多功能数字钟设计与制作-毕业设计

1、多功能数字钟设计与制作学生:XX 指导教师:XX内容摘要:多功能数字钟是在具有基本钟表功能的基础上又增加了定时控制、 仿广播电台报时功能、 自动报整点时数、 触摸报整点时数。 这样的数字钟以其超 越的功能越来越被更多的人们所接受。 在设计数字钟时可以采用中小规模集成电 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, 经过多方面比较后采用多单 元电路组成。这样虽然操作时有很大困难但设计相对清晰易懂,一目了然。 PCB 制作还必须在所有设计和制作结束后, 首先经过检测没有问题才能焊接器件。 并 进行进一步的检测。 保证电路

2、不能在焊接地方出现短接、 漏接现象。 错综复杂的 接线来回穿梭在电路板上,需要制作者用有超强的细心耐性,和更灵活的办法。 确保质量! 在遇到困难时有一个平静的心理, 和良好的素质。 在保证了数字钟在 正长运行下, 其次一个美观的外表更能让更多人喜欢。 本这个原则开始我们的探 索之路。关键词 :译码器 计数器 校时电路Multifunction digital clock designAbstract:The multi-function digital clock timing control basic watch functions on the basis of, imitation R

3、adio repeater function automatically reported to the whole number of touch reported hours. Digital clock beyond its function is increasingly being accepted by more people. Small and medium-scale integrated circuits can be used in the design of the digital clock electronic clock; can also use a dedic

4、ated electronic clock chip together with the display circuit and peripheral circuit electronic clock; can also use the microcontroller to implement the electronic clock, after many aspects of multi-unit comparison circuit. Although the operation very difficult, but the design is relatively clear and

5、 easy to understand at a glance.PCB production must also be the end of all design and production, first tested there is no problem to welding device. And further testing. Ensure that the circuit can not be shorted in the welding places bobble phenomenon. The intricate wiring back and forth on the ci

6、rcuit board, require producers to use super careful patience, and a more flexible approach. To ensure quality! In a calm mental difficulties, and good quality. To ensure the digital clock in the positive long run, followed by a beautiful appearance but also allows more people like. With this princip

7、le is the beginning of our path of exploration.Keywords:Decoder Counter Timing circuit.目 录前言 . 1 1 电路设计 . 1 1.1 设计方案 . 1 1.2 单元电路的设计 . 2 1.2.1 主体电路部分 . 21.2.2 扩展功能电路的设计 . 82 调试 . 11 2.1 主体电路部分 . 11 2.1.1 振荡电路部分 . 11 2.1.2 计数电路部分 . 12 2.1.3 校时电路部分 . 13 2.2 扩展电路部分 . 13 2.2.1 定时控制 . 13 2.2.2 仿广播电台正点报时

8、. 13 2.2.3 自动报整点时数 . 132.2.4 触摸报整点时数 . 143 结束语 . 15 参考文献 . 16多功能数字钟设计与制作前言数字钟被广泛用于个人家庭 , 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 , 运用超过老式钟表 , 钟表的数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

9、础的。 因此, 研究数字钟及扩大其应用, 有着非常现实的意义。 我们希望钟表业的精英 们在提高制造技术水平中不断创新, 培育出拥有自主知识产权的品牌。 这正是中 国钟表业发展的希望。1 电路设计1.1 设计方案根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图,框图如 图 1.1-1所示。 图 1.1-1 数字钟电路系统的组成框图由图 1.1-1可知, 电路的工作原理是:多功能数字钟电路由主体电路和扩展 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。 振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的振源, 再经分频器输出标准 秒脉冲。 秒计数器计满 60后向

10、分计数器个位进位, 分计数器计满 60后向小时计 数器个位进位并且小时计数器按照 “ 12翻 1” 的规律计数。 计数器的输出经译码 器送显示器。计时出现误差时电路进行校时、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扩展功能。1.2 单元电路的设计数字电子钟的设计方法很多种,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。 在本次设计, 电路是由许多单元电路组成的, 因此首先必须对各个单元电路进行设计。1.2.1 主体电路部分主体电路部分的电路主要由振荡电路、 计数电路、 显示电路

