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华南农业大学电子线路综合设计数字电子钟班级：14电气类8班组别：4指导教师：2016年月II摘要电子数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，比机械式时钟具有更高的精确性。本次课程设计的电子数字钟，具有以下功能：用24进制，从00开始到23后再回到00，各用2位数码管显示时、分、秒（如23：52：45）；可实现手动或自动的对时、分进行校正；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行报时，蜂鸣器响1秒停1秒地响5次。整个电路设计主要包括秒信号产生电路、时分秒计数电路、译码显示电路、时分的校正电路以及整点报时电路。秒信号产生电路由石英晶体振荡器和分频器实现，将此信号接到秒计数器的信号输入端，在秒信号的驱动下，秒计数器向分计数器进位，分计数器向时计数器进位，最后通过译码器将计数器中的状态以时间的形式显示在数码管。整点报时电路由计时电路的输出状态产生脉冲信号送至蜂鸣器实现报时。校时电路加上一个脉冲送到时分计时器电路从而实现时和分的校整。为了更好的完成本次课程设计，我们对题目进行了分析讨论，参考了很多相关的资料，同时考虑到实验室能提供的设备仪器及元件，确定了初步的设计方案；经过多次软件仿真，确定并完善了最终的设计方案。根据设计方案进行焊接、电子仪表检查、调试并测量电路的工作状态，排除电路故障，调整元件参数，改进电路性能，使之达到设计的指标和要求，做出成品。关键词：晶体振荡器CD4060CD451174LS90III目录1系统概述…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….….…….….….….….……11.1设计任务和目的….…….…….…….…….…….…….…….…….……….…….…….……11.2系统设计思路与总体方案……….…….…….…….…….…….…………….……….……11.3设计方案选择….…….…….…….…….…….…….…….…….…………….…….…….…11.4总体工作过程….…….…….…….…….…….…….…….…….…………….……………21.5各功能模块的划分和组成….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…22电路系统设计与分析….…….…….…….…….…….…….………………….…….…….…42.1秒信号的发生电路…………………………………………………………………………42.2时、分、秒计数电路…………………………………………………………………………52.3译码显示电路………………………………………………………………………………62.4时、分校正电路……………………………………………………………………………72.5整点报时电路………………………………………………………………………………83电路的安装与调试…………………………………………………………………………93.1安装调试的步骤…………………………………………………………………………93.2电路软件仿真调式………………………………………………………………………93.3电路焊接及实物调式……………………………………………………………………103.4实验过程可能存在的问题………………………………………………………………104实验数据和误差分析………………………………………………………………………115实验结论及分析……………………………………………………………………………116实验收获、体会和建议………………………………………………………………………12参考文献……………………………………………………………………………………13附录1元器件清单明细表……………………………………………………………………14附录2总原理接线图…………………………………………………………………………15附录3电路焊接实物图………………………………………………………………………16致谢……………………………………………………………………………………………1711系统概述1.1设计任务和目的此次设计为一种多功能数字钟，该数字钟具有的基本功能包括能准确计时，以数字形式显示时、分、秒、可实现手动或自动的对时、分进行校正以及具有整点报时功能。通过对本次设计制作的实践，我们可以更好的掌握课本内的理论知识，以理论结合实际，应用知识解决日常生活的问题。1.2系统设计思路与总体方案一个简单的数字钟由秒信号发生电路，时、分、秒计数电路，译码显示电路组成，要求有校正时、分和整点报时功能，故要加入校时电路和报时电路。因此其原理可由如下的框图表示出来。图1数字钟总体结构图1.3设计方案选择对于数字钟电路的设计方案将有不同的几种设计可以实现，其不同的方案有着不同的元器件，主要设计方案如下：方案一：采用逻辑电路设计实现时、分、秒计时功能和整点报时功能，以及校时功能都能通过芯片实现，电路通过计数时钟脉冲具有自动更新秒的显示，纯属硬件设计无需程序干预。显示电路时计数器分计数器秒计数器校时电路报时电路振荡电路分频电路2方案二：利用单片机编程实现通过利用单片机内部定时计数器实现计时，软件设置I/O作为数码管或液晶显示信号输出，时间校准按键输入。软件实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。综合比较上述各方案，考虑实验室所能提供的元器件级设备，以现在的知识水平，决定采用方案一设计逻辑电路作为最终选择方案。1.4总体工作过程1.4.1时间的前进和显示的实现首先由秒信号产生电路生产秒信号，将此信号接到秒计数器的信号输入端。接着，在这个秒信号的驱动下，秒计数器向分计数器进位，分计数器向时计数器进位，最后通过译码器将计数器中的状态以时间的形式显示出来，这样就实现时间的前进和显示功能。1.4.2整点报时的实现在时、分计数器的输出端接收整点的信号，驱动蜂鸣器的频率信号，在将此信号通过功率放大电路进行放大，从而使蜂鸣器工作。