多功能数字钟专业课程设计.doc

摘 要
多功能数字钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示计时装置，广泛用于个人家庭，车站，码头，办公室等公共场合，成为人们寻常生活中不可少必须品，由于数字集成电路发展和石英晶体振荡器广泛应用，使得数字钟精度远超过老式钟表原先报时功能。诸如定期自动报警、准时自动打铃、时间程序自动控制、定期广播、自动起闭路灯、定期开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定期电气自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基本。因而，研究数字钟及其广大应用，有着非常现实意义。
数字电子钟由信号发生器“时、分、秒”计数器、译码器及显示屏、校时电路、整点报时电路等构成。秒信号产生器是整个系统时基信号，它直接决定计时系统精度，普通用555或晶振电路构成振荡器加分频起来实现。将原则秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每合计60秒发出一种“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”时钟脉冲。“分计数器”也60进制计数器，每合计60分，发出一种“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数，可以实现一天24h累积计。
译码显示电路将“时、分、秒”计数器输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示屏显示出来。整点报时电路是依照计时系统输出状态产生一种脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对，调节。

核心词 多功能数字钟 计数器 译码器 显示屏 校时电路

目录
摘 要 I
1 绪 论 1
1.1 项目研究背景及意义 1
1.2 多功能数字钟现状和发展趋势 1
2 设计总体方案 2
2.1 简要阐明 2
2.2 任务规定 2
2.3 基本原理 2
3 单元电路 3
3.1 振荡器设计 3
3.2分频器设计 4
3.3计数器设计 4
3.3.1六十进制加法计数器 5
3.3.2二十四进制加法计数器 5
3.4 译码器和显示电路设计 6
3.5 校时电路设计 6
4单元电路设计 7
4.1时间脉冲产生电路设计 7
4.2计数电路设计 7
4.2.1 60进制计数器设计 7
4.2.2 24进制计数器设计 8
4.3 译码及驱动显示电路 9
4.4 校时电路设计 9
4.5 报时电路 10
4.6电路总图 11
5仿真成果及分析 12
5.1时钟成果仿真 12
5.2星期电路成果仿真 12
5.3手电电路 13
5.4测试成果分析 13
总结分析 14
道谢 15
参照文献 16
附录1 17
附录2 18

1 绪 论
1.1 项目研究背景及意义
20世纪末，电子技术得到了飞速发展，在其推动下，当代电子产品几乎渗入了社会各个领域，有力地推动了社会生产力发展和社会信息化限度提高，同步也使当代电子产品性能进一步提高，产品更新换代节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作忙碌性和复杂性容易使人忘掉当前时间。忘掉了要做事情，当事情不是很重要时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时耽误也许酿成大祸。
多功能数字钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示计时装置，广泛用于个人家庭，车站，码头，办公室等公共场合，成为人们寻常生活中不可少必须品，由于数字集成电路发展和石英晶体振荡器广泛应用，使得数字钟精度远超过老式钟表原先报时功能。诸如定期自动报警、准时自动打铃、时间程序自动控制、定期广播、自动起闭路灯、定期开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定期电气自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基本。因而，研究数字钟及其广大应用，有着非常现实意义。
1.2 多功能数字钟现状和发展趋势
单片机模块中最常用是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时装置，与机械式时钟相比具备更高精确性和直观性，且无机械装置，具备更长使用寿命，因而得到了广泛使用。
当前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几种方面发展。
单片机应用重要意义还在于，它从主线上变化了老式控制系统设计思想和设计办法。从前必要由模仿电路或数字电路实现大某些功能，当前已能用单片机通过软件办法来实现了。这种软件代替硬件控制技术也称为微控制技术，是老式控制技术一次革命。
在单片机技术日趋成熟今天，其灵活硬件电路设计和软件设计，让单片机得到了广泛应用，几乎是从小电子产品，到大工业控制，单片机都起到了举足轻重作用。单片机小系统构造几乎是所有具备可编程硬件一种缩影，可谓是“麻雀虽小，肝胆俱全”，单片机学习和研究是对微机系统学习和研究简捷途径。

