多功能数字钟数电课设.docx
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多功能数字钟数电课设
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
多功能数字钟的设计与实现
初始条件：
本设计既可以使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建多功能数字钟。
用数码管显示时间计数值。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
1）设计一个数字钟。
要求用六位数码管显示时间，格式为00：
00：
00。
2）具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。
3）有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。
4）设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，
5）具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。
6）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要3
Abstract4
绪论5
1仿真软件Proteus介绍6
1.1Proteus概述6
1.2Proteus功能特点6
2方案论证8
2.1方案一：
采用中小规模集成电路模块实现8
2.2方案二：
采用单片机构建数字钟系统8
2.3方案选择8
3总体电路设计9
3.1电路原理分析与设计9
3.2系统原理图9
4各模块电路分析10
4.1时钟脉冲发生器10
4.1.1方案一：
RC振荡器10
4.1.2方案二：
555定时器11
4.1.3方案三：
石英晶体振荡器13
4.1.4结论13
4.2译码显示电路14
4.3计数器电路16
4.3.1时计数电路17
4.3.2分计数电路18
4.3.3秒计数电路19
4.4校时电路部分19
4.4.1方案一：
快速脉冲法19
4.4.1方案二：
按键单脉冲法20
4.5整点报时电路21
4.6闹钟电路22
5总体电路设计与仿真24
5.1总体电路图24
5.2仿真结果分析24
6总结25
参考文献26
摘要
钟表一直以来都是国人钟爱的商品之一。
新中国成立以来，国家投入大量资金发展钟表工业，使这一产业得以快速发展，此后，中国的改革开放以及经济全球化发展给中国钟表业带来了繁荣。
经过几十年的发展，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大扩展了钟表原来的功能如：
按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开烘箱、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础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的钟表。
与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。
数字钟的设计方法有许多种，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等。
关键词：
数字钟时序电路计数器译码器
Abstract
Watcheshavealwaysbeenafavoriteofgoodspeople.SincethefoundingofNewChina,thestateinvestedheavilyinthedevelopmentofthewatchindustry,sothattherapiddevelopmentoftheindustry,afterthereformandopeningupandglobalizationofChina'seconomicdevelopmenttotheChinesewatchindustrybroughtprosperity.Afterdecadesofdevelopment,digitalwatchestopeoplelivingandproductionhasbroughtgreatconvenience,butalsogreatlyexpandedtheoriginaltimepiecefeaturessuchas:
automaticbellschedule,automaticallycontrolledtime,regularbroadcast,regularopeningandclosingthecircuit,opentheoventimer,poweroffthedeviceandevenavarietyoftimedelectricalautomaticallyenabled,allofwhicharebasedondigitalclocksintobase.Therefore,thestudyofdigitalclocksandexpanditsapplication,hasaveryrealsense.
DigitalClockisadigitalcircuittechnologytorealize,minutes,secondschronographwatch.Comparedwithmechanicalclockwithhigheraccuracyandintuitive,withalongerlife,hasbeenwidelyused.DigitalclockdesignTherearemanyways,suchassmallandmediumscaleintegratedcircuitsavailableelectronicclock,youcanalsouseadedicatedchipwithelectronicclockdisplaycircuitanditsperipheralcircuitscomposedofelectronicbellneeded,youcanalsousethemicrocontrollertoachievetheelectronicclockandsoon.
Keywords:
digitalclocktimingcircuitcounterdecoder
绪论
集成电路是信息产业和高新技术的核心，是推动国民经济和社会信息化的关键技术。
集成电路的产业规模和技术水平已成为国家综合国力的一个重要标志.集成电路有体积小、功耗小、功能多等优点，因此在许多电子设备中被广泛使用。
电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用，因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟，使其完成时间的显示及闹钟等功能。
本次设计以数字电子为主，分别对一秒时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示、整点报时、校时电路及闹钟电路进行设计，然后将它们组合，来完成时、分、秒的显示并且有整点报时和闹钟的功能。
并通过本次设计加深对数字电子技术的理解进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。
电路主要使用集成计数器，例如74LS160、译码集成电路，74ls48，LED数码管，CD4060，及各种门电路和基本的触发器等，很适合在日常生活中使用。
1仿真软件Proteus介绍
1.1Proteus概述
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。
1.2Proteus功能特点
在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台
随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。
使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。
实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。
因此，Proteus有较高的推广利用价值。
目前Proteus的最新版为8.0,ARMcortex处理器被增加，在7.10中已经增加DSP系列（TMS320）。
2方案论证
2.1方案一：
采用中小规模集成电路模块实现
采用中小规模集成电路如译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等搭建数字钟，实现24进制的时计数，60进制的分计数和秒计数。
同时用7段数码管显示出来。
计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序人工干预。
2.2方案二：
采用单片机构建数字钟系统
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用越来越普及了，并且由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，使单片机在电子和一些自动化行业中应用也越来越广泛了。