11、以及校时电路四 大部分组成。下面将对各部分电路进行设计。1.2.1.1 振荡电路振荡电路由振荡器和分频器产生 1Hz时钟脉冲和扩展部分所需的频率,下 面对振荡器和分频器两部分进行介绍。数字电路中的时钟是由振荡器产生的, 振荡器是数字钟的核心。 振荡器的稳 定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度, 一般来说, 振荡器的频率越高, 计时精度越高。 它利用某种反馈方式产生时钟信号。 对数字电路来说, 振荡器的 输出的幅度范围为 0v 5v 的方波信号而不是锯齿波、三角波或其他形式。典型 的振荡器是弛豫振荡器,它通过一个 RC 网络将反相器的输出反馈回来并存在一 定的工作延迟时间。基本的电路如图

12、1.2.1.1-1所示。图 1.2.1.1-1 振荡器图 在上述电路中, RI-C 网络由第一个反相器驱动,具有 RC 特性曲线的响应信 号被反馈给反相器的输入。 当电容上的电压达到施密特触发器输入反相器的门限 电压的时候, 反相器的状态发生改变, 并输出一个新的电压值。 这个输出电压经 过一定的延迟时间再次通过 RI C 反馈回来, 直到电容电压再次达到门限电压为 止。用施密特触发器输入器件(如 74HC04 ,但是由于电容的参考电压在每个临 界点都要发生变化, 所以施密特触发器不是必需的。 由于电容与输出相连, 每次 状态改变时,电容的充电电压会超过 5V 。从这一点来说,输出电压会改变电

13、容 的充电电压,直到电容两端的电压变为 74HC04的门限电压(2.5V 为止。振荡 器输出状态的改变发生在电容上的电压达到 2.5V 时。如果想要获得高的精度, 就应该在振荡电路中使用石英晶体作振源。 在数字 钟的设计与制作中应采用石英晶体振荡器, 因为石英晶体具有压电效应, 是一个 压电器件。 当交流电压加在晶体两端, 晶体先随电压变化产生对应的变化, 然后 机械振动又使晶体表面产生交变电荷。 当晶体几何尺寸和结构一定时, 它本生有 一个固定的机械频率。 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时, 晶体片的 机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路的交流电流最强,于是产生振荡, 因此将石英

14、晶体按一定方位切割成片, 两边傅以电极, 焊上引线, 再用金属或玻 璃外壳封装即构成石英晶体。 石英晶体的固有频率十分稳定。 另外石英晶体的振 动具有多谐性,除了基频振动外,还有奇次谐次泛音振动,对于石英晶体,既可 利用基频振动,也可利用泛音振动。前者称为基频晶体,后者称为泛音晶体,晶 片厚度与振动频率成反比, 工作频率越高, 要求晶片厚度越薄。 将石英晶体作为 高 Q 值谐振回路元件接入反馈电路中, 就组成了晶体振荡器。 在设计中所用的振 荡器的电路图如图 1.2.1.1-2所示。该电路能产生 1MHz 的方波脉冲振荡信号。图 1.2.1.1-2 晶体振荡器图 分频器的作用是将由石英晶体产生

15、的高频信号分频成基时钟脉冲信号和扩 展部分所需的频率。 在此电路中, 分频器的功能主要有两个:一是产生标准脉冲 信号;二是功能扩展电路所需的信号,如仿电台用的 1KHz 的高频信号和 500Hz 的低频信号等 . 在此电路中作为分频器的元件是 :CD4518。CD4518可以组成二分频电路和十分频电路。 用 CD4518组成二分频的电路如 图 1.2.1.1-3; 用 CD4518组成十分频的电路如图 1.2.1.1-4; 在本次设计中所用 的分频器的电路图如图 1.2.1.1-5。电路经过十分频后将晶振来的 1MHz 的振荡 脉冲变为 1Hz 的脉冲信号,该信号作为计数器的计数脉冲使用。 图

16、 1.2.1.1-3 二分频电路图 图1.2.1.1-4 十分频电路图 图 1.2.1.1-5 分频器电路图振荡器和分频器两部分构成振荡电路, 它的电路图如图 1.2.1.1-6所示。 根 据图 1.2.1.1-6可知电路的工作原理是:石英晶体振荡器提供的频率为 1MHz , CD4518组成十分频电路。 并且一个 CD4518可以组成两个十分频电路即:CD4518的引脚 2与引脚 6组成一个十分频电路而引脚 10与引脚 14组成另一个十分频电 路。晶振的输出接入第一块 CD4518的输入引脚 2,经过一次十分频,频率变为 100KHz 。 输出引脚 6接入同一块 CD4518的引脚 10经第

