专业综合课程设计数字电子时钟课程设计.doc
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1、摘 要 多功能数字电子钟的应用十分广泛,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便,已成为人们日常生活中的必需品。基于数字电子技术实现的电子钟主要由五部分组成: 秒脉冲产生电路、计数器电路、译码显示电路、校时电路、整点报时电路。秒脉冲电路用于为计数器电路提供一个频率为1Hz的标准时钟信号,选用了由晶振构成的高精度脉冲产生电路;计数器电路通过六块74ls161芯片分别构成一个二十四进制、两个六十进制计数器;译码显示电路用74ls48译码器驱动七段数码管能将时间直观地显示出来;校时电路是数字钟不可少的部分,每当数字钟显示与实际时间不相符合的时候,需要根据标准时间进行校时;整点报时电路能在整点前5
2、秒进行蜂鸣报时且报时声为4低1高,最后一响为整点。运用Protel99SE软件绘制了单元电路以及总体电路图;借助Multisim2001和Proteus 7 Professional仿真软件对单元电路进行了虚拟实验,达到了预期的要求。【关键词】多功能数字电子钟, 晶振, Multisim2001, Proteus 7 Professional AbstractThe application of multi-function digital electronic clock is very extensive, to peoples lives, learning, work, play wi
3、th great convenience, has become a necessity in daily life. Electronic technology based on digital electronic clock consists of five main components: second pulse generation circuit, counter circuit, decoding display circuit, the campus circuit, the whole point timekeeping circuit. Second pulse circ
4、uit for the counter circuit for providing a frequency standard for the 1Hz clock signal, selected by the crystal form of high-precision pulse generation circuit; counter circuit chip through the six 74ls161 24 respectively to form a band, two 6 decimal counter; decoding display circuit with 74ls48 d
5、ecoder can drive seven-segment digital tube time visually displayed; school when the circuit is an indispensable part of the digital clock, digital clock display when the time is not consistent with the actual time required when the standard time for school; whole point of time the whole point of th
6、e circuit in the first 5 seconds beep sound of the newspaper and the newspaper to 4 low 1 high, the last ring is the whole point. Drawn using Protel99SE software circuits and general circuit unit; with Multisim2001 and Proteus 7 Professional circuit simulation software on a virtual test unit reached
7、 the expected requirements. Key words : multi-function digital electronic clock; crystal, Multisim2001, Proteus 7 ProfessionalII目 录摘 要IABSTRACTII一、设计题目11.1 基于分立元件的多功能数字电子钟11.2 基于EDA技术的多功能数字电子钟21.3 基于单片机编程的多功能数字电子钟2二、设计要求44.1 软件44.2 硬件5六、所用设备及软件66.2 时间计数电路76.2.1 分、秒的计时电路86.2.2 时的计时电路86.3 译码显示电路96.4 校
