智能单片机万年历时钟电路

一、设计任务与要求:

本设计准备实现的功能：

(1)显示公历日期功能(年、月、日、星期)。

(2)可通过按键切换年、月、日、星期的显示状态。

(3)可随时调校年、月、日及星期。

(4)可每次增减一进行时间调节。

(5)可动态完整显示年份，实现真正的万年历显示。

二、方案设计与论证：

1.方案一：

通过一段时间对专业书籍及多种设计方案的研究及分析，在计数电路芯片的选择上可以

采用74LS160或74LS90,在实现的电路中有两种方案来实现清零(异步置数和同步清零)；

对于实现年、月、日、星期的显示,可采用LED液晶显示屏、点阵式数码管、LED数码管中的

一种；在实现年、月、日、星期的校时方面，可设置K3、K2、K1三个开关分别作为年、

月、日的校时控制开关，由于"日"与''星期"同步，因而控制“日”的同时也控制了“星期”。

另外通过按钮开关可以在日期与时间间切换和对时钟进行调整。

该方案的系统原理框图如下：

图中各单元电路的工作原理如下：

（1）计数器电路：包括年计数器、月计数器、日计数器、星期计数器四部分。各部分分

别完成对“年”、“月”、“日”、“星期”的计数。

（2）译码显示电路：译码显示电路的功能是将年、月、日、星期计数器输出的4位二进

制码进行翻译后显示出相应的十进制数字。

（3）校时电路：当数字钟计时出现误差时，必须对时间进行校正，通常称为“校时”，校

时是数字钟应该具备的基本功能，一般要求能对年、月、日分别进行校正。

2.方案二：

对于本题目的设计，我们不仅可以运用以前学过的课程——《数字电路逻辑设计》里边的

知识来完成，也可以运用我们所学过的单片机知识来完成本设计，我们可以直接用叫简单的单

片机芯片AT89C51再加上其周围的外设电路结构来完成。

该方案的系统原理框图如下：

图中各单元电路的工作原理如下：

（1）晶体电路：晶体振荡器电路给数字钟提供•个频率稳定准确的32768Hz的方波信

号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了

晶体荡器电路。

（2）复位电路：分频器电路将高频方波信号经分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器

进行计数，分频器实际上也就是计数器。

（3）时间调整电路：利用4*4矩阵键盘电路设计调整电路，对万年历的事件进行调整。

（4）数码管显示电路：包括数码管段选部分和数码管位选部分，数码管段选部分控制显

示数值，数码管位选部分控制显示地址。

由于使用单片机成本较高，而且编程复杂，故选择方案二，利用数字逻辑电路设计万年

历。

3.方案的最终选择与确定：

对于第一种方案，是我们所熟悉的纯数电式电路，核心为2种不同型号的数字芯片和4

种不同型号的逻辑运算芯片，其余的外围电路只增加了数码管、电阻、按键，电路原理可以通

过数字逻辑计算公式来很好的表达，电路原理图也可很容易的构建出来。从制作费用的角度来

讲，外围芯片以及芯片周围的简单元件都是既好买又便宜的，很方便我们的电子设计，花费也

少。

对于第二种方案，也是我们所熟悉的单片机电路，核心为AT89C51单片机，外设也是

一些简单的电阻、电容、数码管构成，电路原理相对于第一种更加简单，对于PCB画板之类

的也是省了不少麻烦。但是该设计的问题是编写的程序过于复杂，其工作量远大于方案一的设

计，而且从制作费用来讲，光一个单片机的价格就已经可以买方案一中的所有芯片，可能还会

有剩余。

由以上分析最终确定出我们的设计是采用方案一。

三、单元电路设计与参数的计算：

（我的工作主要是protel电路图和PCB板的全部绘制）

1.单元电路设计过程：

（1）计数器电路：

包括年计数器、月计数器、日计数器、星期计数器四部分

A.元器件的选择：

所用元器件包括:74LS90芯片5个;74LS08芯片6个;74LS04芯片-1个;74LS193

芯片2个；74LS00芯片1个。

B.元器件选择说明：

①选择74LS90芯片作为“年”、“月”及“日”十位的计数芯片

（注：考虑到74LS90布线简单，门电路使用少的优点，因而舍弃了74LS160芯片）

74LS90是异步二一五一十进制加法计数器，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。

如下图1为74LS90芯片引脚图：

INPUTB[T司INPUTA

Ro(n[7到zc

⑵叵回QA

zc叵!2JQD

"cc叵IO]GND

叵Q

3B

R9（2）叵HQC

图174LS90芯片的引脚图

通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助RO(1)、

R0(2)对计数器清零，借助S9(l)、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，QA作为输出端，为二进制计数器。

