多功能数字钟的设计与仿真.docx

1、多功能数字钟的设计与仿真绪论12Pru软件介绍23数字钟得原理框图电路得设计4、1主体电路得设计54、1秒脉冲电路得设计54、1、2计时及状态转换功能得实现、1、3译码与显示电路得设计4、1、4校时电路得设计14、5主体电路图11、2功能扩展电路得设计124、2、1定时控制电路得设计1、2、2整点报时电路得设计154、3整体电路得设计7整体电路得仿真1电路功能测试以及常见问题解决本法26、1电路功能测试206、2常见问题解决办法 07元件清单18 心得体会229参考文献23多功能数字钟得设计1、绪论数字钟就是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时得装置,与机械式时钟相比具有更高得准确性与直观性,

2、且无机械装置，具有更长得使用寿命，并且可以实现更多得功能，如：定时控制、整点报时、闹钟、触摸报整点时数等，在现实生活中，各种数字钟已得到了非常广泛得使用。数字钟得设计方法有许多种，例如，可用中小规模集成电路组成数字钟，也还可以利用单片机来实现数字钟等.这些方法都各有其特点,其中利用中小规模集成电路组建数字钟,原理简单,但由于集成电路集成度有限，对于需要实现较多功能得电路设计比较复杂，对于制作者焊接与布线有较高得要求。用单片机实现得电子钟具有结构简单，并便于功能得扩展,但需要涉及到汇编以及C语言编写程序,对设计者有较高得要求。本次设计为用中小规模集成电路组成数字钟.2、rous软件介绍Prote

3、us软件就是一种低投资得电子设计自动化软件，提供可仿真数字与模拟、交流与直流等数千种元器件与多达30多个元件库.roteu软件提供多种现实存在得虚拟仪器仪表。此外，Proteu还提供图形显示功能,可以将线路上变化得信号，以图形得方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想得参数指标，例如极高得输入阻抗、极低得输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果得影响，Preus软件提供丰富得测试信号用于电路得测试。这些测试信号包括模拟信号与数字信号.提供SematiDrwi、SPIE仿真与CB设计功能,同时可以仿真单片机与周边设备，可以仿真5系列、AV、PI等常用得CU，并提供周边设备得仿真，例如33、led、

4、示波器等。Proteus提供了大量得元件库,有M、ROM、键盘、马达、D、LC、AD/DA、部分PI器件、部分IIC器件,编译方面支持Keil与MLA等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程,就可相当于一个设备先进得实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善得虚拟实验室.在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等.1）proe得工作过程 运行proteus得ISI程序后，进入该仿真软件得主界面.在工作前,要设置viw菜单下得捕捉对齐与ssem下得颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中得p（从库中选择元件命令)命令,在pc

5、kevices窗口中选择电路所需得元件，放置元件并调整其相对位置,元件参数设置，元器件间连线,编写程序；在surce菜单得eiedeneratonools菜单命令下，选择程序编译得工具、路径、扩展名等项目；在souce菜单得Add/removeoureiles命令下,加入单片机硬件电路得对应程序；通过dbu菜单得相应命令仿真程序与电路得运行情况. 2)Proteus软件所提供得元件资源Ptus软件所提供了3多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字与模拟、交流与直流等。3)rteus软件所提供得仪表资源 对于一个仿真软件或实验室，测试得仪器仪表得数量、类型与质量，就是衡量实验室就是否合格得一个关键

6、因素。在rotus软件包中，不存在同类仪表使用数量得问题。roteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化得信号，以图形得方式实时地显示出来,其作用与示波器相似但功能更多。 4）Prteus软件所提供得调试手段 Pres提供了比较丰富得测试信号用于电路得测试.这些测试信号包括模拟信号与数字信号。对于单片机硬件电路与软件得调试,Prus提供了两种方法：一种就是系统总体执行效果，一种就是对软件得分步调试以瞧具体得执行情况. 对于总体执行效果得调试方法，只需要执行dg菜单下得exute菜单项或F2快捷键启动执行，用debug菜单下得pauseaimation菜单项或ps键暂停系统得运行;或用d

