多功能电子时钟的设计

4.1多功能电子时钟的设计一、技术指标1.设计一台能准确计时，以十进制数形式显示“时”、“分”、“秒”的多功能电子时钟钟；2.小时为24进制，分和秒均为60进制；3.有校时功能，可以分别对“时”、“分”信号进行单独校对；4.能整点报时。要求报时声为四低一高，最后一响为整点。二、基本原理说明多功能电子时钟实际上是一个对标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。多功能电子时钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具体实现为：用石英晶体振荡器或555振荡器产生１秒的标准“秒”信号；设计60进制计数器，即60秒累计为1分；同样设计，60分为1小时，并以24小时为一计时周期；各自引到显示器能显示“时”、“分”、“秒”；具有整点报时功能，要求报时声音四低一高，最后一响为整点；由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1Hz时间信号必须做到准确稳定。如果数字钟走时有误差，应由校时电路校正；通过本课程设计，使学生巩固和加强“数字电子技术”课程的理论知识；掌握电子电路一般的设计方法，并了解电子产品研制开发过程；基本掌握电子电路安装和调试的方法；培养独立分析问题和解决问题的能力以及创新能力和创新思维。通常使用石英晶体振荡器电路或555定时器构成多功能电子时钟。图4-1所示为多功能电子时钟的一般构成框图。1.振荡器555定时器可接成多谐振荡器，多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振荡，需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+5V的直流电源。选用合适的参数，使555定时器给数字钟提供译码显示器时计数器分计数器秒计数器校时电路报时电路多级分频器振荡器图4-1多功能电子时钟原理框图+_C1+_C2&&&1TRS5kW5kW5kWG(8)(4)(3)(1)(7)(2)(6)(5)VCC电源RD复位uICuI1uI2u′OuO控制电压阈值输入触发输入放电端图4-2(a)555内部结构电路图一个频率稳定准确的1kＨz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。555定时器的内部结构电路图、外部接线图、cu及ou波形图，如图4-2(a)、(b)、(c)所示：图4-2(b)555外部接线图图4-2(c)cu及ou波形图第一个暂稳状态的脉冲宽度PHt，即cu从CCV31充电上升到CCU32所需的时间：CRRtPH)(7.021第二个暂稳状态的脉冲宽度PLt，即cu从CCU32放电下降到CCU31所需的时间：CRtPL27.0振荡周期：CRRttTPLPH)2(7.021振荡频率：CRRTf)2(43.1121为得到1kＨz的方波信号可选择：WkR1.51、WkR7.42、FC1.0。2.分频器因为555定时器产生的标准时间信号频率很高（1kＨz），为了得到１Ｈz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常是用计数器来实现分频的，可采用多级十进制计数器来实现。例如：1kＨz的振荡信号分频为１Ｈz的分频倍数为1000（103），即实现该分频功能需要3级十进制计数器，只需将低位的Q3和高位的CP相连即可，如图4-3。实验室常用的十进制计数器有74LS90，CD4518等。注意：若采用74LS90，需先将74LS90接成十进制计数器；若采用CD4518来实现，84725136VCCuO0.01μF555uCOtuOOtR123VCCuCR2C13VCCtPHtPL84725136VCCuO0.01μF555uCOtuOOtR123VCCuCR2C13VCCtPHtPL十进制计数器(0)CP0(1KHz)Q3(0)(100Hz)CP1(100Hz)十进制计数器(1)十进制计数器(2)Q3(1)(10Hz)CP2(10Hz)Q3(2)(1Hz)Q0(0)(500Hz)图4-3分频电路框图在仿真时，建议采用其上升沿计数脉冲，否则易出问题。实际接线时为减少接线可采用下降沿脉冲。3.计数器时间计数单元由“时”计数、“分”计数和“秒”计数三个部分组成。“分”计数和“秒”计数单元为60进制计数器，需要两位十进制计数器，可以先级联成100进制，再找出归零信号实现60进制。可以直接用归零信号作为“秒”向“分”或者“分”向“时”的进位信息。“时”计数单元应为24进制计数器，和“分”计数和“秒”计数一样，都是按自然态序计数，所以组成“时”计数器的两个十进制计数器必须先级联为100进制，再找出归零信号实现24进制。4.