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1、武汉科技学院 数字电子技术课程设计 1 题目名称：简易数字电子钟的设计题目名称：简易数字电子钟的设计 摘要摘要：本数字电子钟电路系统采用中小规模的74LS系列（双列直插式）组件实 现所选定的电路, 由秒信号发生器（采用555构成的多谐振荡器）“时分 秒”计数器（采用十进制74LS90）译码器（采用74LS47）及显示器（采用共 阳极八段数码管配合显示译码器74LS47来显示计数器输出的数字）校时电路 （采用74LS0074LS0274LS08）组成。最后用电路仿真软件Proteus绘制出数 字电子钟的完整电路图，并进行仿真验证它的工作状态是否正常,以实现要求 的功能电路。 关键词关键词：数字电
2、子钟 秒脉冲发生器 计时器 显示电路 译码器 AbstractAbstract The paper syste matically poses how to utilize medium and small scale 74LS serious (double- row p lug in)component to realize the selected circuit. Each unit was designed and the overall adjustment was perfo- rmed。At last through software platform named “Prote
3、us”， electronic digital clock logic circuit is designed out. On thep latform, the working state of the digital clock is simulated and validated. The function of the login circuit is achieved. keykey wordswords digital electronics-digital clock； second signal impulse； number counter； LED indicator ；
4、decipherer 目录 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 2 一一 设计任务与要求设计任务与要求1 1 1.设计任务 1 2.设计要求 1 二二 方案设计与论证方案设计与论证1 1 1秒脉冲发生器的设计 .1 方案一：用石英晶体振荡器+分频电路构成秒信号电路1 方案二：用 555 构成多谐振荡器.3 2. 电子钟整体电路设计 .4 方案一：用 AT89S51 单片机控制的电子钟.4 方案二：用计数器实现的数字电子钟.5 三三 单元电路设计与参数计算单元电路设计与参数计算6 6 四四 安装与调试安装与调试9 9 五五 性能测试与分析（软件设计与调试）性能测试与分析（软件设计与调试）9 9
5、六六 论与心得论与心得9 9 参考文献：参考文献：1010 附录：附录：1010 附 1：元器件清单：10 附 2：总原理图11 附 3：元器件的引脚说明图12 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 1 一一. . 设计任务与要求设计任务与要求 1 1设计任务设计任务 要求由所学的数字电路知识以及查阅有关资料设计并制作出一台数字电子 钟。而且要完成电路的装配和调试。 2 2设计要求设计要求 (1)采用八段数码管，显示范围 0 分 00 秒23 时 59 分 59 秒。 (2)提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计。 (3)详细说明设计方案，并计算元件参数。包括选择的依据和原理，参数 确定的
6、依据。 (4) 当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。 (5) 自己独立完成设计，并能发现问题解决问题。 (6) 撰写设计报告：写出设计过程，附上有关资料和图纸，写上心得体 会。 二二 方案设计与论证方案设计与论证 设计要求我们运用所学的数字电路知识以及查阅有关资料设计并制作一台 数字电子钟，而且要完成电路的装配和调试。首先对于电子钟，第一个要解决 的问题就是秒脉冲发生电路，秒脉冲发生电路是数字钟的核心部分,它的精度和 稳定度直接决定了数字钟的质量，因此我们既可以采用石英晶体振荡器和分频 器的组合电路来实现，也可以采用我们所学的运用 555 构成多谐振荡器来实现； 其次就是实现对秒脉冲的
7、计数，对于计数我们可以用单片机来实现，也可以运 用我们所学的计数器的知识来解决。对于数字钟必须有一个显示时间的，我们 可以采用八段数码管来实现显示功能。 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 2 1.1.秒脉冲发生器的设计秒脉冲发生器的设计 方案一方案一：用石英晶体振荡器+分频电路构成秒信号电路 为了提高秒信号准确性和稳定性,利用石英晶体来构成振荡电路。由于石英 晶体的选频特性非常好,只有某一频率点的信号可以通过它,其它频率段的信号 均会被它所衰减,而且,振荡信号的频率与振荡电路中的R、C元件的数值无关。 因此, 这种振荡电路输出的是准确度极高的信号。然后再利用分频电路,将其输 出信号转变为秒信
8、号, 其组成框图如图1： 图1 电路构成框图 其中,晶体振荡电路采用图2所示电路。利用两个与非门自我反馈,使它们工 作在线性状态;然后利用石英晶体JU 来控制振荡频率,同时用C1 作电容间耦合, 两与非输入输出间电阻R 1、R 2 作为负反馈元件、电容C2 防止寄生振荡。在 输出端得到较稳定的4MHZ 脉冲信号。如图2： 图2 用晶振构成的石英晶体振荡电路 由于石英晶体振荡产生频率很高为4MHz, 而电子钟需要秒脉冲, 可采用分 频电路实现, 具体电路如图3 所示。先经过1 次四分颁, 再经过6 次十分频, 最后得到秒脉冲信号。 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 3 图3 分频电路 这里采用