17、二次分频, 频率变为 10KHz 。 输出引脚接人第二块 CD4518的输入引脚 2再经一次分频,频率变为 1KHz 。这样 经过六次分频最后可以得到 1Hz 的频率。图 1.2.1.1-6 振荡电路图1.2.1.2 计数电路计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络, 被计数的输入信号就是时序网 络的时钟脉冲, 它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能, 如测 量、定时控制、数字运算等等。数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和 “ 12翻 1” 计数电路实现的。 数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。 当计数器正常计数时, 反馈门不起 作用, 只有当进位脉冲到来时, 反馈信号将计

18、数电路清零, 实现相应模的循环计 数。以六十进制为例,当计数器从 00, 01, 02, 59计数时,反馈门不起 作用,只有当第 60个秒脉冲到来时,反馈信号随即将计数电路清零,实现模为 60的循环计数。下面将分别介绍 60进制计数器和“ 12翻 1”小时计数器。 图 1.2.1.2-1 60进制计数器电路中, 74LS92作为十位计数器,在电路中采用六进制计数; 74LS90作为 个位计数器在电路中采用十进制计数。 当 74LS90的 14脚接振荡电路的输出脉冲 1Hz 时 74LS90开始工作,它计时到 10时向十位计数器 74LS92进位。下面对电 路中所用的主要元件及功能介绍。 图 1

19、.2.1.2-2 “ 12翻 1”小时计数器电路R 0(1S90_5D4L S 04“ 12翻 1” 小时计数器是按照 “ 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01”规律计数的,计数器的计数状态转换表如表 1.2-1所示。表 1.2.1.2-1 “ 12翻 1”小时计时时序 1.2.1.3 校时电路图 1.2.1.2-3 校时电路 校时电路的作用是:当数字钟接通电源或者出现误差时, 校正时间。 校时是 1数字钟应具有的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能。为了使电 路简单,在此设计中只进行分和小时的校时。校时有“快校时”和“慢校时”两 种, “快校

20、时”是通过开关控制,使计数器对 1Hz 校时脉冲计数。 “慢校时”是用 手动产生单脉冲作校时脉冲。图中 S1校分用的控制开关, S2为校秒用的控制开 关,它们的控制功能如表 4所示,校时脉冲采用分频器输出的 1Hz 脉冲,当 S1或 S2分别为“ 0”时可以进行“快校时” 。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供, 则可以进行“慢校时” 。1.2.1.4 译码与显示电路译码是编码的相反过程, 译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信 号以表示编码时所赋予原意的电路。 常用的集成译码器有二进制译码器、 二十 制译码器和 BCD 7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。 74LS48DPY_

21、7-SEG图 1.2.1.4-1 译码与显示电路1.2.2 扩展功能电路的设计1.2.2.1 定时控制电路数字钟在指定的时刻发出信号,或驱动音响电路“闹时” ;或对某装置的电 源进行接通或断开“控制” 。不管是闹时还是控制,都要求时间准确,即信号的 开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。在这里将举例来说明它的工作原理。要求上午 7时 59分发出闹时信号,持 续 1分钟。设计如下:7时 59分对应数字钟的时时个位计数器的状态为 (011110123=H Q Q Q Q ,分 十 位 计 数 器 的 状 态 为 (010120123=M Q Q Q Q , 分 个 位 计 数 器 的 状 态 为(

22、100110123=M Q Q Q Q ,若将上述计数器输出为“ 1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路,就可以使音响电路正好在 7点 59分响,持续 1分钟后(即 8点停响。 图 1.2.2.1-1 定时控制电路由电路图可以看见,上午 7点 59分,音响电路的晶体管导通,则扬声器发 出 1KHz 的声音。持续 1分钟到 8点整晶体管因为输入端为“ 0”而截止,电路停 闹。1.2.2.2 仿广播电台正点报时电路仿广播电台正点报时的功能要求是:每当数字钟计时快要到正点时, 通常按 照 4低音 1高音的顺序发出间断声响,以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。电路图的工作原理举例来说明;例如设 4