1.4.3校正时、分的实现在秒向分进位的路径中加入一条用手动产生信号的路径，并通过数据选择器来选择接通两条中的手动信号，从而实现对分的校正。同理，对时的校正的方法与此相同。1.5各功能块的划分和组成1.5.1秒信号产生电路方案一：采用555定时器组成的振荡器，产生1kHz后做千分频输出1Hz时钟。由于555是利用电容的充放电产生矩形波时间误差较大，需通过产生高频繁波形从而减少误差，但这样就必须另外加分步电路做分频，这样精度不是很高且增加了制作的成本。方案二：采用石英晶振电路产生稳定的时钟后做分频采用32768Hz的晶振产生2Hz时钟后通过CD4060二分频最终产生1Hz时钟。石英晶体的振荡频率为36728HZ，极为稳定，因而用它构成的多谐振荡器产生的波形的稳定性很高。由于石英晶体产生的振荡频率很高，需要用分频器进行分频处理。这里用CD4060分频器处理，再通过74LS74产生秒信号。如下图：3图2石英晶振电路综合比较两方案，通过555芯片产生的时钟周期与RC电路值有关容易产生较大的误差且需要使用3块十进制芯片构成千分频电路，而通过CD4060产生的时钟周期只与晶振的谐振频率有关可以产生稳定精确的时钟信号且仅需再加1块二分频芯片即可实现，综合考虑最终选择采用方案二。1.5.2时、分、秒计数电路及译码、显示电路此部分电路包括6个74LS90BCD码计数器和6个七段数码管，其中秒分是60进制，时接成24进制，及相应的译码显示器。时、分、秒都是要用两位十进制数表示的，时、分、秒的个位和十位所对应的计数器状态输出都是BCD码，因而用BCD码计数器。由于计数器构成的扩展进制数多为BCD码输出形式，所以显示采用由七段数码管译码器驱动器（CD4511）驱动数码管作为显示电路部分。1.5.3时、分的校正电路这部分电路由产生调节信号的装置和数据选择器组成。1.5.4整点报时电路这部分电路由控制音响的频率信号采集电路和蜂鸣器组成。2电路系统设计和分析2.1秒信号的发生电路秒信号发生电路由石英晶体振荡器、CD4060分频器和双D触发器组成。需要的元件有74LS74、CD4060，电阻若干、电容若干和36728HZ的晶振。其电路模型如下：4振荡电路是电子数字钟的核心部分，它的频率和稳定性直接关系到表的精度。因此选择石英晶体作为振荡器，为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为20uF，电阻为20M。石英晶体产生的频率为32768Hz，要得到1HZ的信号需要再次对它进行分频，故选用CD4060分频器分频，再加一个双D触发器得到1s的脉冲秒信号。2.2时、分、秒计数电路这部分电路由秒部分、分部分和时部分三部分组成，将这三部分进行一定的连接就可得到完整的时、分、秒计数电路。2.2.1秒部分此部分为一个60进制的74LS90计数器，它的CP脉冲是前面生成的秒信号，它的清零信号可以作为向分进位的进位信号。下面是电路连接图：74LS741HZ2HZCC4060图4秒信号产生电路1HZCD40605图5秒计数电路2.2.2分部分这部分电路与秒部分电路相似，它的输入CP是秒部分电路产生的进位信号，它的清零信号作为向时进位时的进位信号。电路图如下：2.2.3时部分这部分电路是一个24进制的计数器，它的输入CP为分部分的进位信号，需要的元件与秒、分电路一致。电路图如下：图6分计数电路6图7时计数电路2.3译码显示电路这部分电路由CD4511和数码管组成，CD4511是一个BCD七段译码器，具有BCD转换、消隐、锁存并兼有驱动功能，直接驱动LED显示器，通过CD4511，可将二进制数转化为十进制数，从而在数码管上显示十进制数字，其电路图如下：图8译码显示电路2.4校正时、分电路2.4.1校分电路实现分的校准的基本思路是：断开原来正常的分输入信号即秒电路的进位信号，把频率可以认为控制的手动脉冲接入，从而实现快速的人为的分计数，当到达准确的数值后再接入正常的计数脉冲，进行正常的前进。通过开关手动控制时、分脉冲输入。以下为接线图：7图10校分电路2.4.2校时电路该电路与校正分的思路完全一致，只是它的正常输入信号是分的进位信号而已。以下为整个时、分校正电路图：图11时分校正电路2.5整点报时电路这部分电路的要求是：在距离整点还有10秒的时候，每隔一秒鸣叫一次，声音共有五次，每次持续时间为一秒。其电路包括控制门电路部分和音响电路部分。其中控制门电路的功能是从时、分、秒计数电路中取出频率信号，输给音响电路。音响电路是根据控制门电路得到的频率信号驱动蜂鸣器发声的电路。以下为电路图：8图12整点报时电路3电路的安装与调试3.1安装调试的步骤首先布置芯片在万能板上的位置并对各个芯片进行功能检测以确定是好的。由于总电路的各个组成电路之间是相互独立的，因此将各个电路所需的芯片布置在一起，一简化接线。接着是接线并调试，因为各个电路的独立性，可以对各个单位电路进行单独的安装和调试，可以降低调试的难度。具体做法是：接秒、分电路部分的60进制、接时电路部分的24进制，同时接上相应的译码和显示电路，并进行测试，测试方法为给各部分电路一个手动的CP，通过观察数码管来确定电路是否正确。再接着就是接校时电路，并对起功能进行检验，检验方法为调节电键为不同的状态，观察能否完成手动校时和正常的计数功能，反复的检验和修改接线，直到正确完成指定功能为止。再接报时电路，并进行测试，测试的方法为将时间调到59分，观察当秒钟走到50秒时是否开始报时。当所有的布线都完成后，检测所有的功能，看是否符合要求。3.2电路软件仿真调式在焊接电路前，设计的电路图先用软件Proteus进行了仿真，并成功9地实现了设计要求的功能。具体仿真电路图如下：图13电路软件仿真调试3.3电路焊接及实物调式电路焊接实物正面图如下：图14电路实物图实物调试具体步骤：用示波器分别接入个单元电路，逐一进行测试并记录相关数据。10（1）首先用示波器检测振荡电路，测试并观察其输出波形和频率，记录频率，输出频率应为32768Hz。（2）将32768Hz信号输入到分频电路，用示波器检测输出频率并记录。（3）将1Hz脉冲信号依次输送到秒、分、时计