数器74LS90构成的时计数器秒译码器分译码器时译码器秒显示器分显示器时显示器图2.4 方案二的总原理图 方案三：采用单片机STC89C52RC芯片以及相关的芯片来实现多功能数字电子钟。该设计选用一线制温度计DS18B20作为温度传感器，实时时钟芯片DS1302提供当前日期和时间数据，并将实时的日期和温度数据在字符型液晶显示器LCD1602上显示出来。本方案设计了一种基于STC公司的STC89C52单片机，使用Dallas的一线制数字温度计DS18B20作为温度传感器。本方案的多功能数字电子钟采用数字电路对

13、日期和温度进行控制设置，采用LCD液晶显示，以二十四小时的计时方式，根据LCD液晶显示原理进行显示，定时器计数。在多功能数字电子钟中，电路具有显示日期、时间、温度的基本功能，还可以实现对它们的调整。本方案要达到的设计目的有：具有时间显示和手动校对功能，二十四小时制；具有年、月、日的显示和手动校对功能；具有显示当前星期的功能；具有闹铃功能；具有环境温度采集功能；掉电后无需重新设置时间和日期。电压转换电路键盘控制电路报警电路温度采集时钟电路供电电路STC89C52单片机串行通信接口电路LCD1602液晶显示 其总原理图如图2.5所示。图2.5 方案三原理框图 2.2 设计方案论证 方案一可实现基本

14、功能，但其计数电路多次使用门电路。晶体振荡器虽然频率稳定性好，但价格较高，且制作时分频元件用的较多，无疑会增加成本。 方案二也可实现基本功能，且其计数电路不使用门电路，秒脉冲产生电路采用广泛使用的555振荡器，成本较低。方案三系统不但接口设计简单、便于控制，而且具有很好的人机界面，可以通过几个按键对当前的时间进行调整，对闹钟进行随意设置，已经温度超过上下限会自动报警等功能。但其成本会远高于前两个方案。 综上所述，我选择方案二。三、 数字电子钟单元电路设计及总体电路组成3.1单元电路设计3.1.1 振荡器的设计 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。石英晶体振荡器的稳定度性好

15、，精度高，但分频电路元件较多，且价格昂贵，故不采用。因此采用集成电路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和0.1uF。但需用三片74LS90级联做分频电路，其单元电路如图3.1.1，图3.1.2所示。 图3.1.1 555定时器构成的振荡器电路图3.1.2 三片74LS90构成的分频电路图 考虑到三片74LS90集成芯片的成本，我采用555振荡器直接产生输出脉冲频率为1Hz的方波。其中，电容C为C=,电容,输出的脉冲频率为1Hz,单元电路图如图3.1.3所示。脉冲输出 图3.1.3 555定时器构成的输出为1Hz的脉冲的振

16、荡器工作原理：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,随之下降。由于电容C上的电压将在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。3.1.2 计数器电路的设计3.1.2.1集成芯片74LS90 秒、分、时计数电路均采用集成芯片74LS90来实现。 集成芯片74LS90管脚图及功能介绍如下：（1）芯片引脚图如图3.2所示图3.2 74LS90引脚图 （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

17、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(

18、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，实现异步置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 CP2110××0× ×0000清 00××011× ×1001置 90 ×× 01 ×× 0 1QA 输 出二进制计数 1 QDQCQB输出五

19、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3.1 74LS90功能表 3.1.2.2 秒、分、时计数器的设计 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。 一般采用的方法是：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

20、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3.3.1所示。接分进位脉冲 图3.3.1 含门电路的24进制计数器电路 这种方案需要用到与门电路，且所连的导线较多，所以成本较高，考虑到数字电路要求电路简单，尽量节约成本的原则，我设计了另一个实现24进制的计数器电路。 我所设计的方案是：在反馈归零时，将“时”个位计数器的Q2和“时”十位计数器的Q1输出分别控制两

21、片74LS90的清零端R01和R02。这样，只有当第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，清零端R01和R02将计数器清零，计数器复位，完成24进制计数。且“时”十位计数器采用五进制，减少了元器件和导线数量，如图3.3.2所示。接分进位脉冲 图3.3.2 两片74LS90构成的24进制计数器电路 (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串联接起来构成的秒、分计数器。 74LS90计数器是