23、声低音(约 500Hz 分别 在 59分 51秒、 53秒、 55秒及 57秒,最后一声高音(约 1000Hz 发生在 59秒,它们的 持续时间为 1秒。只有当分十进位的 112022=M M Q Q ,分个位的 111013=M M Q Q ,秒十位的 112022=S S Q Q 及秒个位的 110=S Q 时,音响电路才能工作。图 1.2.2.2-1 仿广播电台正点报时电路1.2.2.3 触摸报整点时数电路设计本功能基于在有些场合 (如夜间 , 不便于直接看显示时间 , 希望数字钟 有触摸报整点时数的功能 . 即触摸数字钟的某端 , 就能报时。在功能三的基础上 , 增加一触发脉冲控制电路

24、 , 或者将功能三的电路的自动 报时改为触摸报时电路即可 . 产生触摸脉冲的电路有单次脉冲产生器 ,555集成 电路定时器 , 单稳态触发器等 .我采用的是 555集成电路产生的触摸脉冲 . 触摸 控制电路如图 23SZ2为一金属片,它还要和 74LS74的 RD (1端连接,当用手 触摸金属片时,即加入一负脉冲,其有两个作用:一、经过 555产生一正脉冲; 二、使 D 触发器输出为 0,从而使小时计数器的输出的整数点置入 74LS191。123UZ11A74LS008910UZ8C 74LS00456UZ8B74LS00123UZ8A74LS00146UZ2A74LS201312108UZ2

25、B74LS20RZ41KRZ322LS1SPEAKER89UZ6D74LS0412UZ5A74LS0434UZ5B 74LS0489UZ5D74LS04Q 3M M 1Q13DG130+5VSZ4SWM 2 Q 0M 2 Q 2M 1 Q 0M 1 Q 31K H ZS 1 Q 3500H ZS 1 Q 0S 2 Q 2S 2 Q 0 图 1.2.2.3-1 触摸报整点时数电路2 调试在本设计中, 为了设计的顺利进行, 我在实验箱上进行了部分调试, 因为电 路太复杂, 在实验箱上不可能整体电路进行调试。 调试后, 我就自己焊接了一个 试验板进行调试。以确保最后能很好的完成其各部分功能。调试后,

26、我就画 PCB 图,用来制印制板。因为 PCB 图先画,后经过反复考虑振荡电路部分改进了,最 后用的是 1MHZ 的晶振经过三片 CD4518六次分频就能得到 1HZ 的频率。 所以在印 制板外加了一个振荡部分电路。 2.1 主体电路部分 2.1.1 振荡电路部分我先用的是 32768HZ 的晶振和反向器 74LS00接两个电阻和两个电容组成的 振荡电路, 产生 32768HZ 的方波信号, 经过 15级二分频后得到 1HZ 的基准脉冲。 扩展部分所需的频率可以从 5级二分频得到 1024HZ 六级二分频得到 512HZ 但是2L这样用的集成块较多, 时间延迟较长。 用 555产生多谐振荡方波

27、也可, 就是精确 度和稳定度不高。后来我就用的 1MHZ 的晶振产生 1MHZ 的频率经过 74LS90组成 的二 -五 -十的分频器,可很好的扩展部分所需的频率。只是要用六块 74LS90, 后来我查了手册, 发现 4518有两片十进制分频器, 功能与 74LS90又基本上相同, 这样就可少用集称块,减少时间延时。在现用电路调试中,晶振的输出频率为 1MHz ,用三片 CD4518组成了六级 十分频电路, 在调试中我对每级分路进行了测试。 在第一级分频后出现的脉冲信 号为 100KHz , 经过第二级得到了 10KHz 的标准脉冲, 这样一级级的分频, 经过 六次分频后得到了标准的 1Hz

28、脉冲信号。振荡部分产生 1MHZ 的方波信号为: 图 2.1.1-1 方波信号图2.1.2 计数电路部分小时计数部分电路较复杂, 在第一次焊接完成后的调试显示中, 发现小时的 十位没有变化,经过分析、检查发现 74LS74的 3脚没有接上。秒计数电路部分的调试中顺利得到了结果, 秒计数器的个位能准确以十进制 形式计数; 秒计数器的十位也能准确以六进制的形式计数。当秒计数器的个位计数到 9后自动向秒计数器的十位计数。分计数电路部分的调试电路与秒计数器的电路一样, 在调试中不同的是秒计 数电路的个位计数器 74LS90的 14脚接入振荡电路部分的输出端, 而分计数电路 的个位计数器 74LS90的