(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。

(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA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QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB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：

异步清零：当RO(1)、R0(2)均为“1"；S9(l)、S9⑵中有“0”时,实现异步清零功能,

即QDQCQBQA=0000o

置9功能：当S9(l)、S9(2)均为“1"；R0(l)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能,即

QDQCQBQA=1001o

如下表1为74LS90芯片功能表：

表174LS90芯片的功能表

输入输出

清0置9时钟功能

QDQCQBQA

Ro(l)、Ro(2)S9(l)>S9(2)CP]CP2

0x

11XX0000清0

X0

0x

11XX1001置9

X0

11QA输出二进制计数

11QDQCQB输出五进制计数

QDQCQBQA输出

0x0x1QA卜进制计数

8421BCD码

X0x0

QAQDQCQB输出

QD1十进制计数

5421BCD码

11不变保持

②选择74LS193芯片作为“星期”和“日”个位的计数芯片：

常用的集成同步计数器有4位二进制同步加法计数器74161、单时钟4位二进制同步

可逆计数器74191、单时钟十进制同步可逆计数器74190、双时钟4位二进制同步可逆计数器

74193o

注：(74LS193芯片性能稳定价格低廉，相比其他集成同步计数器较好)

如下图2为4位二进制同步可逆计数器74193的引脚排列图及逻辑符号:

VccPoMRTCDTCUPLP2P3

LdUJUJLdLdLLlUJLd

PlQjQQCPDCP（JC）2Q3GND

图274193的引脚图

如下表2为74193输入'输出信号的说明:

表274193输入/输出信号的说明

引线名称说明

CLR清除

预置控制

TD

输

D,C,B,A预置初置

入

端累加计数脉冲

累减计数脉冲

CP1）f

记数值

QDQCQBQA

输

出进位输出负脉冲

端Qcc

借位输出负脉冲

QCB

当CLR为高电平时，计数器被清除为“0”当为低电平时，计数器被预置为A、

B、C、D端输入的值；当计数脉冲由°匕端输入时，计数器进行累加计数；当计数脉冲由

端输入时，计数器进行累减计数。如下表3为74LS193的功能表：

表374LS193功能表

CLRLDDCBACP。CPDQDQcQBQA

1ddddddd0000

00x3x2xlxOddx3x2xlxO

01ddddt1累加计数

01dddd1t累减计数

4位二进制计数器是模为16的计数器。在实际应用中可根据需要用4位二进制计数

器构成模为任意R（R小于16或大于16）的计数器

③选择74LS04芯片和74LS08芯片作为门电路芯片：

7404芯片内部包含6组反向器，在设计中用一组即可，如下图3为74LS04芯片的

逻辑图：

图374LS04芯片的逻辑图

74LS08芯片内部包含4组2输入与门（正逻辑），如下图4为74LS08芯片的逻辑

图:

RIRIRIRI[wlrnR

GND

图474LS08芯片的逻辑图

C.计数器电路的框图及设计说明：

a、对“日”的分析：

如下图5为“日”显示multisim原理图:

74LS193D

至

羽

图5"日”显示multisim原理图

由于本次设计中“日”是30进制，所以“日”的个位显示是从0—9这10个数，“日”

的十位显示是从0-3这3个数。

“日”个位的分析：

“日”个位计数器的初始状态为0”。(心。广0001，其状态变化序列如下：

0001—►0010—►0011—►0100—>0101

tI

0000—1001<—1000*—0111—0110

根据74LS193的功能表，可将A和CP。接逻辑1,C弓接计数脉冲。由于“日”个位

的置数是受“日”十位控制的，当“日”十位显示由3变到0时即QOQCQSQA由00U变到0100

时，“日”个位变为初值，因此可利用“日”十位的©和。8端的高电位进行置数，“日”个位

的置数信号方程：丫=。.。8,但由于74LS193的置数控制端说是低电平有效，所以在输入

前必须加上与非门(即图中的74LS08和7404),最后输入到Z5的信号为丫=如石，从而完

成对“日”个位的置数。对于“日”个位计数器的清零，由于“日”个位是十进制计数，当计

数器输出由1001变为1010时，计数器状态立即变为0000,,当下一个计数脉冲到达时，再由

0000变为0001继续进行加一计数，可将QD和QA的高电平经与门接至清除端CLR,完成对“日”