9、74LS161作为四分频、将74LS161QC连接于74LS192,增计数CPV端。 用74L S192作为十分频,将74LS161四分频信号加74LS1925脚CPV ,将进位信号C0 连接下一片74LS192的CPV ,完成十分频,最后输出1HZ的秒脉冲给计数电路。 方案二方案二：用555构成多谐振荡器 如图 4(a)所示，由 555 定时器和外接元件 R1、R2、C构成多谐振荡器，脚 2 与脚 6 直接相连。电 路没有稳态， 仅存在两个暂稳态， 电路亦不需要外加触发 信号， 利用电源通过 R1、R2向 C 充电，以及 C 通过 R2向放电端 Ct 放电，使电 路产生振荡。 电容 C 在和
10、之间充电和放电， 其波形如图 4(b)所示。CCV 3 1 CCV 3 2 输出信号的时间参数是 Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw20.7R2C 555 电路要求R1 与R2 均应大于或等于1K ，但R1R2应小于或等于 3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555 定时器配以少量的 元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 4 （a） （b） 图 4 多谐振荡器 在此，我们将电路进行了进一步的改进，将上图中的 R1 和 R2 合并为一个 100K的 电位器，通过调节电位器可以得到相对比较稳定并且精确地秒脉冲
11、信号，提供给秒计数器 使用。将图中电阻 R1R2 关系式，电容 C 元件的参数代入上式，要使脉冲周期为 T=1s， 计算得：R157.14K。 两种方案的比较：方案一 中的振荡电路输出的是准确度极高的信号，然后再 利用分频电路, 将其输出信号转变为秒信号, 石英晶体振荡器有频率精确、振 荡稳定、温度系数小等特点，而且晶振频率越高，产生的秒脉冲越稳定，可以 满足电子钟走时的准确性的要求；方案二中的555多谐振荡器外部元件的稳定性 决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振 荡频率和具有较强的功率输出能力，因此也可以满足电子钟走时的准确性的要 求。但是由于方案一的成本
12、比较高，对石英晶振的要求较高，再加上引入了分 频电路，增加了电路的复杂性；而方案二的成本相对来说低得多，对元器件的 要求也不是很高，电路实现起来相当容易，也可以得到较高精度的振荡频率。 因此，相比之下，我们就采用了方案二：用555构成多谐振荡器，产生秒脉冲信 号，供给计数电路使用。 2.2.电子钟整体电路设计电子钟整体电路设计 方案一方案一：用AT89S51单片机控制的电子钟 系统由单片机AT89S51 为主控制器，单片机不断读取实时钟DS1643 提供的 时间，送LED 显示。当达到设定的报时时间时，则控制喇叭发声。当有按键按 下时，单片机转而处理按键。整个系统的电源由5V 电池提供，以便于
13、携带。系 统总体结构如图1所示，所设计的电子钟目标为实现以下功能：24小时制时间 显示；可随时进行时间校对；整点报时；闹钟功能。 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 5 图5 硬件原理框图 AT89S51单片机是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB在线可编 程（ISP)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易 失性存储技术制造，兼容标准MCS- 51指令系统及80C51引脚结构。AT89S51具有 如下特点：为适应不同的产品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC 三种封装形式，本 系统采用双列直接PDIP封装形式，4KB Flash片内程序存储器，1
14、28B的随机存取 数据存储器，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌 套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电 路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过 软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而RAM定时计数器，串行口， 外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它 功能直至外中断激活或硬件复位。 DS1643是带有全功能实时时钟的8k8非易失性SRAM，能以字节为单位进行 存取，主要特点如下：集成了非易失性SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制 电路和锂电
15、池电源，时钟寄存器位于RAM最高8个字节。 方案二方案二：用计数器实现的数字电子钟 数字电子钟电路系统由秒脉冲发生器， “时分秒”计数器译码器及显 示器，校时电路组成。秒脉冲信号发生器是整个系统的时基信号，它直接决定 计时系统的精度，一般采用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送 入“秒计数器” ， “秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发一个“分脉冲” 信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”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“是计数器” 。 “时计数器”采用24进制计数器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路 武汉科技学院 数字电子技术课程设计 6 将“时”“分” “秒”计数器的输出状态送入八段数码管，通过三个两位 LED八段显示器显示出来。校时电路用来对“时” “分” 显示数字进行校对 调整。如图6所示： 图6 数字电子钟原理框图 两种方案的比较：方案一采用AT89S51单片机为主控芯片，配合实时钟集成 电路芯片DS1643，实现了时间、日期显示、修改及报时功能，且具备掉电情况 下时间信息继续保持的功能。DS1643 计时功能强大，与单片机的接口简单，使