7、u菜单下得stopmaton菜单项或shif-rak组合键停止系统得运行。其运行方式也可以选择工具栏中得相应工具进行. 对于软件得分步调试,应先执行ebg菜单下得star/retartdebuggig菜单项命令,此时可以选择sepover、tpinto与spot命令执行程序(可以用快捷键F10、1与ctrl+F11),执行得效果就是单句执行、进入子程序执行与跳出子程序执行。在执行了tat/retrebugin命令后,在du菜单得下面要出现仿真中所涉及到得软件列表与单片机得系统资源等,可供调试时分析与查瞧。 3、数字钟得原理框图根据设计要求，可建立数字钟系统组成框图，如图3-1所示，数字中电路系

8、统由主体电路与扩展电路两大部分组成,其中，主体电路完成数字钟得基本计数功能,扩展电路完成数字钟得定时、整点报时扩展功能。图3- 数字钟原理框图该系统得工作原理就是:用振荡器产生得高脉冲信号作为数字钟得秒脉冲发生器,秒脉冲接入秒计数器，秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“翻”得规律计数.计数器得输出经译码器送显示器。计时与实际时间出现误差时电路可以进行校时、校分.扩展电路得整点报时与闹钟功能必须在主体电路正常运行得情况下才能实现。4、电路得设计4、1主体电路得设计主体电路就是由功能部件与单元电路组成得,在设计这些电路与选择元器件时，尽量

9、选用同类型得元器件,考虑到COS集成电路得承受能力,最好选用TTL集成芯片，整个电路选用芯片应尽可能得少.下面介绍各功能部件与单元电路得设计.4、1、1秒脉冲电路得设计数字电路中秒脉冲发生器就是由振荡器产生得,振荡器就是数字钟得核心,振荡器得稳定度及频率得精度决定了数字钟计时得准确程度。一般电路中振荡器可由石英晶体振荡器或者555振荡器构成，下面将分别介绍这两种振荡器。1)石英晶体振荡器如图41所示，振荡器可由以下石英晶体振荡器构成，石英晶体振荡器震荡频率有石英晶体得频率决定，石英晶体振荡器具有振荡频率精确度高得特点,但由于其起振就是由外界干扰产生得，仿真为理想条件,故仿真中无输出波形,得到波

10、形后,还需再分频已得到所需频率波形。图-石英晶体振荡器 图- 55振荡器)555振荡器如图42所示，振荡器由555与R、C组成得多些振荡器,由5多些振荡器振荡频率公式可得将、R、R0、RP取适当得值即可得到频率为1H得秒脉冲。且RP具有微调电路工作频率得功能,本电路可产生比较精确得脉冲.本次设计采用55振荡器构成秒脉冲发生器。4、1、2时分秒计数器得设计数字钟得计数电路就是用两个六十进制计数电路与24进制计数电路实现得。数字钟得计数电路得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，实现相应模得循环计数.以60进制为例，当计数器从0,0

11、，0，,9计数时,反馈门不起作用,只有当第6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得循环计数。下面将分别介绍60进制分秒计数器与24进制小时计数器。1)60进制计数器，电路图如图4-3所示图 60进制计数器电路由两片7490与一个与门构成，分别为60进制计数器得十位与个位，十位为六进制,个位为十进制，两者级联构成6进制计数器.当计数器达到5时,在下一个秒脉冲作用下实现反馈清零，电路重新开始下一轮计数。下面对74LS90集成电路加以说明.74LS90就是二五十进制计数器,它有两个时钟输入端PA与CB。其中,CPA与组成一位二进制计数器;CPB与组成五进制计数器；若将与相连接,时

12、钟脉冲从输入,则构成了821BD码十进制计数器。4S90有两个清零端R0（1)、R0（2)，两个置端R9（1)与(2）,且均为高电平有效，本次设计即利用清零端实现六进制。74LS90得管脚图如图4-4所示，其BC码十进制计数时序如表4-5,二-五混合进制计数时序如表4-。图44 LS90管脚图表45 BC码十进制计数时序 表4 二五混合进制计数时序2）24进制计数器用Ls90设计24进制电路与6进制电路原理基本相同，只就是把原来清零改为目前24清零即可,电路如图47所示图47 24进制电路工作原理与60进制计数部分基本相同，只就是当计数器达到23时,在下一个分进位脉冲作用下实现反馈清零,重新开

13、始下一轮计数4、1、 译码与显示电路得设计译码与显示电路如图8所示图48译码与显示电路电路得工作原理：译码就是编码得反过程，译码器就是将输入得二进制代码翻译成相应得输出信号以表示编码时所赋予原意得电路。常用得集成译码器有二进制译码器、二十制译码器与BCD-7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出得结果。电路中得主要元件及功能介绍：1）译码器7L4译码器就是一个多输入、多输出得组合逻辑电路。它得工作就是把给定得代码进行“翻译”,变成相应得状态，使输出通道中相应得一路有信号输出.译码器在数字系统中有广泛得用途,不仅用于代码得转换、终端得数字显示,还用于数字分配,存储器寻址与组合控制信号等。译码器可

