多功能数字钟毕业设计报告

1、第一章 多功能数字钟的概述1.1应用背景21世纪，我们将进入信息时代，在新技术和市场需求的共同作用下电子技术及其产业必将有高速的发展；电子技术分为数电电路和模拟电路，数电研究数字信号，比如像逻辑门等等，模拟电路主要讲的是各种功率放大电路等。数字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电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字钟适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。为了简化电路结构，数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。具有电路结构简单、动作可

2、靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。数字钟的技术实现时、分、秒计时的钟表。与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。数字钟的设计方法 有许多种，例如可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用单片机来实现电子钟 等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，以便于功能的扩展。数字钟广泛用于个人家庭,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

3、字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义，深受人们欢迎。因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.1.2数字钟的功能近年来随

4、着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，数字钟的应用越来越普及了，并且由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，使数字钟的技术在电子和一些自动化行业中应用也越来越广泛了。常见多功能数字钟功能包括： (一)基本功能：1.计时要12翻1，分，秒60进制。2.准确计时，以数字形式显示时分秒的时间。3.校正时间。(二)扩展功能：1.定时控制。2.仿广播电台报时功能。3.自动整点报时。4.触摸整点报时。(三)音乐功能：到点会自动报时，有音乐享受。多功能数字钟灵活多用，更加适应21世纪人们的需求。本次的任务就是要做一个基于数字电子技术的多功能数字钟。1.3设计要求本次毕

5、业设计任务是要实现24小时的时钟显示，以及校准、整点报时等功能。具体要求：（1）产生1HZ的脉冲（2）显示功能：具有“时”、“分”、“秒”的数字显示（“时”从023，分059，秒059）。（3）校时功能：当刚接通电源或数字时钟有偏差时，可以通过手动的方式去校时。（4）整点报时：当时钟计时到整点时，能进行整点报时。第二章 总体电路原理与分析2.1系统原理说明由振荡器输出稳定的高频脉冲信号作为时间基准，秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器按“24翻1”规律计数，计数器经译码器送到显示器；计数出现误差可用校时电路进行校时、校分、校秒。数字钟系统的结构框图如图1所示

6、。可扩展部分：使数字钟具有可整点报时与定时闹钟的功能。时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器定时闹钟音 乐整点报时主体部分扩展 部分 图1 数字钟系统功能框图2.2 实现功能（1）计时功能。数字时钟工作于计时状态，电路中的秒计时电路、分计时电路以及小时计时电路分别对秒脉冲、分脉冲和小时脉冲进行计数。计数结果经数码管显示计时时间值。（2）校时功能。数字时钟工作于校时状态。可以选择对“小时”、“分钟”和“秒钟”进行校时。校时时通过手动输入校时时间。（3）整点报时功能。整点译码电路通过识别整点时间，产生整点报时信号。当前时间为零点时，会产生整点报

7、时，此时探针会亮，蜂鸣器会响。（4）闹钟报时功能(可选)。通过校时功能将“小时”、“分钟”和“秒钟”设定在某一时间点，然后重新校时，调整到设定点以前的某一时间，当时钟到达设定点时，信号灯会亮，并且蜂鸣器会响。第三章 方案的选择与设计3.1秒脉冲产生电路方案方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。555与RC振荡电路如图1所示图1 555与RC组成的多谐振荡器图方案二: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。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间

8、脉冲信号。石英晶体振荡电路如图2所示图2 石英晶体振荡器图方案三：由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器如图3所示。图3 门电路组成的多谐振荡器图用555组成的脉冲产生电路: R1=47k，R2=47k，C=10F，则555所产生的脉冲的为:f=1/(R1+2*R2)CLn2=1Hz,而设计要求为1Hz,在精度要求不是很高的时候可以使用。石英晶体振荡电路:采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出.R的阻值,对于TTL门电路通常在0.72K之间;对于CMOS门则常在10100M之间。由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC

