杨金宝多功能数字时钟的设计的说明书Word文档下载推荐.docx

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2.3.5校时单元电路设计12

2.3.6整点报时的设计13

2.3.7.电源电路的设计14

三．系统仿真16

总仿真图12所示16

四．电路安装、调试与测试18

4.1电路安装焊接18

4.2电路的调试19

4.2.1数码管的调试19

4.2.2各个部分的调试。

19

4.2.3总电路的调试21

4.3电路测试21

4.3.1功能测试21

4.3.2性能测试21

五、结论21

六、参考文献22

附录：

25

1.器件清单25

2.用到器件的管脚图25

3.电路调试的实物图28

摘要

电子钟是采用数字电路实现对时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品，因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

这份设计报告主要介绍了一种以555定时器与RC构成为脉冲信号，以74ls161为主体，以数码管为显示器件的数字钟电路的设计。

电子钟用555定时器与RC组成的多谐振荡器为脉冲信号，频率为1Hz。

其主体分两个部分，计时电路和校时电路。

计时电路以数字形式显示时、分、秒，其中秒和分为60进制，时为12进制，校时电路可对分和时进行校时，当达到整点时会自动报时

关键词：

数字钟、校时、555定时器、整点报时

一、设计任务和要求

1.1设计任务

设计一个多功能电子钟并制作完成

1、数字形式显示时、分、秒，在分和秒之间显示“：

”，并按1次/秒的速度闪烁；

2、每日以24小时为一个记时周期；

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；

5、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

整点时刻通过扬声器给出提示。

2.1系统基本要求

数字电子钟的设计方法很多种，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。

在本设计中电路是由中小规模集成电路组成多功能电子时钟，对于一个具有计时、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等六部分组成。

用石英晶体振荡器或通过555定时器构成振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码，并通过显示器显示时间。

2.2系统方案设计

2.2.1总体设计原理方框图

如下图1：

图1.多功能电子钟系统组成框图

2.2.2系统工作原理

由振荡器产生的稳定的标准秒脉冲作为数字时钟的时间基准。

秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按照24进1的规律计数。

计数器的输出经译码器送显示器。

计时出现误差时可以用校时电路进行校时。

1）振荡器电路：

通过555定时器构成1Hz秒脉冲或通过石英晶体振荡器通过分频得到1Hz的秒脉冲

2）时间计数器电路：

时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。

3）译码驱动电路：

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。

4）校时电路：

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。

5）整点报时电路：

在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波。

6）直流稳压电源：

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电

它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

本设计采用的直流稳压电源，输入为220V的交流电，输出为5V左右的稳定电压。

2.3系统的单元电路设计

2.3.1秒脉冲电路

1.方案选择

方案一晶体震振荡器电路

采用石英晶体振荡器。

使用振荡频率为32768Hz的石英晶体和反向器构成一个稳定性好、精度高的时间信号源。

改变电容C可以对振荡器的频率进行微调，再通过一个反相器，输出32768Hz的方波，将此方波的频率进行15次二分频后，在输出端刚好可得到频率为1Hz的脉冲信号。

方案二555振荡器电路

采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。

（比较）振荡器是计时器的核心，其作用是产生一个标准频率的脉冲信号，秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，但考虑到本设计电路有相关校时电路且用石音晶体振荡电路时分频电路用的元件较多且价格较贵，用555构成的电路元件容易得，电路简单且易于实现，故选方案二

2.电路参数的选择

采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。

输出的脉冲频率为

1Hz，（2-1）

周期T

1s。

由于脉冲的占空比对系统的影响不大，故把占空比设计为2/3。

由555定时器的特性参数可知，当电源电压取5V时，在100mA时的输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取Vcc=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。

由

（2-2）

故可得到R1=R2

又有T=1s，若取C=

，则代入上式得到

3R1Cln2=1

于是

（2-3）

因R1=R2，所以选择两只

的电阻与一个

的电位器串联即可达到设计的要求，通过改变相应的电阻可使频率微调，不必使用分频器来对高频信号进行分频使电路复杂。

3.电路的设计如图2所示：

图2555定时器和RC组成构成的秒信号发生器

2.3.2时间计数器电路

1.芯片的选择

常见的TTL型MSI计数器有74LS160、74LS161、74LS163、74LS90、74LS193等，考虑到设计成本的限制以及常见性选择74LS161最为合理。

