基于单片机的多功能数字时钟的设计.doc

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1、摘要 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，单片机的应用正在不断地走向深入，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，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本次做的数字钟是以单片机为核心，它具有时，分，秒显示的功能，并且时，分，秒还可以调整。此次设计电子数字钟是为了了解电子数字钟的原理，从而学会制作电子数字钟。而且通过电子数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小

2、规模集成电路的作用及实用方法。通过它可以进一步学习与掌握单片机原理与使用方法。关键词 单片机 控制 显示 调时目 录第一章 基于单片机的多功能数字时钟的构成与工作原理第二章数字时钟的系统硬件、软件电路的设计1、振荡电路的设计（1）、振荡器（2）、分频器2、计数电路的设计3、校时电路的设计（1）、电路的电路图（2）、电路工作原理（3）、对电路中所用的主要元件及功能介绍4、译码与显示电路的设计第三章数字时钟扩展功能的设计1、定时控制电路的设计（1）、设计电路（2）、电路的工作原理第四章数字时钟的组装与调试 基于单片机的多功能数字时钟的设计第一章基于单片机的多功能秒表的构成与工作原理目前，单片机正朝

3、着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。基本原理：基本功能部分的有准确计时

4、，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、自动报整点时数和触摸报正点的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图，框图如图1所示。时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器整点报时触摸报时仿电台报定时控制主体电路 扩展电路图1由图1可知，电路的工作原理是：多功能数字钟电路由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路

5、完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。第二章数字时钟的系统硬件电路的设计一、振荡电路振荡电路由振荡器和分频器产生 1Hz时钟脉冲和扩展部分所需的频率，下面对振荡器和分频器两部分进行介绍。1、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0v5v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2所示。图

6、2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RIC反馈回来，直到电容电压再次达到门限电压为止。用施密特触发器输入器件（如74HC04），但是由于电容的参考电压在每个临界点都要发生变化，所以施密特触发器不是必需的。由于电容与输出相连，每次状态改变时，电容的充电电压会超过5V。从这一点来说，输出电压会改变电容的充电电压，直到电容两端的电压变为74HC04的门限电压（2.5V）为止。振荡器输出状态的改变发生在电

7、容上的电压达到2.5V时。弛豫振荡器对许多低成本而精度要求又不高的场所非常适合，但是并不推荐在任何有精度要求的实际应用电路采用它。如果想要获得高的精度，就应该在振荡电路中使用石英晶体作振源。在数字钟的设计与制作中应采用石英晶体振荡器，因为石英晶体具有压电效应，是一个压电器件。当交流电压加在晶体两端，晶体先随电压变化产生对应的变化，然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本生有一个固定的机械频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路的交流电流最强，于是产生振荡，因此将石英晶体按一定方位切割成片，两边傅以电极，焊上引

8、线，再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体。石英晶体的固有频率十分稳定。另外石英晶体的振动具有多谐性，除了基频振动外，还有奇次谐次泛音振动，对于石英晶体，既可利用基频振动，也可利用泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体，晶片厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片厚度越薄。将石英晶体作为高Q值谐振回路元件接入反馈电路中，就组成了晶体振荡器。在设计中所用的振荡器的电路图如图3所示。该电路能产生1MHz的方波脉冲振荡信号。图32、分频器分频器的作用是将由石英晶体产生的高频信号分频成基时钟脉冲信号和扩展部分所需的频率。在此电路中，分频器的功能主要有两个：一是产生标准脉冲信号；二是功能扩展电路

9、所需的信号，如仿电台用的1KHz的高频信号和500Hz的低频信号等.在此电路中作为分频器的元件是:CD4518。CD4518可以组成二分频电路和十分频电路。用CD4518组成二分频的电路如图4；用CD4518组成十分频的电路如图5；在本次设计中所用的分频器的电路图如图6。电路经过十分频后将晶振来的1MHz的振荡脉冲变为1Hz的脉冲信号，该信号作为计数器的计数脉冲使用。 Cr CPEN Cr CP 输出 输入 输出 输入 图4 清零 图5输入输出CKCREN上升沿LH加计数LL上升沿加计数下降沿LX保 持XL上升沿上升沿LLHL下降沿XLX全为L图6上表:CD4518的功能表振荡器和分频器两部分