9、有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。选择理由：ne555的优点1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。综上分析，选择方案一，555与RC组成的振荡电路较简单，易调节，成本较低。3.2 校时电路方

10、案数字钟启动后,每当数字钟显示与实际时间不符,需要根据标准时间进行校时。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。对校时电路的要求是：1、在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。2、在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。方案一：当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。图4中C1、 C2用于消除抖动。至时个位计数器至分个位计数器分十位进位脉冲

11、秒十位进位脉冲3.3KW3.3KWC2 S2C1 S1C1=C2=0.01mF+5V校时脉冲图4方案一校时电路方案二：通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图5所示为所设计的校时电路。图 5 方案二校正电路图方案三：校准电路由基本RS触发器和“与”门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。未拨动开关K时，“与非”

12、门G2的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关K时，“与非”门G1的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。电路图如图6所示:图 6 方案三校正电路方案四：校时电路仅由2个单刀双掷开关所构成电路图如图7所示:图7单刀双掷开关电路选择理由：综上分析，选择方案四，用开关组成的校时电路较简单，易调节，成本低3.3电路图及设计3.3.1基于NE555的秒方波发生器的设计用NE

13、555芯片以及外围电路搭建成一个多谐振荡器，通过设计外围电路的参数输出方波频率为1Hz，故称为秒方波发生器。由于脉冲的占空比对系统的影响不大，故把占空比设计为1/3。输出方波用作计数器及D触发器的clk信号。NE555定时器引脚图如图8所示，脉冲频率公式：f=1（R1+2R2）C2图8 NE555的引脚图GND: Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。TRIGGER: Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。OUTPUT: Pin 3 (输出) -当时间周期开始5

14、55的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。RESET: Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。CONTROL VOLTAGE: Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Threshold: Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Di

15、scharge: Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。VCC: Pin 8 (V +) -这是555 IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。选择R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10F，形成电路图如图9所示： 图9秒脉冲发生器如图所示GND接地线、VCC是电源、Discharge放电、OUTPUT输出、Threshold清零锁定、RESET负责清零、TRIGGER触发点、CONTROL VOLTAGE控制3.3.2基于74ls

16、160的2460进制计数器的设计图10 74ls160的引脚图74160的引线如图11所示：图11 74160的引线图表1 74ls160的功能表CLK CLRLOADENP ENT工作状态01111 0111 0 1 01 1置零预置数保持保持（但C=0）计数表1的主要功能为：异步清除：当CLR=0时，无论有无CLK，计数器立即清零，QD-QA均为0，称为异步清除。同步预置：当LOAD=0时，在时钟脉冲上升沿的作用下，QD=D，QC=C，QB=B，QA=A。 当使能端ENP=ENT=1时，计数器计数。 锁存：当使能端ENP=0或ENT=0时，计数器禁止计数，为锁存状态。时计数器应为60进制计

17、数器，采用一片74LS20与一片74LS160集成电路利用置零法来实现。当时计数器输出的第60个进位信号时，时计数器应该复位，计数由59回到0即完成一个计数周期。电路如图12所示：图12 采用同步置数法设计60进制计数器时计数器应为二十四进制计数器，采用一片74LS20与一片74LS160集成电路利用置零法来实现。当时计数器输出的第24个进位信号时，时计数器应该复位，计数由23回到0即完成一个计数周期。电路如图13所示：图13 采用同步置数法设计24进制计数器3.3.3译码驱动及显示单元电路译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码

18、管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。如图14所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。图 14译码及驱动显示电路图3.3.4整点报时电路整点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到整点时发出声响。但为了简单，用发光二极管替代喇叭，到分钟显示到59分时，二极管就会亮。当时间在59分时，产生报时控制信号。报时电路可选74LS20来构成。74LS20为4输入与非门。如图15就是一种由整点报时电路。图15 整点报时电路3.3.5校时