29、 14脚本该接校时电路, 但是由于校时电路作为最后调试 的电路, 所以在调试中 74LS90的 14脚与单次脉冲连接。调试的结果是:这部 分的结果与秒计数电路部分的结果一样。2.1.3 校时电路部分在整个电路的设计中,需要用到两个校时电路,两个校时电路的功能相同, 它们不同的是在电路的设计时,校分电路比校时电路少一个反相器,这是因为 74LS191为高电平有效而 74LS90为低电平有效。调试的结果是:当开关断开时,分计数电路,小时计数电路正常计数,当开 关闭合时,校时电路进行校时。只是有时松开按键时,较时数会有点误变化,经 过仔细分析, 确定是由于在松按键时产生了抖动, 如果接上 R-S 触

30、发器就能够消 抖。2.2 扩展电路部分扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下, 才能完成的。 有些也可模拟调 试。2.2.1 定时控制扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下, 才能完成的。 单独在实验箱上 可以调试其电路的输入就用模拟开关输入高低电平。 只要在输入的变化下能够控 制风鸣器工作就行。 因为这部分的电路比较简单、 原理也不难。 所以这部分调试 很快,一切很顺利。2.2.2 仿广播电台正点报时这部分也比较简单,只是有两个音频信号(1KHZ 、 500HZ 要发出高、底 声音。 其余的就是来自主体部分的控制信号, 这也用模拟开关输入高低电平, 能 够使其音响电路发声,就没有问题。在调试

31、时这部分也比较顺利。2.2.3 自动报整点时数这部分电路就较复杂了,用模拟开关的电平输入来代替小时计数器的输入, 用一单次正脉冲来代替分的十位进位的反相脉冲。 第一次调试时, 音响电路没有发是声, 经过仔细检查, 发现 74LS74的电源和地之间被击穿, 换了一个 74LS74后,音响电路发出了声。2.2.4 触摸报整点时数这部分电路是在自动报时的功能上, 增加一触发脉冲控制电路, 在这里用的 是 555集成电路组成的单稳态触发器, 产生单稳态脉冲。 其经过偶数 4次反向器 延时后,用其来代替分十的进位脉冲,而触发器的触发端接 D 触发器的 RD 端。 第一次调试时,音响电路不受触摸脉冲的影响

32、,它是一直都响,经过分析后,确 定是触发器 D 没有输出控制信号。检查发现触发器的 2(D 脚和 6(/Q脚没有 连接好,接上后,音响就受触摸信号的控制了,说明其正常。以上的调试都是单独在实验箱上进行的。 为了整体能调试成功, 我焊接了个 整体电路来调试, 基本上也没有什么问题。 就是布线太困难了, 并且很容易出错。 我用的是排线, 但是排线容易断。 这给完成整体焊接电路带来了很多困难, 先焊 上的线,很可能在稍后就被折断了,所以布线也不是很规范了。 图 2.2.4-1 焊接的调试电路正面图有了以上在数字实验箱的调试,在焊接电路的调试就很容易了,主体电路 的功能接上电源后就能实现:能显示时、

33、分、 秒的时间; 小时的计数为 “ 12翻 1” , 分和秒的计时为 60进位;能够校时、分。扩展部分:定时控制;仿广播电台正 点报时;自动报正点时数,都能实现。但是触摸报正点时数不能很好的实现,一 触摸它就不停止的响, 不是在报正点时数。 后经过是 D 触发器没有输出,用万用表测试 D 触发器的 5脚一直都为高电平, 后发现 D 的 1脚的触发开关与地之间没 有接上,接上后调试,能实现。原设计的振源用的是 32768HZ 的晶振, 它要得到基准脉冲要经过 15级二分 频, 才能得到 1HZ 的脉冲。 而我后采用 1MHZ 的晶振只需用 CD4518经过六次十分 频就能得到 1HZ 的基准脉冲。 这样所需的集成块还少些, 带来的时间延时也就少 些。所以最后我还在印制板的外面加一小板这样作为整个电路的振源。最后在我制的印制板上调试,发现其没有反应。用万用表的二极管档测试, 发现其电源没有接通,逐级测试,查出是 VCC 与 +5V的电源没有接通。当接上时 调试,一切都能够实现。下图为制的印制板图: 220V5V图 2.2.4-2 印制板图本电源的纹波电流很小,为很小,为 0.001V , 有时甚至为 0V 。满足需要。能 向总体电路提供电源。3