数字钟的组成模块主要由一个AT89C51单片机模块、用于放大信号来驱动数码管显示的SN74LS244N、用于显示时间的数码管显示模块、还有用于复位的按键部分，还有电源等部分组成。
2.3方案选择
比较以上两种方案，发现方案一较为灵活，可扩展性好，电路功能稳定。
能完整实现题目的要求。
同时制作起来比较方便。
因此决定采用方案一完成此次任务。
3总体电路设计
3.1电路原理分析与设计
该设计主要由以下几部分组成:
震荡器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路、整点报时电路还有闹钟电路。
数字钟数字显示部分，采用译码器与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。
要完成显示需要6个数码管，七段的数码管需要译码器才能正常显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。
计数器模块，60进制可由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz。
计数器的输出分别经译码器送倒显示器显示。
计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
整点报时电路利用逻辑门，使当各译码器输出满足整点时，蜂鸣器导通。
闹钟电路通过比较器比较当前时间与设计的闹钟时间，相等时同样蜂鸣器导通。
3.2系统原理图
图3-1
4各模块电路分析
4.1时钟脉冲发生器
4.1.1方案一：
RC振荡器
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4-1所示。
图4-1
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。
4.1.2方案二：
555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图如右图所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端TR。
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
高触发端TH。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555定时器电路如图4-2示。
图4-2
555定时器的功能表如下所示
表4-1
清零端
高触发端TH
低触发端TR
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
4.1.3方案三：
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。
这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC（线圈和电容）谐振回路、滤波器等。
由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。
因此可用石英晶体振荡器加上分频器电路组成时钟脉冲发生电路。
石英晶体振荡器如下图所示。
图4-3
4.1.4结论
经过比较，555定时器电路简单，性能稳定，且成本较低，易于实现。
因此采用此方案产生时钟脉冲。
4.2译码显示电路
数字钟的译码显示电路由译码器74LS48和共阴极LED七段显示数码管组成,为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出和数码管的输入之间串联一个100Ω的电阻。
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
74LS48是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，其引脚图如下：
图4-4
74LS48的真值表如下所示：
表4-2
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。
由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：
（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）
在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。
除DCBA=0000外，RBI也可以接低电平，见表1中1～16行。
（2）消隐功能（BI=0）
此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。
该功能主要用于多显示器的动态显示。
（3）灯测试功能（LT=0）
此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表1最后一行，与及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。
（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）
此时BI/RBO端也作为输出端，LT端输入高电平信号，RBI端输入低电平信号，若此时DCBA=0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。
DCBA≠0，则对显示无影响。
该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。
在显示电路部分采用七段发光数码管。
它可直接显示出译码器输出的十进制数。
七段发光二极管显示器的接法有共阳接法和共阴接法两种。
共阳接法就是把发光二极管的阳极都连在一起接到高电平上，输入低电平有效。
共阴接法则相反，它是把发光二极管的阴极都连在一起接地，输入高电平有效。
译码器与七段数码管的具体接法如下图所示
图4-5
4.3计数器电路
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24进制计数电路实现的。
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。
计数电路采用异步二-五-十进制计数器74LS290，它由一个一位二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。
如果计数脉冲由端CP0输入，输出由
端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CP1端输入，输出由
引出，即是五进制计数器；如果将
与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出由
引出，即得8421码十进制计数器。
74LS290的真值表如下图所示：
表4-3
由表可以看出，当复位输入R0
（1）=R0
（2）=1，且置位输入S9
（1）·S9
（2）=0时，74LS290的输出被直接置零；只要置位输入S9
（1）·S9
（2）=1，则74LS290的输出将被直接置9，即
=1001；只有同时满足R0
（1）·R0
（2）=0和S9
（1）·S9
（2）=0时，才能在计数脉冲（下降沿）作用下实现二-五-十进制加法计数。
4.3.1时计数电路
时计数电路为24进制，要求每计满24，就要重新开始计数。
可用一个2进制电路和一个10进制电路连接而成。
采用反馈清零法构建。
电路图如下所示：
图4-6
电路工作原理：
两个计数器的置九端都接地，放弃置九功能，低位片的CPA接到分计数器的进位端。
CPB接到低位片的QA，构成十进制计数器。
高位片的CPA接到低位片的QD上。
两块芯片的R01都接到高位片的QB上。
两块芯片的R02都接到低位片的QC上。
当计数器计到00100100即24时，计数器清零。
4.3.2分计数电路
“分”计数器电路是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5、6.所示由CD40192构成的60进制计数器。
首先将两片74LS90设置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进制的计数器。
现要设计一个60进制的计数器，可利用“反馈清零”的方法实现。
当计数器输出“QDQCQBQA、QDQCQBQA=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。
电路如下所示：
图4-7
将高位片的QBQ与QC信号引出，接到一个与门的输入端。
当两个引脚同时为高电平时。
与门输出“1”，可作为时计数器的进位段。
4.3.3秒计数电路
秒计数电路与分计数电路相同，都为60进制计数电路。
电路图如下所示：
图4-8
4.4校时电路部分
4.4.1方案一：
快速脉冲法
当电路运行产生误差时，就要用到校时电路。
对分
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