简易数字钟的设计与制作

明达职业技术学院毕业设计(论文)2009－2010学年度信息工程系系电子信息工程技术专业班级07电信（1）学号43073110课题名称简易数字钟的设计与制作学生姓名严丽娟指导教师陈慕铭2009年12月25日1前言随着电子技术的迅猛发展和超大集成电路设计和制造工艺的进一步提高，单片机也有了迅速的发展，各种新颖的单片机产品层出不穷，令人目不暇接。当前单片机技术已渗透到国防尖端、工业、农业、日常生活的各个领域，成为当今世界现代化不可缺少的工具和强有力的武器。单片机技术是当代理工科大学生必会的技能之一。单片机的学习和掌握是当前迫切的任务和要求，为此进行了本次设计，本次设计旨在提高对单片机的内部硬件电路的理解和软件编程能力的提高，真正体验一下产品的研发和制造的各部分流程，在一定程度上加强了对工程设计的理解和实际操作。简易数字钟是对单片机的一次综合的应用，对单片机中至关重要的中断概念的理解有着十分重要的意义，简易数字钟不仅需要时间的准确跟需要有廉价的电路组成即将部分硬件用软件编程的方法加以代替，降低成本以提高市场的竞争力，这是对单片机设计的最高要求。本次设计就是针对以上问题的一种解决策略，希望通过后面的设计对读者有所启发和鼓励，单片机其实很简单，天下无难事，勇者必胜之。2目录第一章方案论证………………………………………………………4一设计要求………………………………………………………4二方案的论证与选择……………………………………………5第二章电源电路的设计…………………………………………………5直流稳压电源的原理………………………………………………51电源变压器………………………………………………………52单相桥式整流电路………………………………………………53滤波电路…………………………………………………………64稳压电路…………………………………………………………8第三章硬件电路设计…………………………………………………9一时钟电路……………………………………………………………9二复位电路……………………………………………………………9三显示电路…………………………………………………………10四时间调整电路……………………………………………………11第四章电路的安装及调试…………………………………………11心得体会………………………………………………………………13致谢………………………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………14附录A……………………………………………………………………153简易数字钟的设计与制作作者：严丽娟【摘要】：数字钟已经广泛应用于车站、广场、家庭等场所,本次设计中的简易数子钟是采用单片机的定时功能并结合单片机的强大的控制功能；利用先进的计算机仿真软件对采用单片机做的数字钟进行先期的模拟测试以达到加快设计周期，节约成本的目的；在仿真通过及参数确定以后进行实际的制作完成设计，单片机采用AT89C51经74LS373的驱动，通过六个数码管进行显示，时间可以任意调整，时间误差小于200ms，性能比较稳定。【关键词】数字钟单片机计算机仿真数码管4第一章方案论证一设计要求：(1)该数字钟应具有基本时钟功能；(2)24小时制；(3)时间可以任意调整；(4)时间用数码管显示。(5)自制+5V直流稳压电源二方案的论证与选择：方案一本方案采用数码管静态显示，加入相应的译码及锁存集成电路；数字时钟芯片提供时间，用单片机进行控制，对数字时钟芯片中的时间进行读出和写入以提供数码管的显示。本方案的优点是时间精确，断电时间不丢失，编程简单；但元件较多，且数字时钟的价格较贵，总体成本片高。总体电路框图如图1所示图1方案二本方案采用数码管动态显示，单片机进行定时产生时间，通过独立式键盘对时间进行调整，仅需一片驱动集成电路就可让单片机直接控制数码管的显示。本方案的优点是时间精确，成本低，但断电时间会丢失，编程复杂。总体电路图如图2所示：图2电源电路单片机时钟芯片显示电路驱动电路译码驱动电路电源电路显示电路单片机显示驱动电路振荡电路复位电路5方案比较与选择方案一与方案二相比时间精度较高，但成本较高，不利于推广和普及。方案二时间精度较方案一稍有欠缺，但可以通过程序中加入补偿程序以提高精度。本着提高动手能力，加强对单片机的内部原理的进一步的理解，降低成本，提高编程能力；决定采用方案二，由于程序较为复杂，故采用国际较为通用的C语言编程。第二章电源电路的设计一直流稳压电源的原理本设计电源电路包括电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四部分组成。1电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：12PP其中：2P是变压器副边的功率，1P是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表一所示：副边功率2PVA10VA30~10VA80~30VA200~80效率0.60.70.80.85表一因此，当算出了副边功率2P后，就可以根据上表算出原边功率1P。2单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图3所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。