多功能数字电子钟课程设计要点.docx
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多功能数字电子钟课程设计要点
多
功
能
电
子
钟
的
设
计
课程名称：
电子技术课程设计
专业班级：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
********
同组成员：
指导教师：
完成时间：
2012.01.14
摘要
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。
对于那
对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。
数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。
而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。
数字钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。
在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。
数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。
任务要求………………………………………………………………
第一章、概述…………………………………………………………
第二章、主要论证与选择……………………………………………
第三章、原理方框图…………………………………………………
第四章、单元电路设计………………………………………………
第五章、仿真与分析…………………………………………………
第六章、结论…………………………………………………………
第七章、参考文献……………………………………………………
第八章、总结体会……………………………………………………
附录……………………………………………………………………
一、任务要求
1.设计内容及技术要求
设计一个多功能电子钟
基本要求
（1）.数字形式显示时，分，秒，在分和秒之间显示“：
”，并按1次一秒的速度闪烁；
（2）.每日以24小时为一个周期；
（3）.有校正功能，能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正；
（4）.电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路图用Multisim或PspiceAD9.2进行仿真，撰写设计报告。
发挥要求
（1）.有定时叫闹功能，能够按照任意预先设置的时间叫闹，驱动小型扬声器工作，并要求在叫闹状态能够手动消除叫闹；
（2）.其他功能
2.课程设计总结报告要求
（1）.题目
（2）.任务书
（3）.摘要
（4）.目录
（5）.概述（简要说明本设计的基本内容）
（6）.技术性能要求
（7）.分析技术要求，选择技术方案，确定原理方框图，分析工作原理
（8）.单元电路的设计（工作原理，元器件的选择，相关仿真波形）
（9）.电路原理图：
要求提交两份，一份为CAD/EAD软件绘制，另一份为手工绘制，图纸符合标准，电路图绘制要规范
（10）设计参考文献
（11）.附录（元器件明细表，需要专门说明或论述的问题）
（12）.总结及体会
3设计进度
（1）.时间：
三周
（2）.进度：
●第一周熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图。
●第二周单元电路设计，选择元器件，进行必要仿真，确定电路原理图。
●第三周画出电路原理图，撰写设计报告，答辩。
第一章、概述
一、数字电子钟的设计流程
根据设计要求建立一个多功能数字钟电路的组成框图，框图如下所示。
图1数字钟的组成框图
二、数字电子钟的工作原理。
数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。
它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有校时功能。
因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时”，“分”，“秒”和单片机，还有校时电路组成。
8个数码管的段选接到单片机的P0口，位选接到单片机的P2口。
数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元”，“秒单元”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。
“分单元”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时单元”。
“时单元”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。
显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来
第二章主要论证与选择
一、秒脉冲发生器
1.晶体振荡器
a：
晶体振器构成
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的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振荡器电路。
如图2所示晶体振荡电路框图：
图2晶体振荡电路框图
b：
晶体振荡器电路原理
在电路中，非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL1的频率选为32768Hz。
其中C1的值取5~20pF，C2为30pF。
C1作为校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度。
由于电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
2.分频器电路
分频器电路将32768Ｈz的高频方波信号经32768（
）次分频后得到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，为此电路输送一秒脉冲。
3.秒脉冲发生器
CD4060的10、11脚之间并接石英晶体和反馈电阻与其内部的反相器组成一个石英晶体振荡器。
电路产生的32768Hz的信号经过内部十四级分频后由3脚（Q14其分频系数为16384）输出脉冲频率为2Hz，再通过一个二分频器分频就得到了1Hz的时钟信号，也就是1S；CD4027为双JK触发器，其内部含有两个独立的JK触发器，其中16脚6脚（2J）5脚（2K）接电源，4脚（R2）7脚（S2）接地，3脚（CP2）输入2Hz脉冲信号，分频后的1Hz脉冲由1脚（Q2）输出。