个位的清零。

“日”十位的分析：

“日”个位计数器的初始状态为其状态变化序列如下：

0000—►0001

t;

0011—0010

根据74LS90的功能表，可将S9(1)S9(2)接地，时钟端C4接0，一接“日”

个位的进位端。对于“日”十位的3进制计数，当“日”十位显示由3变到0时即QOQCQBQA

由0011变到0100时;计数器状态立即变为0000,,当下一个计数脉冲到达时，再由0000变

为0001继续进行加-计数，可将。.和好的高电平经与门送到清零端R01和R02,完成十位

清零。

b、对“月”的分析：

如下图6为“月”显示的原理图:

图6“月”显示的原理图

由于本次设计中“月”是12进制，所以''月”的个位显示是从0—9这10个数，“月”

的十位显示是从0—1这2个数。

“月”个位计数器的初始状态为。“2。“。尸0000,其状态变化序列如下：

0000—►0001—►0010—►0011—►0100

1001—1000—0111—0110<—0101

“月”十位计数器的初始状态为Q°QCQBQA=OOOO,其状态变化序列如下:

0000^=±0001

根据74LS90的功能表，可将两个计数器的S9(1)、S9(2)均接地，时钟端。舄均接

由于“月”是12进制，当“月”十位显示1即。储0。广0001，“月”个位显示2即

。°。©。8。产0010时，两计数器的状态均为0000,可将“月”十位的2和“月”个位的的

高电平经与门送到两计数器清零端R01和R02,完成十位清零。对于“月”个位和“月”十

位的计数器进位设计：“月”“月”十位的C6接个位的进位端。口,“月”个位的接“日”

十位的进位信号丫=°八QB。

c、对“年”的分析：

如下图7为“年”显示的原理图:

图7“年”显示的原理图

在万年历中“年”的显示变化很小，此次设计仅设计了“年”的最后两位，这两位均

为十进制，最大可记到99年。

根据74LS90的功能表，可将两个计数器的S9(1)、S9(2)均接地，时钟端°舄均

接。人，即可实现十进制计数。当“年”的十位计数器状态为1001时，若下一个计数脉冲到来,

则“年”的两个计数器均被清零，这里可利用“年”十位计数器的&和的进位信号Y=0AQ。

进行清零。

d、对“星期”的分析：

如下图8为“星期”显示的原理图：

星期

74LS

.N

cS

-"J

■-I*

A

图8"星期"显示的原理图

本次设计中“星期”是7进制，所以“月”的个位显示是从1一7这7个数，“月”个

位计数器的初始状态为QCQCQSQAROOI，其状态变化序列如下:

0001—►0010—►0011->0100

\I

、0111—0110—0101

根据74LS193的功能表，可将A和接逻辑1,接计数脉冲。当“星期”十位

显示由7变到8时即。。。屋屋.由OU】变到由00时，“星期”计数器的状态变为初值0001,

因此可利用“星期”计数器的。。端的高电位进行置数，“星期”个位的置数信号方程：Y=0°,

但由于74LS193的置数控制端说是低电平有效，所以在输入前必须加上与门(即图中的

7404),最后输入到访的信号为丫=或，从而完成对“星期”计数器的置数。

(2)按键校时电路：

A.元器件的选择：

所用元器件包括：74LS00芯片，74LS10芯片，74LS04芯片，3.3KC电阻4个，开

关、按钮若干。

B.元器件选择说明：

74LS10芯片内含三组三输入与非门，逻辑关系为：Y=痂，如下图9为74LS10芯

片各管脚示意图：

Vcc

图974LS10芯片各管脚示意图

74LS00芯片内含4组二输入与非门,其逻辑关系为:Y=A8,如下图10为74LS00

图1074LS00芯片各管脚示意图

C.校时电路的框图及设计说明：

当数字钟计时出现误差时，必须对时间进行校正，通常称为“校时”，校时是数字钟应

该具备的基本功能，-一般要求能对年、月、日分别进行校正。

校时电路的设计要求是：在进行“年”校正时，不影响“月”和“日”的正常计数；

在进行“月”校正时，不影响“年”和“日”的正常计数；在进行“日”校正时，不影响“月”