22、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。同理，用反馈归零方法实现六进制计数，Q2 Q1作为六进制的反馈归零信号，Q2作为六进制的进位信号。74LS90是在一秒时钟或进位信号的下降沿翻转计数，所以当“个位”的74LS90计到9且“十位”的74LS90计到5的时候再输入一个脉冲计数器全部归零。由此可见串联实现了六十进制计数。其电路图如图3.4所示。接进位脉冲或时钟脉冲分（时）进位脉冲 图3.4 两片74LS90构成的60进制计数器电路 3.1.3 译码驱动显示电路 六个74LS48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。74LS48七段显示译码

23、器输出高电平有效，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。需要发光的段为高电平，不发光的段为低电平。设计中采用共阴极数码管。平均点亮电流在3mA左右。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。 集成芯片74LS48是BCD码七段译码器。其引脚图及功能表如下： 图3.5 集成芯片74LS48引脚图 表3.2 集成芯片74LS48功能表 集成芯片74LS48具有以下特点： （1）7段译码功能（LT=1，RBI=

24、1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表1中116行。（2）消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。（3）灯测试功能（LT = 0）此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表1最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点

25、亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。 共阴极七段数码管结构如图3.6所示。 图3.6 共阴极七段数码管外引线排列图 图3.7 译码驱动显示电路总原理图共阴极数码管是把发光二极管的阴极都连在一起接地，输入高电平有效。74LS48与其配套。 3.1.4 校时电路 当数字计时器接通电源或者计时出现

26、误差时，需要校正时间。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。图3.8为校时电路。其中J1为校“分”用的控制开关，J2为校“时”用的控制开关。校时脉冲采用输出频率为1Hz的脉冲。其电路图如图3.8所示。校时信号分进位脉冲秒进位脉冲 图3.8 校时电路原理图工作原理： 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C1C2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。非门的输出也为高电平；所以与非门U2的输出只与校时脉冲有

27、关。又由于与非门U3的输出也为高电平，所以与非门U1的输出只与非门U2的输出有关。因此与非门U1的输出与校时脉冲相同。开关S断开后，电路开始正常计时。非门的输出为低电平，所以与非门U2的输出为高电平，因此与非门U1的输出完全由与非门U3的输出决定；又与非门U3的输入只与进位脉冲有关，所以电路进行正常计时。 集成芯片74LS00、74LS04引脚图及功能介绍： （1）74LS00引脚如图3.9.1所示。 图3.9.1 74LS00引脚图 （2）芯片功能： 74LS00为四二输入与非门，即。 （3）74LS04引脚如图3.9.2所示。 图3.9.2 74LS04引脚图 （4）芯片功能： 74LS0

28、4为六反相器，即Y=。3.1.5 报时电路数字钟走时接近整点时，需产生报时信号。设计电路图如图3.11所示。 图3.10 报时电路原理图 工作原理： 集成芯片74LS21的四个输入端分别连接“分”十位74LS90的Q2 Q1 端及“分”个位74LS90的Q3 Q0 端。当四个输出端输出为1时，即“分”显示为“59”时， 发光二极管发出红光。整个电路可实现提前60秒报时。 集成芯片74LS21引脚图及功能介绍： （1）74LS21引脚如图3.11所示。 图3.11 74LS21引脚图 （2）芯片功能： 74LS21为四输入双与门，即Y=ABCD. 3.2 总体电路的设计与组成 多功能数字电子钟的系统电路图如图3.12所示。 说明：由于使用的蜂鸣器效果不佳，故用发光二极管代替，产生报时信号。七段数码管为集成的译码驱动显示电路。 图3.12 多功能数字电子钟的系统总电路图四、 仿真及实物图 4.1 数字电子钟正常走时仿真图 图4.1 数字电子钟正常走时仿真图 4.2 数字电子钟校时仿真图 图4.2 校正为“10时”的仿真图 图4.3 校正为“35分”的仿真图4.3 数字电子钟整点报时仿真图 图4.4 整点报时仿真图五、 设计总结随着电子技术的不断发展，数字电子技术在设计中所体现在出来