图3秒脉冲发生器电路框图
第三章原理方框图
一、计数器
有了时间标准“秒”信号后，就可以根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个六十进制（秒、分）、一个二十四进制（时）的计数器。
将这些计数器适当连接，就可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。
1．74LS161构成秒、分的六十进制计数器
数字钟的“秒”、“分”信号产生电路都是由六十进制计数器构成，“时”信号产生电路为二十四进制计数器。
它们都可以用两个“可予制四位二进制异步清除”计数器来实现。
利用74LS161芯片的预置数功能，也可以构成不同进制的计数器。
因为一片74LS161内含有一个四位二进制异步清除计数器，因此需用两片74LS161就可以构成六十进制计数器了。
集成电路74LS161芯片的电路其中（如图4）CP为时钟脉冲输入端，D0、D1、D2、D3为预置数输入端，
为置数控制端，
为异步复位端，二者均为低电平有效；Q0、Q1、Q2、Q3为计数器的输出端。
图474LS161管脚排列图
a：
计数功能：
当
=
=CTP=CTT=1，CP=CP↑时，实现计数功能。
b：
同步并行置数功能：
当
=1时，预置控制端
=0，并且CP=CP↑时，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0，实现同步预置数功能。
c：
保持功能：
当
=
=1且CTP·CTT=0时，输出Q3Q2Q1Q0保持不变。
d：
异步清零功能：
当复位端
=0时，输出Q3Q2Q1Q0全为零，实现异步清零功能（又称复位功能）。
2.秒个位计数器
47LS161被接成十进制计数器，其置数输入端A、B、C、D（3脚4脚5脚6脚）接低电平，LD、EP、ET（9脚10脚7脚）接高电平，秒脉冲由CP（2脚）端输入。
计数器的输出端QA、QB、QC、QD（14脚13脚12脚11脚）接译码电路CD4511的输入端D、C、B、A。
当秒脉冲输入时，电路状态按二进制自然序列依次递增1，QA、QB、QC、QD输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，当输出为1010也就是10时，QA、QC输出都为1，经过一个与非门后一路经反相后送入或非门的一个输入端，输出送往计数器的清零端RD使秒计数器清零，另一路经反相后作为进位脉冲送入秒十位计数器的脉冲输入端。
3.秒十位计数器
在这里74LS161被接成六进制计数器，接法与秒个位计数器相同，秒个位计数器送来的进位脉冲送入秒使位计数器的脉冲输入端，使其按二进制自然序依次递增1，QA、QB、QC、QD端输出为0000、0001、0010、0011、0100、0101，当输出为0110也就是6时，QB、QC输出为1，QA、QD输出为0，QB、QC经过一个与非门后一路先送往秒十位计数器的清零端，然后取反接或非门的另一个输入端后送入秒个位计数器的清零端，将整个秒计数器清零，另一路经反相后作为进位脉冲送入分个位计数器的脉冲输入端。
分计数器的连接方法与秒计数器相同，分计数器向时计数器送进位脉冲。
秒、分的六十进制计数器的构成如图5所示：
图574LS161构成秒、分的六十进制计数器框图
原理：
由分计数器送来的进位脉冲送入时个位计数器，电路在分进位脉冲的作用下按二进制自然序依次递增1，当计数到24，这时小时个位输出0100（也就是4），小时十位输出0010（也就是2），小时十位计数器只有QC端有输出，小时个位计数器只有QB端有输出，将QC、QB端接一个二输入与非门，与非门输出一路先送入十位计数器的清零端然后取反送入或非门的另一个输入端，输出接小时个位计数器的清零端，其每10小时清零并向小时十位计数器送进位脉冲，当十位输出为二，小时个位输出为四时，将整个电路清零，另一路取反后作为星期进位脉冲送入星期显示电路的脉冲输入端，完成24小时的显示及向星期电路送星期进位脉冲的功能。
二十四进制计数器的构成如图6所示：
图674LS161构成小时的二十四进制计数器框图
第四章单元电路设计
一、校时电路
当时钟指示不准时，就需要校准时间。
校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。
由与非门构成的双稳态触发器，可以将1Hz的“计数器的进位信号”送至“计数器的CP端”。
其工作过程为：
当接通校时开关时，与非门输出一个低电平和一个高电平。
“计数器进位信号”通过“校时CP端”送至“计数器的CP端”，使“计数器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，当校时电路打到A时，秒计数器经过与非门，发出一个分计数脉冲，进行一次计数。
当校时电路打到B的分计时器CP是，开始进行校时，以达到准确的时间。
当校时电路打到C时，开始进行准确的校时，将校时开关打到D，时计数器可以接收到，由分计数发出的脉冲信号。
当校时开关打到E时，星期计数器能接收到，由时计数器发出的星期脉冲信号，此时对星期进行计数。
若将校时开关打到F时，也随即进行星期的校时，从而进行一次完整的校时，以达到了校时的目的。
其构成电路如下图8所示。
图8单次脉冲产生校时电路图
二、报时电路
数字钟整点报时是最基本的功能之一。
现在设计的电路要求在离整点差6秒时，每1秒钟鸣叫一次，共响6次，前五次为低音512Hz，最后一声为高音1024Hz。
当计时到59分时，与非门（59分）接通，同时校分与非门接通，经RS触发器，保持此状态，因此扬声器不发生。
当计时到59分54秒时，与非门（54秒）经RS触发器使其置零，在经与门与512HZ和成，一起送到扬声器，使扬声器发声，鸣叫5声后，当计数到59分59秒时，与非门（59秒）接通，经RS触发器在经非门与1024HZ频率，一同驱动扬声器，使其达到高音，此时报时完毕。
整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成。
控制门电路部分由与非门组成，分别表示“分十位”“分个位”“秒十位”和“秒个位”的状态，与计数器的四个触发器A、B、C、D相连。
音响电路采用射极输出器，推动8Ω的喇叭，三极管基极串接lkΩ限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，集电极串接51Ω限流电阻，三极管选用高频小功率管即可。
其构成如图9所示：
图9报时电路图
三、译码驱动及显示电路
电路由译码器集成电路CD4511、共阴极LED数码管组成。
计数器74LS161输出的为四位二进制数，经译码电路译码输出端控制LED管显示十进制数0~9。