10、构成振荡电路，它的电路图如图7所示。根据图7可知电路的工作原理是：石英晶体振荡器提供的频率为1MHz，CD4518组成十分频电路。并且一个 CD4518可以组成两个十分频电路即：CD4518的引脚2与引脚6组成一个十分频电路而引脚10与引脚14组成另一个十分频电路。晶振的输出接入第一块CD4518的输入引脚2，经过一次十分频，频率变为100KHz。输出引脚6接入同一块CD4518的引脚10经第二次分频，频率变为10KHz。输出引脚接人第二块CD4518的输入引脚2再经一次分频，频率变为1KHz。这样经过六次分频最后可以得到1Hz的频率。图7二、计数电路计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被

11、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“12翻1”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。1、下面将分别介绍60进制计数器和“12翻1”小时计数器。 （1）60进制计数器。电路如图8所示：图8电路中，7

12、4LS92作为十位计数器，在电路中采用六进制计数；74LS90作为个位计数器在电路中采用十进制计数。当74LS90的14脚接振荡电路的输出脉冲1Hz时74LS90开始工作，它计时到10时向十位计数器74LS92进位。下面对电路中所用的主要元件及功能介绍。 十进制计数器 74LS90 74LS90是二五十进制计数器，它有两个时钟输入端CKA和CKB。其中，CKA和组成一位二进制计数器；CKB和组成五进制计数器；若将与CKB相连接，时钟脉冲从输入，则构成了8421BCD码十进制计数器。74LS90有两个清零端R0（1）、R0（2），两个置9端R9（1）和R9（2），其BCD码十进制计数时序如表1，

13、二五混合进制计数时序如表2，74LS90的管脚图如图9。 图9R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD1174LS90表1 BCD码十进制计数时序 表2 二五混合进制计数时序CK00000100012001030011401005010160110701118100091001CK00000100012001030011401005100061001710108101191100 异步计数器74LS92所谓异步计数器是指计数器内各触发器的时钟信号不是来自于同一外接输入时钟信号，因而触发器不是同时翻转。这种计数器的计数速度慢。一异步计数器 74L

14、S92是 二六十二进制计数器，即CKA和组成二进制计数器，CKB和在74LS92中为六进制计数器。当CKB和相连，时钟脉冲从CKA输入，74LS92构成十六进制计数器。（2）“12翻1”小时计数器电路。电路如图11所示：CLK3D2SD4CD1Q5Q674LS74AP015P11P210P39Q03Q12Q26Q37RC13TC12CLK14CE4U/D5PL1174LS191456U9B74LS00123U9A74LS00111213U10D74LS00GNDR13.3K+5V89U8D74LS04+5vCP图11“12翻1”小时 计数器是按照“01020304050607080910111

15、201”规律计数的，计数器的计数状态转换表如表3所示。表3“12翻1”小时计时时序十位 个位十位 个位CKQ10Q03 Q02 Q01 Q00CK Q10Q03 Q02 Q01 Q0001234567 000000000 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1891011121300011101 0 0 01 0 0 11 0 1 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 0 12、电路的工作原理由表可知：个位计数器由4位二进制同步可逆计数器 74LS191构成，十位计数器由双D触发器74LS74构成 ，将它们组成

16、 “12翻1”小时计数器。由表可知：计数器的状态要发生 两次跳跃：一是：计数器计到9，即个位计数器的状态为 =1001后，在下一计数脉冲的作用下计数器进入暂态1010，利用暂态的两个1即使个位异步置0，同时向十位计数器进位使 =1；二是计数到12后，在第13个计数脉冲作用下个位计数器的状态应为 =0001，十位计数器的 =0。第二次跳跃的十位清“0”和个位置“1”的输出端、来产生。对电路中所用的主要元件及功能介绍。（1）D触发器74LS74在电路中用到了D触发器74LS74，74LS74的管脚图如图12。D2Q5Q6CLK341CLRA74LS74图12（2）计数器74LS191 ，74LS1

17、91的管脚图如图13所示 ：CTEN4D/U5CLK14LD11MAX/MIN12RCO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD774LS191图13三、校时电路1、电路如图14 所示8910U10C74LS00123U11A74LS00111213U10D74LS00R33.3kC10.01uFS1GND1011U8E74LS041HZS2/M2 Q2+5V图142、电路的工作原理校时电路的作用是：当数字钟接通电源或者出现误差时，校正时间。校时是数字钟应具有的基本功能。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和小时的校时。校时有“快校时”和“慢校时”两种