译码显示电路：“时”“分”“秒”计数器的输出信号，需要经过译码显示电路，实验室可选用的译码所有73LS247、74LS248、CD4511—BCD七段译码器，其功能如表4-1所示。实验室常选用的示器件为半导体数码管，或称LED数码管。(1).共阳数码管的两个com端都接Vcc；(2).共阴数码管的两个com端都接地。74LS248、CD4511的输出为高电平有效，因此需要采用共阴数码管，为防止电流过大，可加几百欧的限流电阻。注意:在仿真时要将显示译码译码器RBI或EL（第5引脚）接为高电平，在实际接线时应接为低电平。表4－174LS248/CD4511功能表十进制或功能输入BI输出字型RBILTDCBAabcdefg01234567891×××××××××1111111111000000010010001101000101011001111000100111111111111111110011000011011011111001011001110110110011111111000011111111111011消隐消零灯测试×0××10××××0000××××0010000000000000011111115.校时电路当重新接通电源或走时出现误差使得多功能电子时钟的指示数值同实际时间不相符时，应予以校准（或对表）。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“时”电路的基本原理就是将“秒”信号直接引入“时”计数器，切断“分”向“时”的进位信息，让“时”计数器快速计数，在“时”计数器达到正确的数字后，再切断“秒”信号，让“时”计数器恢复正常工作。在校“时”时，“分”和“秒”计数器可以设置为停止计数也可以选择直接清零。校“分”电路也是按此方法让“秒”信号直接送入“分”计数器的计数脉冲。这样，可使“分”计数其快速计数。要求：1.“秒”计数器停止计数或清零；2.“分”计数器不能向“时”计数器送进位信息。校“时”、校“分”简单参考电路如图4-4所示：6.整点报时电路多功能电子时钟显示整点时能及时报时，每当“分”和“秒”计数器计数到59分51秒时，驱动音响电路，在十秒钟内自动发出5次鸣叫声，要求每一秒鸣叫一次，每次叫声持续一秒，而且前四声低最后一声高，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。设4声低音(约500Hz)分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒。最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续图4-4校“时”、校“分”简单参考电路表4-2整点报时“秒”个位的状态时间均为1秒。由右表4-2可得：“分”十位输出Q2m2和Q0m2，“分”个位输出Q3m1和Q0m1，“秒”十位输出Q2S2和Q0S2，“秒”个位输出Q0S1均为“1”时，才会驱动音响电路。但根据“秒”个位计数器最高位输出的不同，驱动有音响电路的信号有所不同，如下：信号驱动音响信号驱动音响HzHzQS001001500013报时部分参考电路如图4-5所示：数字钟原理图D21N4148C100.1μFC90.1μFC80.1μFC70.1μFC60.1μFPWRXT12MHzC533pFC433pF1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U574HC244+5A01A12A23GND4SDA5SCL6WP7VCC8U3AT24C02SPVDD8X12X23GND4NC1CLK7I/O6RST5U2HT1380C35pFC25pFXT232.768KHzXT15XT24TXD3RXD2P1012P1113P1214P1315RST1P326P337P359P348P3711P1517P1618P1719P1416U189C2051L20.5L30.5L40.5L50.5L60.5L10.5LED1LED2LED3LED4A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U474HC164K2K3K4K5K6K7K1R110KC10.1μF+5+5+5E3.6VD11N4148L6元件清单图4-5整点报时参考电路序号名称说明数量189C2051（双列直插）芯片及插座12HT1380芯片及插座13AT24C02（双列直插）芯片及插座1474HC164（双列直插）芯片及插座1574HC244（双列直插）芯片及插座165V蜂鸣器17键7810K电阻190.5英寸共阳极红色数码管（双位）310Φ3红色发光二极管41132768Hz手表晶振11212MHz手表晶振半高11333pF瓷片电容2145pF瓷片电容2150.1µF独石电容616通用PCB板1