和“年”的正常计数。为此，可设置K3、K2、K1三个开关分别作为年、月、日校时控制

开关。

此外根据时间误差的大小，可考虑两种校时方法：一种方法是采用单脉冲进行手动校

时，拨动校时开关后，每按一次单脉冲按钮，相应计数器增1；另一种方法是利用秒计时脉冲

进行自动校时，拨动校时开关后，在秒计时脉冲作用下，相应计数器自动递增，直至增加到希

望的值后再将校时开关拨回初始状态。设计时可设置开关K0区分两种不同的校时方法。

如下表4为校时开关的功能表：

表4校时开关功能表：

K?储K。功能

0000正常计数

0010日校正（手动）

001111校正（自动）

0100月校正（手动）

0101月校正（自动）

1000年校正（手动）

1001年校正（自动）

根据功能表内容所写出的数字钟“年”、“月”、“日”计数器个位计数脉冲信号的表达

式如下：

「年二降*P月十位进位脉冲+区K。*P单脉冲+%储*0日计数脉冲

"_K*P+KK*P+KK*P

r月一厂日十位进位脉冲十A240脉冲十八2八。厂日计数脉冲

五日=K]*P日计数脉冲+降凡*P单脉冲+K]K0*电计数脉冲

=（玲+K0）*P日计数脉冲+&K。*尸单脉冲

据此可设计出数字钟校时电路如下图11所示：

.

.74LS10D

.

-

s1

OD:200Hz

5V

图11数字钟校时电路

(3)译码显示电路：

译码显示电路的功能是将年、月、日计数器输出的4位二进制码进行翻译后显示出

相应的十进制数字。通常译码器与显示器是配套使用的，选用共阴极发光二极管数码显示器

BS202,则可选择译码驱动器74LS48与之配套使用。

在此次设计中，使用了内置译码驱动器74LS48及阴极发光二极管数码显示器BS202

的数码管作为显示部分。如下图12所示：

<CCc；G•

74LS90D

1人，

图12译码显示电路

2.设计电路的原理图:

(1)计数器电路：

(2)按键校时电路:

(3)译码显示电路:

3.单元电路设计与参数计算的小结：

本设计由计数器电路、按键校时电路、数码管显示电路等部分构成。计数器电路包含年

计数器、月计数器、日计数器、星期计数器等部分，各部分分别完成对“年”、“月”、“日”、

“星期”的计数。按键校时电路可分别对“年”、“月”、“日”、“星期”进行单独校时。数码管

显示部分能实现时钟日历的功能，能进行“年”、“月”、“日”、“星期”的显示。此设计基本上

完成了设计任务的要求。

四、protel绘制的总原理图及元器件清单:

1.总原理绘制图：

该数字钟电路的工作原理是：由方波信号发生器产生稳定的高频脉冲信号，经分频电路输

出标准的脉冲信号作为计时脉冲。日计数器计满30后向分计数器产生进位脉冲，并将其送到

月计数器的时钟端，月计数器计满12后向时计数器产生进位脉冲，并将其送到年计数器的时

钟端，年计数器按照模100的规律计数。计数器的输出经显示译码器译码后送显示器显示。当

电路计时出现误差时，可以由校时电路分别对“时”、“分"、“秒”进行校准。

在原理图的绘制中，由于芯片在元件库中无法找到，因此，对于每种类型的芯片，均绘制

了合适的元件图，具体如下：

a、下图为74LS00的元件绘制图：

b、下图为74LS04的元件绘制图:

114

1AVCC

213

1Y6A

312

2A16Y

411

2YI5A

153ABI5Y10

69

3YI4A

78

GND4Y

c、下图为74LS08的元件绘制图:

114

1AVCC

213

1B4B

31Y.14A12

42A.14Y11

52B.13B10

69

2Y13A

78

GNDI3Y

d、下图为74LS10的元件绘制图:

114

1AIVCC

213[

1B1C

32A111Y12I

42B.13C11

52C.13B10

691

2Y13A

78

GND13Y

e、下图为74LS90的元件绘制图:

f、下图为74LS193的元件绘制图:

g、下图为内置译码器LED数码管的元件绘制图:

2.PCB制板图:

a、Top层PCB图:

Top层板图

b、Bottom层PCB图:

丫2・口•♦利可.••至M2|B|»»♦>|02|B|»♦♦