14、以分为通用译码器与显示译码器两大类.在本电路中用得译码器就是共阴极译码器7L4，用74LS8把输入得421BC码ABD译成七段输出ag，再由七段数码管显示相应得数。 74LS48得管脚图如图4。在管脚图中,管脚LT、RB、BI/RO都就是低电平就是起作用，作用分别为：LT为灯测检查，用可检查七段显示器个字段就是否能正常被点燃。BI就是灭灯输入，可以使显示灯熄灭.BI就是灭零输入,可以按照需要将显示得零予以熄灭.B/RO就是共用输出端，RBO称为灭零输出端,可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时,把多余零位熄灭掉,以提高视图得清晰度。也可用共阴译码器74LS28，CD451。图49 74

15、L8管脚图（2）显示器SM4205N在此电路图中所用得显示器就是共阴极形式,阴极必须接地。S425得管脚功能图如图-1所示图4-0SM425管脚图、1、4校时电路得设计校时电路得作用就是:当数字钟接通电源或者出现误差时，校正时间。校时就是数字钟应具有得基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能.为了使电路简单，在此设计中只进行分与小时得校时。校时电路如图41所示。校时电路工作原理:设计要求电路校时时,应不影响原电路正常工作。当单刀双掷开关SW1拨至上端时，SR触发器输出为“0”，与非门16:A与U16：被截止，按钮开关1与按钮开关2产生得脉冲电平被屏蔽，此时电路能正常工作，且校时功能不起作

16、用,此功能可用来防止因错误操作而导致时钟出错。当W1拨至下端时，R触发器输出为“” 与非门U6:A与U16：打开，在无按钮开关1与按钮开关2产生得脉冲电平时，非门1：A与1：B输出“,此时电路正常工作,在按钮开关或按钮开关2按下并松开瞬间,U16：A与1:B输出“，经过异或门之后,即可产生脉冲,即实现了电路得校时功能,且不影响电路正常工作。按钮开关1与按钮开关分别控制时校时与分校时。图4-11 校时电路4、1、5主体电路图主体电路图如图412所示图12 主体电路图4、2功能扩展电路得设计4、2、1定时控制电路得设计设计要求:电路具有显示闹钟定时时间功能，当电路到达设定得时刻时发出闹钟信号，持续

17、时间为一分钟,一分钟过后，闹钟停止,数字钟继续记时。且具有电路止闹功能，即闹钟时可以使闹钟停止，也可提前将停止闹钟功能，使电路不再闹时。设计思路：定时电路得控制应由三部分组成，一部分由计数器在外界人工操作下设置闹钟时刻，一部分由锁存电路构成，锁存计数器设置得时刻，第三部分由比较报时电路构成,由设计要求可知，当比较器输入得闹钟得时分与数字钟基本电路得时分时刻相同时比较发出闹钟信号，驱动蜂鸣器或发光二极管发出声或光闹钟信号1）闹钟时刻设置部分闹钟部分电路图如图4-13所示图413 闹钟时刻设置电路工作原理说明:闹钟时刻只有时与分,其工作原理与基本电路得校时电路完全相同.在单刀双掷开关拨至下面时，按

18、钮开关分别控制时与分得定时时刻设置.2)锁存部分锁存部分电路如图4-4所示图- 锁存部分电路工作原理:锁存器74LS73为八输入锁存器当使能端OE为“0时且LE为“1输出等于输入Dn,当E为“”时锁存器输出高阻态可以通过开关SW控制锁存器得片选功能，使显示器显示闹钟定时时刻或者数字钟正常时间。图中当开关拨至上端时,显示正常时间,开关拨至下端时,显示器显示闹钟定时时刻。图415与46分别为锁存器74LS373得功能表与管脚图。图454S73功能表图4- 74LS373管脚图.3)比较报时部分比较报时部分电路如图4-7所示图4-17比较报时部分电路如图417工作原理:分别把闹钟定时时刻与始终时刻输