2 设计总体方案
2.1 简要阐明
设计一种具备时分秒显示数字钟。
2.2 任务规定
(1) 具备正常走时基本功能；
(2) 具备校时功能（只进行分、时校时）；
(3) 具备整点报时功能；
(4) 信号产生电路采用石英晶体构成振荡器；
(5) 列出环节，画出设计逻辑电路图。
(6) 电路进行仿真、修改，使仿真成果达到设计规定；
(7) 装并测试电路逻辑功能。
2.3 基本原理
数字钟原理框图如图2-1所示，是由555多谐振荡器、分频器、秒、分、时计数器、译码器、显示屏和校时电路构成。555多谐振荡器产生信号通过度频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数成果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。

图2-1 数字钟原理框图
3 单元电路
3.1 振荡器设计
数字钟应具备原则时钟源，用它产生频率稳定1Hz脉冲信号，称为秒脉冲，因而振荡器是计时器核心。普通采用集成电路555定期器与RC构成多谐振荡器。
晶体振荡器给数字钟提供一种频率稳定精确方波信号，普通输出为方波数字式晶体振荡器普通有两类：一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成电路。
这里咱们采用555多谐振荡器。

图3-1 1000Hz NE555多谐振荡器

3.2分频器设计
由NE555构成多谐振荡器产生1KHz稳定脉冲信号，但是时钟电路需要1Hz秒脉冲信号，因此咱们采用由3个74HC161构成1000分频电路。

图3-2 74HC161分频器
3.3计数器设计
获得秒脉冲信号后，可依照60秒为1分，60分为1小时，24小时为一天规律计数。因而，计数器由“秒”、“分”、“时”计数器电路构成，“秒”，“分”计数器为六十进制加法计数器，时计数器为二十四进制加法计数器。

3.3.1六十进制加法计数器
采用两片中规模集成电路74LS160构成六十进制加法计数器，可运用74LS160异步清零端通过反馈归零办法来实现，也可运用74LS160同步置数端用置数法来实现。

图3-3-1 六十进制加法计数器

3.3.2二十四进制加法计数器
由两个74LS160和74LS00四2输入与非门构成二十四进制“时”计数器，个位与十位计数器均采用同步级联方式。选取十位计数器输出端和个位计数器输出端通过与非门控制两片计数器清零端，可实现二十四进制递增计数。

图3-3-2 二十四进制加法计数器
3.4 译码器和显示电路设计
译码是将给定代码进行翻译。计数器采用码制不同，译码电路也不同。译码和显示电路是将“秒”、“分”、“时”计数器中每块集成电路输出状态翻译成七段数码管能显示十进制数所规定电信号，然后经数码管，把相应数字显示出来。译码管有各种型号可以选取，如74LS248、74LS247等。

图3-4 译码器显示电路
3.5 校时电路设计
校时电路作用是当计时器刚接通电源或走时浮现误差时，实现对“时”、“分”、“秒”校准。在电路中设有正常计时和校准位置。校时电路可以采用手动校时或自动校时。
3.5.1 时、分时间校准电路
3.5.2 秒时间校准电路

图3-5 校时电路
4单元电路设计
4.1时间脉冲产生电路设计

图4-1 产生1Hz时间脉冲仿真电路图
4.2计数电路设计
秒、分计数器为60进制计数器。小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数计数器采用中规模集成计数器74LS160。
4.2.1 60进制计数器设计
“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。如图4.所示由74LS160构成60进制计数器。一方面将两片74LS160设立成十进制加法计数器，将两片计数器并行进位则最大可实现100进制计数器。现要设计一种60进制计数器，可运用“反馈清零”办法实现。当计数器输出“0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。