19、电路当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，本次设计采用了两个单刀双掷开关电路，所以这里只进行分和小时的校准。对于单刀双掷开关电路如例1所示：图16所示是一种实观时、分、秒校准的参考电路。开关K1、K2、K3分别作为时、分、秒校准的控制开关。当K1、K2闭合，K3接G3门的输入端时，G1G3门的输出均为1，G4门输出为0，G5门输出为1，秒信号经G6门送至秒个位计数器的输入端，计时器进行正常计时。(1) 时校准：当开关K l打开，K2闭合，K3接G3门的输入端时，G1门开启，G2门关闭，秒信号直接经G

20、6和G1门送至时个位计数器从而使时显示器每秒钟进一个数字，以实现快速的时校准，校准后将K1重新闭合。图16图校时控制电路 (2) 分校准：当开关K1闭合，K2打开，K3接G3门的输入端时，这时秒信号只能通过G6和G2门直接送至分个位计数器，这时分计数器快速计数，当分校准后将K2闭合。（3）秒校准：当开关K1、K2闭合，K3接G4门的输入端时，G4门输出为1，使G5门开启，周期为05s的脉冲信号(可由秒脉冲信号分频获得)通过G5、G6门，并送至秒个位计数器，使秒计数器的计数速度提高一倍，加快了秒显示器的校准速度。当秒显示器校准后，将K3恢复与G3门的输入端相接，这时计时器的各位显示器将按校准后的

21、时间进行正常计时。3.3.6电路总原理如图17所示 图17多功能数字钟的总原理图3.4仿真测试与数据测试步骤如下：1用示波器检测脉冲信号发生器部分，看其输出的秒脉冲信号的波形、频率和周期等是否符合要求，必须确保秒脉冲信号的频率准确（F1Hz），这关系整个数字钟的准确性。2分别将时、分、秒计数器的脉冲信号输入端调至校时脉冲，检查各计数器是否按所要求的进制形式进行，显示是否正常。同时看校时电路是否达到校时的目的。3时、分、秒计数器接回计时脉冲，看总体工作是否正常。测试数据分、秒计时电路正常显示5分35秒时的电路图如图18所示。 图18 仿真结果图故障分析部分故障分析：1、七段数码显示器并不是按照电

22、路的要求显示。分析：每次通电均出现8，检查七段显示器接线是否正确，其次检查与显示器连接的芯片供电是否正常或连接是否稳定，经过换线处理其初始化及之后都能正确显示。2在仿真的过程中，LED灯亮，但是不能正确显示预先设想的数字，原因是在连线时某些连线接错，经过仔细检查，找出错误原因经改正后，电子钟得以正确运行。3、在非手动设置的情况下，显示器示数不断增加。说明74160的ENP为高电平，检查与此连接的线是否断路，若不是则检查非门是否正常工作或与其连接的线是否正常。依次顺藤摸瓜式检查。总结与心得设计，给人以创作的冲动。但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为

23、她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。安排毕业设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。这学期数电实验课的考试就是做的数字钟，所以在计数模块上面有以前的经验，设计技术模块很快就得出了正确的结果，虽然跟实验室用得芯片不一样，但原理一样，同时我还理解到，同样功能可以由不同的芯片实现，需遵

24、行简单，经济的原则，从而最大程度符合目标设计。此次的数电电子技术毕业设计让我熟悉了很多数电的知识，特别是更加熟练的掌握了数电电路的设计。设计是大学生理论与实践结合的桥梁。其大大的增强了学生的动手能力。同时在实践的过程中也大大加强了学生对课本理论知识的理解，使得学生对理论知识有了更深层次的感悟并对理论有了更感性的认识，甚至使得学生对理论豁然贯通，达到一个更深的层次。毕业设计也是非常辛苦的。但我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。在设计过程中，通过针对性地查找资料，了解了些电子方面的资料，既增长了自己见识，补充对数字电子技术有了一个全面的认识，这些知识贯穿到一起，对电子专业有了一个更全面的认识！ 通过毕业设计，我还更加明白了一个真理。时至今日，