2.芯片的介绍

74LS161为可预置的4位二进制同步计数器，74LS161的清除端是异步的。

当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。

74LS161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。

关于更详细的介绍请查看相关的数据手册，在此不再赘述。

其引脚图见附录2。

3.计数电路设计时

时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。

时计数单元一般为24进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；

分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。

1）60进制计数器

由74ls161构成的60进制计数器，将一片74ls161设计成10进制加法计数器，另一片设计成6进制加法计数器。

两片74ls161按反馈清零法串接而成。

秒/分计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。

下图3所示电路即可作为秒/分计数器。

图3秒/时计数器电路

2）24进制计数器

由74ls161构成的二十四进制计数器，将一片74ls161设计成四进制加法计数器，另一片设置二进制加法计数器。

即个位计数状态为QdQcQbQa=0100，十位计数状态为QdQcQbQa=0010时，要求计数器归零。

通过把个位Qc、十位Qb相与非后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，另外还要考虑一个问题就是个位还必须达到10后向十位进位，如下图4构成24进制计数器。

电路图如下:

图424进制计数器

”的设计

1.发光二极管的限流电阻的选择。

不能让LED一直工作在最大额定值。

所以正向电流IF≤最大额定值（一般是30mA）。

根据常识我们可以知道，电流大，LED发光强，但消耗的功率大。

电流小，LED发光小，消耗的功率小。

通常电路用LED是做指示用途，电路的总体功耗要控制，不能都消耗在指示灯上，当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求，并且最好要有富裕。

所以这个LED的正向电流我们选取20mA，正向压降为3.3V。

限流电阻可以根据下式计算：

限流电阻=（电源电压-LED正向稳压电压）/要求的工作电流

选取IF=20mA，VF=3.3V，电源电压Vcc=5V:

限流电阻=（5V-3.3V）/20mA=85

故本设计电路中选择85*2=170

180

2.电路原理图

在秒计数器的前面加两个，采用两只发光二极管的串联，并加上180

的限流电阻，共阳极接高电平，共阴极接到秒脉冲的输出端，则两个发光二极管按1次/秒的速度闪烁；

在分计数器前面加两只发光二极管，阳极接高电平并加上180

，阴极接低电平，则两只二极管一支处于点亮状态。

电路图5如下所示

图5显示“：

”电路的原理图

2.3.4.译码驱动及显示单元电路设计

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。

常用的7段译码显示驱动器有74LS48，CD4511等

1）数码管简介

数码管是由八只发光二极管组成（其中一只显示小数点）。

工作时，要求发光二极管的公共阴极接地。

当某一发光二极管阳极加上高电平时，相应的发光二极管导通，这一段（或点）就会发光。

若要显示十进制数的十个数码0~9，只要在相应的字段阳极上加上高电平即可。

例如，要显示5时，则应在a,c,d,f,g各段阳极上加上高电平。

为限制个发光二极管的电流，可在它们的公共阴极上串联一只300Ω左右的限流电阻。

2）CD4511芯片简介

CD4511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，可直接驱动LED显示器。

CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。

其详细参数请查看相关的数据手册，不再赘述，其引脚图见附录2。

CD4511也是一种BCD-7段显示译码器，它属于CMOS器件，高电平输出电流可达25mA。

该器件用于驱动共阴极7段LED数码管。

3）限流电阻的选择，数码管点亮的电流值一般为3mA左右，正常工作电流范围为3～10mA，超过10mA的话会烧坏数码管。

一般情况下红色的发光二极管点亮是的压降值是1.7V，故限流电阻的大小为

在本设计中需要数码管较亮的显示，选取

的电阻

4）基本电路图

选用共阴极数码管，对于CD4511，它与数码管的基本连接方式如下图6：

图6CD4511与数码管的基本连接方式

2.3.5校时单元电路设计

通常，校正时间的方法是：

首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。

校“秒”时，采用等待校时，校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速（校时电路）校时。

对校时电路的要求是:

●在小时校正时不影响分和秒的正常计数。

●在分校正时不影响秒和小时的正常计数。

校正电路如下图6所示，本校准电路由基本RS触发器和“与”非门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，还起到了防抖动作用。

未拨动开关J1时，“与非”门U2B的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。

拨动开关J1时，“与非”门U6B的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。

秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。

校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。

小时的校正同理。

图7校正电路图

本电路的防抖分析：

在按压按键时，由于机械开关的接触抖动，往往在几十毫秒内电压会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号。

显然，用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作。

在本设计中将会出现“乱码”的状况。

如上图7所示。

S＝0，R＝l，可得出Q＝l，

＝0。

当按压按键时，S＝l，R＝0，可得出Q＝0，

＝1，改变了输出信号Q的状态。

若由于机械开关的接触抖动，则R的状态会在0和1之间变化多次，若R＝l，由于Q＝0，因此U2B门仍然是“有低出高”，不会影响输出的状态。

同理，当松开按键时，S端出现的接触抖动亦不会影响输出的状态。

因此，图7所示的电路，开关每按压一次，Q点的输出信号仅发生一次变化。

2.3.6整点报时的设计

一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。

其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。

按题目要求，本设计利用一个八输入与们，当分秒为59分54秒时，控制蜂鸣器响，电路如图8所示：

图8整点报时的设计的电路图

1）选蜂鸣器为电声器件，蜂鸣器是一种压电电声器件，当其两端加上一个直流电压时酒会发出鸣叫声，两个输入端是极性的，其较长引脚应与高电位相连，图8的三极管时为了驱动蜂鸣器。

2）三极管S8050的参数参见其数据手册，引脚图见附录。

三级管集电极用22

电阻作用是限制电流，基极的1K

电阻有三个作用：

一是避免从数字电路中拉电流过大，二是保证基极有足够的驱动能力，三是避免数字电路实际不为“0”电平时基极能够截止。

2.3.7.电源电路的设计

1.电路结构及工作原理

直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，其工作原理图如图9所示.