8、时电路106.5整点报时电路11七、系统软件设计127.1 单元电路的级联127.2 整体原理图12八、仿真及其调试128.1 秒脉冲产生电路仿真138.2 秒、分、时电路的仿真138.3 校时电路的仿真148.4整点报时电路的仿真15九、心得及体会16参考文献18附录1多功能数字电子钟总电路图19附录2电路元件明细表20多功能数字电子钟设计一、设计题目数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动开启和关闭路灯、
9、定时开关烘箱、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。石英晶体振荡器产生的高频信号送到分频器,分频电路将高频信号分成1Hz的方波基准信号。秒脉冲发生器产生频率稳定性很高的秒脉冲,秒脉冲被送到六十进制秒计数器计数,将计数结果送至秒的个位和秒的十位的译码器,译码结果分别由两个七段数码管以十进制数形式显示出来。当秒六十进制计数器累计到第59秒时,若再来一个秒脉冲信号,秒十位计数器的清零信号就产生进位脉冲(分计数脉冲),同时,秒计数器的十位和个位都复位到零。分计数脉冲又被送到分六十进制计数器的个位计数,经译码电路
10、译码后,数码管将显示相应的分数。当计数满59分59秒时,若再来一个秒脉冲,则分计数器便向时计数器送出时计数脉冲,同时,分、秒计数器均复位到零。时计数器是一个二十四进制计数器,当计数显示23时59分59秒时,若再来一个秒脉冲,则时、分、秒计数器都应回到零,并显示(00 00 00)表示已到达午夜零点,第二天开始继续计数。通过双刀双掷开关进入校时状态,分、时的电路里通过自动快速调整和手动调整实现校时功能;同时在对分钟校时的时候,最大分钟不向小时进位。利用组合逻辑,三极管、蜂鸣器以及由555定时器构成的单稳态触发器等器件构成整点报时电路达到设计要求。随着电子技术的发展,在数字电子技术领域中,实现多功
11、能数字电子钟的方法和手段有很多种,本设计对其中的几种方案进行了设计与分析。1.1 基于分立元件的多功能数字电子钟 时钟芯片采用集成逻辑电路设计的具有能实现秒脉冲产生功能,时、分、秒计数及显示功能和校时功能以及整点报时功能,其原理框图如图1所示。具体实现方法:秒脉冲信号送到计数器中进行计数。根据计数的规律采用74LS161芯片分别设计两个60进制、一个24进制计数器。显示采用7448芯片驱动共阴极LED,实现时间的显示。校时采用手动和自动调整。利用组合逻辑产生的信号通过三极管放大,驱动蜂鸣器产生1高频声音以及通过单稳态触发器延时4秒发出4个低频信号实现整点报时功能。LED显示译码驱动分十位 计数
12、器LED显示译码驱动分个位 计数器LED显示译码驱动时十位 计数器LED显示译码驱动时个位 计数器图1 基于分立元件的数字电子钟设计框秒脉冲发生器校时电路整点报时电路LED显示译码驱动秒十位 计数器LED显示译码驱动秒个位 计数器1.2 基于EDA技术的多功能数字电子钟图2 基于EDA技术的数字电子钟设计框kuang框框图计时模块校时模块蜂鸣器显示模块时钟模块按键模块 采用 EDA作为主控制器控制外围电路进行电压、时钟控制、键盘和LED控制。此方案逻辑电路复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,在对电路进行检测比较困难。其框图如图2所示。1.3 基于单片机编程的多功能数字电子钟 在按键较少的
13、情况下,采用独立式4个按键,经软件设计指定的I/O口(P1.0P1.3)送出逻辑电平,控制数码管显示。根据数字电子钟的设计要求与原理以及特性,系统采用单片机AT89C52串口输出的形式来设计电路,使功能及效果更完美。其框图如图3所示。时钟模块图3 基于单片机编程的数字电子钟设计框图单片机复位电路按键模块电源模块语音模块LCD显示 在设计过程中,方案的选择必须与实际情形联系起来,要从各个方面考虑设计的可行性,即不仅要考虑其先进性也要考虑其现实性,从多方面综合寻求最佳方案。在方案的实施中,方案一简洁、灵活、可扩展性好,能完全达到设计要求;方案二逻辑电路复杂,灵活性比较的低,并且不利于调试;方案三的
14、设计理念超过我们现在所学的内容,因此暂不考虑。综上分析,我们选择第一种方案作为本次课程设计的最佳方案。 30二、设计要求单元电路设计包括电路结构以及元器件的选择。元器件选择一般遵循的原则是:先“性能”、次“货源”、再“价格”、后“体积”。设计中,多查阅器件手册和有关的科技资料,熟悉常用的元器件的型号、性能及价格。关于集成电路与分立元件电路的选择问题,一般优选集成电路。设计中,需要对各组元件性能参数进行综合性分析,具体包括:考虑到环境温度的变化和交流电网电压的波动等工作条件的影响时,计算参数时应按最不利的情形考虑;各元器件的实际工作电压、电流、频率、功耗等应在参数允许的范围内,并留有一定的裕量,
