设计制作电子时钟.doc
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设计制作简易数字钟
一、设计要求
1、设计一振荡源，用于产生1Hz的脉冲信号；
2、能完成从00时00分00秒到23时59分59秒走时，并实时显示时、分、秒；
3、具有手动校时、校分、校秒功能。
发挥部分：
具有正点报时功能。
要求在59分58秒开始报时，持续5秒钟。
二、总体设计方案
1、方案选择数字钟实际上是由一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路为主要部分构成的。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路来构成数字钟的标准时间基准信号。
数字钟的组成框图如下图所示。
数字钟计时周期是24，因此必须设置24计数器，秒、分、时由七段数码管显示。
为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的。
设计中采用状态机控制校时，通过切换开关用秒脉冲或手动按键产生脉冲先后对“时”“分”“秒”计数器进行校时操作。
2、数字钟的构成
（1）数字钟的构成：
振荡器、分频器、计数器、译码器、ＬＥＤ数码管显示器等几部分。
附加功能的实现还需采用T’触发器及与门和或门及蜂鸣器组成报时电路。
（2）数字钟的时、分、秒实际上就是由一个24进制计数器（00-23），两个60进制计数器（00-59）级联构成。
设计数字钟实际上就是计数器的级联。
（3）芯片选型：
由于24进制、60进制计数器均由集成计数器级联构成，且都包含有基本的十进制计数器，从设计简便考虑，芯片选择十进制计数器74LS390。
3、元器件列表：
型号74LS00、74LS04、74LS08、74LS21、74LS32、74LS47、74LS74、74LS86、74LS390、CD4068、CD4060、CD4511。
晶体管8050、510欧姆电阻、LED、轻触开关、自锁开关、蜂鸣器、10p电容、晶振32768、10M电阻。
三、系统工作原理
1、主计数部分原理图
图1主计数部分原理图
如图所示，用两个十进制计数器74LS390组成60进制计数器和24进制计数器，分别用于对分、秒和时的计数。
60进制计数器和24进制计数器均采用反馈清零法，当计数值到60或24时，其清零端CR=1，对计数值清零。
图中U11、U13、U15、U17A、U17B、Ui组成校时选通电路，用于选择校时位。
当校时控制信号 C1C2C3=111时，从分计数器来的溢出脉冲正常通过U13与门、U15异或门和U11非门，且相位与原进位溢出信号相同。
当C1C2C3=011时，与门Ui输出为零，U17A和U17B通过校时信号送至U15，因C1=0，故U13输出一直为零，将分溢出进位屏蔽，时计数信号为接入的校时信号。
后两级选通电路因C2C3=11，计数脉冲为正常时的脉冲信号（分计数脉冲来自秒溢出信号，秒计数脉冲为1Hz信号。
同理可知当 C1C2C3=101和C1C2C3=110时，可实现校分及校秒功能。
通过切换自锁开关还可选择校时信号来源，可为1Hz信号和手动按键产生的脉冲信号。
校时控制信号和脉冲产生信号由下面的电路产生。
2、信号产生电路及控制信号产生电路
图2控制信号和校时信号产生电路
本校时电路采用状态机校时方案，目地是只需通过一个按键便实现校时位选择功能。
状态机由RS触发器74LS74、74LS04和74LS21组成，它的四个状态分别为111、011、101、110，状态机输出接至上述主计数电路的C1C1C3输入端。
由上面的叙述知，这四个状态即可对时钟进行不校时、校时、校分和校秒操作。
状态机的状态改变由按键SS2实现，按键之后，状态机的输出便在四个状态之间转换。
按键S2用于对状态机的复位，按键S2后状态机的输出为111。
它的实用意义在于，当校时或校分而不需校其他位时，可直接按键S2，否则将通过按键SS2来使状态机回到111状态，这势必会对其他位的数值产生影响。
而设置复位按键后则不存在上述影响。
状态机状态转换表如下：
CP
RESET
当前状态（C1C2C3）
下一状态（C1C2C3）
↑
1
111
011
↑
1
011
101
↑
1
101
110
↑
1
110
111
x
0
xxx
111
按键SS1的作用是产生手动校时信号，用于手动校时。
图3秒脉冲及1024Hz信号产生电路
电路采用32768Hz晶振，经CD4060分频后输出2Hz信号，再由74LS74组成的D触发器对2Hz信号分频产生所需的1Hz秒脉冲信号。
从CD4060的5脚输出的1024Hz信号用于驱动整点报时电路中的蜂鸣器。
3、显示部分
显示部分由图1中的BCD译码电路和下图中的数码管组成。
由于所买器件的限制，译码器的时和分译码采用CD4511，秒译码采用74LS47。
对应的，数码管使用四个共阴数码管和两个共阳数码管。
译码器的输出接510欧姆限流电阻至数码管。
对于小时的显示，当数值不足10时，由于两个与门的输出为零，可将高位不需显示的0灭掉。
图4显示部分
4、整点报时电路
整点报时电路原理：
采用T’触发器。
在此之前U13C输出低电平，当计数至59分58秒时，U13C输出一高电平，对应的，US9的CLK输入端有一上升沿，从而触发器输出反转为高电平，打开UiB与门，蜂鸣器在1Hz和1024Hz信号的驱动下，有规律地鸣响。
当计数为00分03秒时，U13C输出一高电平，CLK再次出现一上升沿，输出反转为低电平，蜂鸣器关闭，从而实现整点5秒报时功能。
其中自锁开关SQ可控制蜂鸣器的开关，在不希望整点报时时关闭报时功能。
由于74芯片输出为高点平时的拉电流很小，不能直接驱动蜂鸣器，故还需加入一晶体管8050对输出扩流。
图5整点报时电路
四、制板及元件的安装调试
由于元件多，而且大多是芯片，加之数码管的布线困难，在第一次PCB布板失败后，我将原理图分为了三个部分——主计数部分、校时控制和信号产生部分及显示部分。
由于连线复杂，制作前两个部分时PCB采用了双面板。
制板后，焊接元件，由于元件多，而且过孔也多，焊接之后初次调试不成功，连基本的计数功能都不能实现。
我又用了几乎一天的时间来差错，共查出在顶层的三处漏焊。
用导线连接后，可以正常计数显示和报时。
原理图设计失误：
绘制原理图时误将74LS390的清零认为是低电平有效，从而导致对结果的手动清零功能未能实现，当按下主计数部分左侧的按键时，计数器的计数功能成为100进制计数器。
从理论上的改进如下图，平时键S1未按下，与非门 U0A输出为正常的清零信号，当按下S1时，不论U10C输出为什么，U0A输出均为高电平，从而实现手动
清零。
图6计数器的手动清零改进电路
五、心得体会
此时钟电路的原理图设计完全由自己完成，在设计的过程中遇到的问题都顺利解决了。
比如校时信号的选通电路和状态机的输出接入主计数器的方式。
通过此次设计制作，我对74系列和CD系列芯片的使用及电气特性有了更见深入的认识。
对这些芯片的常用应用电路也有了大致的认识。
动手方面，对于双面板的焊接方式和注意事项也了一定的了解。
这次在焊接时虽然漏焊了三个点，但是我还是通过不断的检查查处了错误所在，所以对这次课程设计的结果还是比较满意的。
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