图9直流稳压电源结构图

2.电路的设计

1）LM7805简介

LM7805是最常用到的稳压芯片，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压为5v。

其详细参数请查看相关数据手册，引脚图参看附录。

2）电路的原理图设计

本设计以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路LM7805设计制作直流稳压电源。

如下图10所示，

图10直流稳压电源

220V的交流电网电压U1经过变压器变成整流电路要求的交流电压U2,其中整流电路是由四个二极管组成的桥式电路。

U2经过整流电路输出的恒定直流分量U=0.9U2,然后通过一个电容进行滤波电路中接入电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的高频干扰。

220V（幅值311V）50Hz经变压器，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C作用得到5V的直流输出。

3）电容的选择

理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。

可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.

容量选择：

（1）大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大

（2）小电容，凭经验，一般104即可

三．系统仿真

本设计在Multisim10软件进行仿真。

把上述各个部分的组合到一起，注意：

仿真过程中设计的秒脉冲不足以触发74ls161进行计数，所以在multisim中用函数信号发生器代替555发生的秒脉冲进行仿真，便可以显示结果。

并且multisim中仿真时间与实际时间的有差别，对电路总体进行仿真时，发现仿真过程中秒的跳转要很长时间，跟实际中的1s中差距很大，但是秒计数脉冲是由1HZ的函数发生器产生的，后来了解到这是由于multisim中仿真步进时间设置的关系，仿真时间与实际时间并不是同步的，这并不会影响实际焊接电路后的计数时间，也就是说实际焊接后秒的跳转仍然是设定的1s。

总仿真图12所示

仿真结果符合实际结果，并达到了设计的基本要求与扩展功能。

所以设计方案合理。

图12设计总电路图

四．电路安装、调试与测试

4.1电路安装焊接

把器件买回来后，先检测各个器件的好坏，然后再焊接。

焊接前注意各个芯片（座子）的布局。

合理利用万用板的空间，一般按照从左到右，从上到下的，的原则。

焊接时从按照低到高的原则进行，如可以先从电阻等较低的器件开始，最后焊接数码管等较高的器件。

在焊接电路时，首先把每一个元件固定在电路板上，充分考虑放置后接线是不是有影响，然后固定元器件。

对于集成芯片，还要接电源，接地。

根据每一个芯片的引脚图，确定输入和输出，然后连接。

在焊接的过程中，务必做到仔细认真，小心谨慎。

不要漏到每一个接点，焊接点与焊接点直接最容易短接，因此在焊接完每一个器件之后必须要用万用表进行测量，以防短接。

（1）芯片的布局

不仅要讲求美观更要讲求电路连接的方便性。

首先选定地线和电源正极线，然后规划大体芯片布局，从上到下逐级布局，最上面放置数码管与限流电阻，下一排放置CD4511译码芯片，第三排放置74LS161计数器，第四排放置各种与非门。

最后根据电源线的分布以及芯片电源引脚以及其他需要接电源线的引脚进行合理调整，争取连线最短最少。

（2）合理利用万能版

仿真的时候我们可以把很多线连载一个小小的节点上，但是实际焊万能板的时候却不能这样，因为每个导线或者芯片的引脚都是有一定体积的，焊接之前必须充分考虑到这一点。

（3）标记芯片管脚

实际上在万能板上焊接东西是一个比较麻烦的也考验焊接者耐心的事情，但是我们稍稍对板子做一些优化就能简化我们焊接的过程。

比如固定好每块芯片的管座以后在管脚旁边标好引脚的标号，这样能够帮助我们更加准确的把每根导线焊道它该焊到的地方，同时也减少了我们看电路图纸的频率，节约了时间，减小了错误焊接的概率。