18、，“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz校时脉冲计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲。图中S1校分用的控制开关，S2（总图）为校时用的控制开关，它们的控制功能如表4所示，校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可以进行“快校时”。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。表4校时开关的功能S1S2功能11计数10校分00校时表43、对电路中所用的主要元件及功能介绍在此电路中，用到的元器件有两块四2输入与非门74LS00 、一块六反相器74 LS04、两个电容、两个电阻以及两个开关。输入与非门74LS00，集成逻辑门是数字电路中应用十分广泛最基本的

19、一种器件，为了合理的使用和充分利用其性能，必须对它的主要参数和逻辑功能进行测试。74LS00与非门的主要参数为：输出高电平：指与非门有一个以上输入端接地或接低电平时的输出电平值。输出低电平：指与非门的所有输入端均接高电平时的输出电平值。开门电平：指与非门输出处于额定低电平时允许输入高电平的最小值。关门电平：指与非门输出处于高电平状态时允许输入低电平的最大值。电压传输特性：是指门的输出电压随输入电压而变化的曲线，由它可以得到门电路的输出高电平、输出低电平、关门电平和开门电平等。低电平的输出电源电流；是指输入所有端都悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流。高电平输出电源电流：是指输出端空载，每个门

20、各有一个以上的输入端接地，电源提供给器件的电流。低电平输入电流：是指被测输入端接地，其余输入端悬空时，由被测输入端流出的电流值。高电平输入电流：指被测输入端接高电平，其余输入端接地，流入被测输入端的电流值。扇出系数：门电路能驱动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数。即低电平扇出系数和高电平扇出系数。四、译码与显示电路1、电路如图15所示：BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g1474LS48abfcgdeDPY1234567abcdefgDPY_7-SEG图152

21、、电路的工作原理译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二十制译码器和BCD7段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。第三章数字时钟扩展功能的设计一、定时控制电路数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。1、设计电路如图18所示图182、电路的工作原理在这里将举例来说明它的工作原理。要求上午7时59分发出闹时信号，持续1分钟。设计如下：7时59分对应数字钟的时时个位计数

22、器的状态为，分十位计数器的状态为，分个位计数器的状态为，若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，就可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点）停响。所以闹时控制信号Z的表达式为：式中，M为上午的信号输出，要求M=1。如果用与非门实现的逻辑表达式为：在该电路图中用到了4输入二与非门74LS20，集电极开路的2输入四与非门74LS03，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端与电源+5V端之间应接一电阻RL。RL的值由下式决定： =0.4V,=0.4mA,=2.4V,=50uA,=8mA,=100Ua;m为负载门输入端总个数。取RL=3.3K。如

23、果控制1KHz高音和驱动音响电路的两极与非门也采用OC门，则RL的值应该重新计算。由电路图可以看见，上午7点59分，音响电路的晶体管导通，则扬声器发出1KHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因为输入端为“0”而截止，电路停闹。第四章数字时钟的组装与调试将外部电源接至电路板上，检验电路板是否完全实现设计要求。本设计中，发现按钮功能完全符合设计要求，但是数码管的显示中有些段码不亮，从而显示的数据乱码，用万用表检测对应的管脚是否有电压，发现焊盘有虚焊，引脚与引脚之间有短路，排查后电路板实现设计要求。扩展部分的调试是在主体部分正确的情况下，才能完成的。单独在实验箱上可以调试其电路的输入就用模拟开关输入

24、高低电平。只要在输入的变化下能够控制风鸣器工作就行。因为这部分的电路比较简单、原理也不难。所以这部分调试很快，一切很顺利。致谢 值此论文完成之际，首先要感谢我的导师王海洋老师。王老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误。他对分时电价领域的专业研究和对该课题深刻的见解，使我受益匪浅。王老师诲人不倦的工作作风，一丝不苟的工作态度，严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响，值得我学习。在此，谨向王海洋老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！大学三年的生活即将随着论文的完成划上句号。最后，我感谢大学三年以来给过我帮助和关注的所有人，更加感谢给过我挫折的所有人。你们用不同的方式给了我成长，也是你们促使我在走过的大学时光里一直努力。最后我还要感谢枣庄职业学院三年来对我的栽培。参考文献1周国运 单片机原理及应用 北京 中国水利水电出版社20092万福军、潘松峰 单片机原理系统设计及应用 合肥 中国科技大学出版社 20053胡耀辉 单片机系统开发实例经典 北京 冶金工业出版社 20064李朝青 单片机原理及其接口技术 北京航空大学出版社 19985刘守义、杨宏丽 单片机应用技术 西安电子科技大学出版社 2003第19 页 共 19 页