译码显示电路选用BCD-7段锁存译码／驱动器CC4511。
七段显示数码管的外部引线排列如图10所示：
图10七段显示数码管的外部引线排列图
图11数码管的硬件连接示意图
CD4511是一个用于驱动共阴LED显示器的BCD码—七段码译码器，其引脚如图11所示：
图12CD4511引脚图
其功能介绍如下：
BI：
当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。
LT：
当BI=1，LT=0时，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。
DCBA：
为8421BCD码输入端。
abcdefg：
为译码输出，输出为高电平。
CD4511的EI、LI端接高电平，LE端接低电平，输入端D、C、B、A接74LS161的输出端QA、QB、QC、QD。
，其输出端a~f接数码管。
当数字钟的计数器在CP脉冲韵作用下，按60秒为1分、60分为1小时，‘24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号。
这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。
我们选用的计数器全部是二-十进制集成片，“秒”、“分”、“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态来反映的。
每组（四个）．输出的计数状态都按BCD代码以高低电平来表现。
因此，需经译码电路将计数器输出的BCD代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。
原理如图12所示：
图13译码显示电路
第五章仿真与分析
单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。
一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。
一、硬件调试
拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。
若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。
将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。
二、系统性能测试与功能说明
走时：
默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时-分分-秒秒”，有2个“-”动态显示，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。
走时调整：
先按K2键（P1.5）定位确定要调整哪位，然后按K3进行调整，按一下加一秒；按K3进行调整，按一下加一分；按K3进行调整，按一下加一小时，依次调整年月日，看走时是否正确，有无计时制设定错误，根据情况做相应调整，如此完成调试的目的。
闹钟设定与时间的设定类似只是设定的按键不同，可按照时间的设定方法设定闹钟并检验闹钟是否有用，蜂鸣器时否会发出响声。
三、系统时钟误差分析
本次设计的单片机电子钟系统中，其误差主要来源包括晶体频率误差，定时器溢出误差，延迟误差。
晶体频率产生震荡，容易产生走时误差；定时器溢出的时间误差，本应这一秒溢出，但却在下一秒溢出，造成走时误差；延迟时间过长或过短，都会造成与基准时间产生偏差，造成走时误差。
四、调试问题及解决
软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。
在Keil调试软件上逐个模块调试好自己显示子程序，闹钟定时子程序，报警子程序，查键子程序，有简到难，先把基本的走时做好，再在此基础之上加时钟切换程序，循序渐进，再把查键程序加进去进行调试看按自己的思路设计的程序是否行的通，做相应的修改，不要一口气把所有的功能程序加进去，这样会增加调试的工作量及难度，因程序长出错的地方可能就很多，不易查找出来，且整个程序的整合就有可能出现排序上的问题，而因程序跳转混乱造成设计部成功是有很大可能的，这就需要在设计初期就要将各个功能模块化做成子程序的形式，这样便于排错且更容易放进原先调好的程序里面。
第六章总结体会
我觉得在这次单片机的课程设计的过程中获益良多，在课程学习完毕的时候开始做课程设计，对书本上的知识还不太理解透彻，起初觉得很茫然，不知道该从哪里开始，于是从图书馆借了几本关于电子钟设计的书来看渐渐的找到感觉，第一次花了好几天构思写程序，其中还不时不时的查书查一些指令及其用法，很是浪费时间了，基础不做好后续工作难展开啊，就在编程的过程中慢慢的对课本知识进一步的学习、理解，通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，从而辅助动手能力，通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。
这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
由于我们所学的专业知识和自身的专业水平有限，设计当中有很多不足和缺点，希望老师给予批评指正。
第七章参考文献
1.孙建三《数字电子技术》北京机械工业出版社2006
2.杨爱琴《数字电路与逻辑》北京科技出版社2003
3.杨杰《数字电路》北京电子工业出版社2000
4.彭军《数字电路设计与制作》北京科学出版社2003
5.卢尔健《电路与电子技术》武汉科学技术出版社2004
6.薛华日《数字计数电路》北京人民邮电出版社1996
7.杨冰《数字电路设计与实践》武汉华东师范大学出版社1999
8.林存良《电子技术基础》北京人民教育出版社2008
附录
元件明细表
序号
名称
规格
数量
1
译码器
CD4511
6个
2
七段显示器
BS201
7个
3
触发器
边沿D触发器
4个
4
石英晶体
32768
1个
5
集成块
74LS161
6个
6
集成块
CD4511
7个
7
电容
22PF
1个
8
可变电容
3-22PF
1个
9
触发器
RS触发器
2个
10
电阻
1KΩ
1个
11
电阻
10KΩ
2个
12
电阻
22MΩ
1个
13
或门
74LS32
1个
14
与门
74LS08
6个
15
非门
74LS04
8个
16
与非门
74LS00
8个
17
与非门
74LS10
3个
18
与非门
74LS20
1个
19
扬声器
8W、2.5Ω
1个
20
三极管
8050
1个
21
开关
AZD1169
3个
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