图 4-2-1 60进制计数器电路图
4.2.2 24进制计数器设计
同理当个位计数状态为“0100”，十位计数器状态为“0010” 时，规定计数器归零。

图 4-2-2 24进制计数器图

4.3 译码及驱动显示电路
译码电路功能是将“秒”、“分”、“时”计数器输出代码进行翻译，变成相应数字。用于驱动LED七段数码管译码器惯用有CD4511，CD4511是BCD-7段译码器，其输出是OC门输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。由CD4511和LED七段共阴极数码管构成一位数码显示电路如图 16 所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器每位输出分别接到相应七段译码器输入端，便可进行不同数字显示。

图 1-3译码及驱动显示电路图
4.4 校时电路设计
数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符进,需要依照原则时间进行校时。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”原理比较简朴，采用加速校时。
对校时电路规定是 :
1．在小时校正时不影响分和秒正常计数 。
2．在分校正时不影响秒和小时正常计数 。

如图所示，当开关打向下时，由于校正信号和0相与输出为0，而开关另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处在正常计时状态；当开关打向上时，状况正好与上述相反，这时校时电路处在校时状态。与非门可选74LS00，非门则可用与非门2个输入端并接来代替节约芯片。因而实际使用时，须对开关状态进行消除抖动解决，图17为加2个0.01uF电容。

图 4-4 校时电路图
4.5 报时电路
依照规定，电路应在整点准时报时，当时间到达一种整小时时，电路会发生一次蜂鸣提示。

图 4-5 报时电路图

4.6电路总图

图4-6 总电路图

5仿真成果及分析
5.1时钟成果仿真

图 2-1时钟成果仿真图
5.2星期电路成果仿真
星期电路原理和时分秒计时电路原理相似，选用74LS160做计数器，CD4511做译码显示功能，这里星期电路兼具调节功能，下方开关打至高电平，星期电路会自动跳动直至精确后再拨动开关。

图5-2 星期电路仿真图
5.3手电电路

图5-3 手电电路图
5.4测试成果分析
经测试之后，电路可以实现设计规定，可以实现数字钟基本功能，例如计数，如图22，同步多功能模块校时功能和报时功能都可以使用，如图24。基于仿真成果可以认定，本次多功能数字钟设计是成功。

总 结
数电课设即将结束，一星期课程设计给我留下了很深印象，电路设计比想象要复杂一点，并且会不时浮现某些小问题，而咱们解决一种个小问题过程就是咱们收获过程，大体电路设计完毕后咱们开始谋求扩展功能，涉及报时电路，星期电路和应急用小手电电路，都会让我为之兴奋，而仿真软件应用也确让咱们任性了一把，例如由于原件选取错误始终不能仿真。。而在总体电路设计完毕后还要分模块为焊接做准备，也让我对统筹规划有了进一步理解。而电路焊接就是对耐心细心动手考验了，在一种月黑风高夜晚，终于我么完毕了电路焊接，，，很高兴在这个布满创意数电课设上收获颇丰~~~

道谢
感谢高教师全力协助，感谢所有教师支持与厚爱！固然还要感谢我成员和我一起奋战在第一线！咱们一起经历过错败，挫折，但是咱们都克服掉了所有困难，最后终于见到了辛勤努力后彩虹！感谢人们！

参照文献
[1] [2] 何立民. 单片机系统设计. 北京航空航天大学出版社[M]. 1993.
[3] 姚行中，关林风. 微型计算机及外部设备惯用芯片手册[M]. 清华大学出版社。1999
[4] 康华光，电子技术基本（数字某些）.高等教诲出版社.
[5] 杨旭雷，张浩. 基于RS-485总线测控系统串行通信合同及软硬件实现[J].电气自动化. (2).

附录1
总电路图

附录2
元件清单
器件
型号
数量
数码显示屏
LG5011AH
7个
译码器
74HC4511
7个
计数器
74LS160
7个
定期器
NE555
1个
计数器（分频）
74HC161
3个
薄码开关
SW-SPDT
5个
蜂鸣器

1个
非门
74LS04
10个
或门
74LS32
5个
发光二极管

1个
或非门
74LS02
2个
与门
74LS08
3个
与非门
74LS00
4个
电阻
R=0.47K
2个
电容
1uf 0.01uf
2个