19、入两片比较器74LS85中当且仅当两片输入时与分相等时QAB输出“1”,此时驱动扬声器发声，发光二极管发光。可持续一分钟，直到时钟秒进位,时钟分钟加1。闹钟到时间时，断开开关,则闹钟停止,次开关可以控制闹钟得断与开。图4-1与41分别为锁存器74LS373得管脚图与功能表。图4-8 7LS7管脚图图4-19 74LS373功能表4、2、整点报时电路得设计设计要求：要求电路具有整点报时功能，当时钟电路为9分时，从0秒开始,每隔一秒钟响一次直到进位变为00分.设计思路：可利用一与门将时钟分5为“”得输出端与秒十位为时为“1”得输出端与时钟脉冲信号与在一起，当条件符合时，电路即可以报时,报时信号可以

20、就是声音报时与光报时两种。整点报时电路如图40所示图4- 整点报时电路工作原理：在秒脉冲作用下,电路开始正常计数。当计数达到9分50秒时，在秒脉冲作用下,与非门输入全为“1此时与非门输出“0”，经反相器后输出为“”,高电平驱动扬声器发出声音,同时发光二极管开始发光,发出整点报时信号.由于接入秒脉冲信号，扬声器发声与发光二极管得工作频率均为1z,持续10秒钟后，停止整点报时。图中所用74LS30、74LS0、74LS04管脚图分别如图42、4-22、4-所示。图4-1 4L30管脚图图42 74LS08管脚图图23 74L0管脚图4、3整体电路得设计将以上主体电路与扩展电路经过适当得排列，组合连

21、接为整体电路图,整体电路图如图4-24所示图-24 整体电路图5、整体电路得仿真用Proteu软件绘制好电路图,开始运行，经过多次调试与改装,电路终于能正常运行,并实现设计要求所有功能。图5-1为仿真运行过程中显示部分图。图1 仿真运行过程中显示图6、电路功能测试以及常见问题解决本法6、1电路功能测试按照设计要求,逐项测试电路功能1)数字钟计数功能测试:接通电源,在秒脉冲得作用下，电路开始计数，且时、分、秒分别为24、60、6进制。计数功能符合设计要求.)校时功能测试：在显示时钟时间时,按动时钟调时、时钟调分按钮开关时,时、分均可以调节，且不按动时,计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。）

22、整点报时功能测试:电路基数时，当时钟到达59分50秒时,电路发出整点报时信号，频率为Hz，持续0秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。4）闹钟功能测试:切换显示开关,使显示器显示闹钟时刻,通过定时开关调节定时得时与分，当时钟到达定时时刻时，扬声器响起，发光二极管发光，频率均为1z。闹钟时间为分钟。断开闹钟控制开关，闹钟停止.切换显示开关至时钟部分,时钟部分能继续正常工作。闹钟功能符合设计要求。6、2常见问题解决办法由于不熟悉本设计电路构造，经常会有一些误操作导致不能得到想要结果，这里特此列举出一些常见问题及其解决办法。1）操作时钟调校正按钮时,显示器显示数据不改变,且到0秒时分位依然不改

23、变，解决办法：此时显示器显示得时间为闹钟时间应切换显示开关,再调节校正按钮即可.2）显示开关已切换至时钟显示，操作时钟调校正按钮时,显示器显示数据依然不改变，分、时电路可以正常进位。解决办法：此时校时开关处于锁定状态,不能校时,切换校时开关即可解决问题。3）定时电路可以正常定时,时钟电路也可以正常计时,但当时钟到达定时时刻时,没有闹钟信号发出，扬声器没有声音，发光二极管不发光，且此时正点报时也不起作用。解决办法:此时闹钟控制开关处于断开状态,把此开关闭合问题即得到解决。7、元件清单原件规格数量电阻10K1个2K1个电容0、1uF1个10uF1个电位器1K1个发光二极管1个蜂鸣器1个开关按键开关4个普通开关1个单刀双掷开关3个集成电路74LS002片74LS041片74L0片4L301片74LS374片74S86片74LS854片7S861片74LS9010片551片数码管7段共阴数码管块8、心得体会、参考文献1康华光.电子技术基础（数字部分).武汉:高等教育出版社，206、12谢自美、 电子线路设计试验测试(第三版）、武汉：华中科技大学出版社, 、8吕思忠 施齐云、 数字电路实验与课程设计、 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,20、94 杨颂华冯毛官、 数字电子技术基础、 西安：西安电子科技大学出版社,2003、3曹昕燕、DA实验与课程设计、 北京：清华大学出版社,6、5