（4）合理安排焊接顺序

整个数字钟最核心最基础的部分应当是秒脉冲的产生了。

如果秒脉冲发生器没有连接号，整个电路就不会有任何结果。

所以首选选择焊接秒脉冲发生器。

之后再按照设计的总体电路图，从底层开始逐层连接。

必须注意的是，焊接时一定要按各个部分分开来焊接，就本设计来说，先焊秒脉冲模块焊接好之后必须接到示波器上观察波形。

接着焊接秒计数部分，焊接完后把秒脉冲接到74LS161的脉冲端，接通电源，观察能否按要求计数，若有问题及时调试。

接下来按同样的方法焊接分计数和时计数，并按同样的方法测试。

最后焊校时和整点报时模块。

电路焊接完成后的实物图见附录。

4.2电路的调试

电路焊接完成并不意味着就会出现正确结果。

连接完成通电之后往往还是会出现很多的问题。

这时候要首先要从硬件连接上检查，排查有没有引脚接错位置，同时使用万用表测量是否连接完好。

4.2.1数码管的调试

在数字电子钟有用到6个显示译码管。

测量好坏是用万用表，把万用表打到二极管的档位，黑表笔接到数码的接地端，然后依次把红表笔接到每一个端的端子处，看是否亮。

用到的五个发光二极管的测试方法也是用同类方法。

必须严格按照数据手册上的管脚图进行接线。

为避免混淆，在本次焊接线过程中，我先接各个器件的高电平（红线），然后接地线（黑线），再接各个端子这样不容易出错。

在电路安装环节由于是焊接一部分调试一部分，故本环节应与上一环节同步进行。

1）脉冲部分调试

这部分接完后接到示波器上发现没有任何波形，检查几次线路没有问题，最后发现原来根本没有把芯片查到底座上。

2）计数电路部分

（1）秒计数电路部分

这部分是整块电路的第一部分，刚接完线后，接入信号发生器，结果发现根本不计数，经检查CD4511的

三个端子没有接，接上之后开始计数但发现不能计满六十，有时也会出现乱码的情况，经过检查，分析把74LS161的A,B,C,D接反了，还有在两根线的接触点没有焊接好。

解决上述问题后顺利得到了结果即：

秒计数器的个位能准确以十进制形式计数；

秒计数器的十位也能准确以六进制的形式计数。

当秒计数器的个位计数到9后自动向秒计数器的十位计数。

（2）分计数电路部分

这部分的调试电路与秒计数器的电路一样，在调试中不同的是秒计数电路的个位计数器74LS161的2脚接入秒计数十位的清零1脚，而分计数电路的个位计数器74LS161的2脚本该接校时电路，但是由于校时电路作为最后调试的电路，所以在调试中74LS161的2脚直接与秒计数十位的清零1脚相连。

有了接秒计数的经验这部分接完后没有问题，计数正常。

（3）小时计数部分

这部分电路较复杂，在第一次焊接完成后的调试显示中，发现小时的十位没有变化，经过分析、检查发现把非门的输入输出接反了。

对于调试的结果是：

这部分的结果与秒计数电路部分的结果一样。

3）校时电路部分

在整个电路的设计中，需要用到两个校时电路，两个校时电路的功能相同。

这部分在本次焊接电路中是我调试时间最长的一部分。

刚开始接的是点触式开关，最后经过查资料分析，换成了锁存式开关，最后调试正确。

调试的结果是：

当开关断开时，分计数电路，小时计数电路正常计数，当开关闭合时，校时电路进行校时。

4）整点报时部分

这部分在买器件时没有7输入的与门只好买成了八输入的与非门而在接线时忘了这一点，没有接非门导致报时电路的二极管和蜂鸣器都不正常，最后检查出来后在59:

54时蜂鸣器开始响起，发光二极管被点亮。

4.2.3总电路的调试

由于本电路布线较为复杂，调试过程一定注意小心线路不要被拉断。

接上5V电源后开始计数，观察秒脉冲是否有变快，若变快适当调节滑动变阻器。

通过按校时开关看校时是否正常，当校时到59:

54看发光二级管是否被点亮，蜂鸣器能否发出声音。

4.3电路测试

4.3.1功能测试

经测试能实现计时，校时，整点报时等功能

4.3.2性能测试

1）与实际的60秒相对应，观察本时钟的准确性。

经测试基本与标准的60一致

2）通过校时核对能否校时，并在校时中注意校时按钮是否有防抖功能。

经测试能够校时且具有防抖效果。

五、结论

经测试之后，电路可以实现设计要求，可以实现数字钟的基本功能，比如计数，如图，同时多功能模块校时功能和报时功能都可以使用，如图24。

基于仿真结果以及焊接线路的通电的结果，可以认定，此次多功能数字钟的设计是成功的。

六、参考文献

[1]康华光电子技术基础---模拟部分（第五版）［M］北京：

高等教育出版社，2005，7

[2]康华光电子技术基础---数字部分（第四版）［M］北京：

高等教育出版社，1998，7

[3]阎石数字电子技术［M］北京：

高等教育出版社，2000，5

[4]杨文霞等数字逻辑电路[M]北京：

科学出版社，2007,3

[5]袁桂慈电工电子技术实践教程[M]北京：

机械工业出版社，2007,6

[6]王冠华Multisim10电路设计及应用[