图36单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图3中虚线箭头所示整流过程中，四个二极管两两轮流导通，正负半周内都有电流流过RL。例如，当u2为正半周是（如图中所示极性），二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4因加反向电压而截止。电流i′（如图中实线所示）从变压器○+端出发流经二极管VD1、负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器○-端，并在负载RL上产生电压降u0′;反之，当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i″(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0″。由于i′和i″流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0=u0′+u0″。因而其输出电压为：U0=0.9U2而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：URM=1.414U2综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形。通过负载RL的电流IL以及电压VL的波形都是单方向的全波脉动波形。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的额定电流为2A，最大反向电压为25V～1000V。3滤波电路无论哪种整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分。为了减少这种脉动成分，在整流后都加上滤波电路。所谓滤波就是滤掉输出电压中的脉动成分，而尽量保留其中的直流成分，使输出接近理想的直流电压。交流电压经过二极管整流之后，得到的只是一种脉动直流电压，它具有方向单一，二7大小不断变化的特点。这种脉动直流电压不能直接用来给电子设备供电，还必须把脉动直流电压变成波形平滑的直流电压，这个过程称为滤波。如图4所示图4在没有接电容时，整流二极管VD在u2的正半周导通负半周截止，输出电压为u0，而在并接了电容以后，假设在t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管VD导电。由图5可见，二极管导通时除了有一电流i0流向负载外，还有一个电流向电容充电，电容两端的电压uc的极性为上正下负。如果忽略二极管导通时的内阻，则在VD导通时，uc（即输出电压u0）等于变压器次级电压u2。而当u2到达最大值以后开始下降，此时电容上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2下降到小于uc（即u2＜uc时，二极管被反向、偏置而截止。于是uc以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半周到来。当u2＞uc时，二极管又导通，再次向电容C充电。输出电压uc=u0的波形如图6（b）中实线所示。与半波整流电路比较，可以看到，由于电容的滤波作用，输出电压比无电容器时平滑多了，且直流成分也增加了。+-U2iciDiouo+Uc-cRL负载电阻充电放电输入U2图5电容器在全波整流电路或桥式整流电路中的滤波原理与半波整流电路中的类似，其原理电路和波形如图6（a）和（b）所示。所不同的只不过是，在桥式（或全波）整流电路8中，无论输入电压u2的正半周还是负半周，电容器C都有充电过程和。比较中可看出，全波（或桥式）整流电路经电容滤后的输出电压比半滤波时更平滑，且直流成分更大些。本次设计主要为电容滤波，因为电容具有充放电功能，其上电压不能突变，因而可以用来承担滤波任务。经试验证明经滤波后的电压变的比较平滑。U2+-+-cRLU0+-tt00整流输入电压负载上的输出电压（a）（b）图64稳压电路如图7所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器T1，桥式整流电路D1，滤波电容C4、C5，LED指示灯ZS和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式。（1）固定电压输出稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、12V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。稳压器的静态电流Io=8mA。当Uo=5~18V时，UI的最大值UImax=35V；当Uo=18~24V时，UI的最大值UImax=40V。9（2）可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2~37V，最大输出电流Iomax=1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI-Uo=3~40V。图7第三章硬件电路设计一时钟电路时钟周期又称为状态周期或状态时间S,是振荡周期的两倍,它分成P1节拍和P2节拍,P1节拍通常完成算术逻辑操作，而内部寄存器间传送通常在P2节拍完成。二复位电路在给单片机通电时，其内部电路处于不确定的工作状态。为了使单