15、一般可按1.5倍左右的余量来考虑,电阻值应尽可能选在1M范围以内,最大不应超过10M。无极性电容尽可能选在100pF至0.1F范围内,最大不超过1F。还有最后选定的电阻、电容值均应是手册上相近的标称系列值。在保证电路性能的前提下,尽可能减少元器件的品种,尽可能选择性价比高、体积小、易购买的元器件。三、设计作用与目的熟悉集成电路的引脚安排,掌握各芯片的逻辑功能及使用方法,了解面包板结构及其接线方法。了解多功能数字钟的组成及工作原理,熟悉多功能数字钟的设计与制作。数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 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
16、地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动开启和关闭路灯、定时开关烘箱、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。四、所选设备及软件4.1 软件系统设计主要使用到的软件有Keil C51、Protel 99SE等。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真
17、调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。 Protel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大,人机界面友好,易学易用,仍然是大中专院校电学专业必学课程,同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel 99SE 由两大部分组成:电路原理图设计(Advanced Schematic)和多层印刷电路板设计(Advanced PCB)。其中Advanced Schematic由两部分组成:电路图编辑器(Schematic)和元件库编辑器(Schematic Library)。4.2
18、 硬件硬件主要用到的是个人计算机及相关arm芯片。五、系统设计方案5.1 总体设计方案时钟芯片采用集成逻辑电路设计的具有能实现秒脉冲产生功能,时、分、秒计数及显示功能和校时功能以及整点报时功能,其原理框图如图4所示。具体实现方法:秒脉冲信号送到计数器中进行计数。根据计数的规律采用74LS161芯片分别设计两个60进制、一个24进制计数器。显示采用7448芯片驱动共阴极LED,实现时间的显示。校时采用手动和自动调整。利用组合逻辑产生的信号通过三极管放大,驱动蜂鸣器产生1高频声音以及通过单稳态触发器延时4秒发出4个低频信号实现整点报时功能。LED显示译码驱动分十位 计数器LED显示译码驱动分个位
19、计数器LED显示译码驱动时十位 计数器LED显示译码驱动时个位 计数器图 4 基于分立元件的数字电子钟设计框秒脉冲发生器校时电路整点报时电路LED显示译码驱动秒十位 计数器LED显示译码驱动秒个位 计数器5.2 系统工作原理整个电路图由基准信号产生(1Hz)、计时电路、译码显示部分、校时电路、整点报时电路五个部分。当晶振产生的信号经过分频器的分频后输入计数部分,经过译码将其数字化显示,并且由校时电路分别控制分、时计数器的个位和1Hz方波信号,整点报时电路能在整点前5秒进行蜂鸣报时且报时声为4低1高,最后一响为整点。最终实现整个电路的设计。六、所用设备及软件6.1 秒脉冲长生电路不管是指针式的电
20、子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路,晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,是数字电子钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。本设计采用的是石英晶体振荡器产生的脉冲,经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲,典型电路如下图5所示:图5 秒脉冲产生电路CD4060是14位的二进制计数器。它内部有14级二分频,有两个反相器。RS(11脚)、RTC(10脚)CTC(9脚)分别为时钟输入、反向输出端、输出端。图中R45为反馈电阻(10100 Mom),目的是为CMOS反相器提供偏置,使其工作在放大状态。C1为温度特性校正电容,一般取2050Pf;C2是频率微
21、调电容,取530pF。石英晶振采用32768 Hz晶振,若要得到1Hz的脉冲,则需要经过15级的二分频器完成(32768 Hz /215=1 Hz)。由于CD4能完成14级分频,故需要外加一级分频,采用74LS74双D触发器完成二分频,最终得到数字钟的脉冲输入1Hz信号。下图6为CD4060引脚图,表7为其功能表。图6 CD4060引脚图表7 CD4060功能表RSCTCRTCRESET功能0计数011复位6.2 时间计数电路图8) 74LS161引脚图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、时个位和时十位计数器构成,其中秒计数器、分计数器为60进制计数器,时计数器为24进制
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