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數(shù)電電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)，具有校時(shí)控制，整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，proteus設(shè)計(jì)，數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒.分.時(shí)的記時(shí)裝置，主要是采用先進(jìn)當(dāng)代電子技術(shù)，使用微型時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘，與傳統(tǒng)機(jī)械相比，它的時(shí)鐘精度，顯示直觀，無機(jī)械傳動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。此外，人們?cè)谏詈凸I(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)時(shí)鐘的功能也提出了許多更高的要求，如校時(shí)、定時(shí)報(bào)時(shí)等功能。廣泛的應(yīng)用:小到人們的日常生活中的電子手表、電子鬧鐘，大到車站.碼頭.機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)字顯電子鐘。
本設(shè)計(jì)是要通過簡單的邏輯芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘。用74LS161(10進(jìn)制計(jì)數(shù)器)、74LS00(與非門芯片)、74LS08(與門)、74LS47(譯碼器)等連接成60和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,再通過數(shù)碼管顯示，構(gòu)成簡單數(shù)字時(shí)鐘顯示部分。使用555(定時(shí)器)等組成構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生電路。使用單刀雙擲開關(guān)等構(gòu)成時(shí)、分、秒快速校驗(yàn)電路。使用74LS08(與門)和喇叭構(gòu)成定時(shí)報(bào)時(shí)電路。
目錄
摘要. 4
一、數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)目的及要求. 6
1.1設(shè)計(jì)目的... 6
1.2設(shè)計(jì)要求... 6
二、設(shè)計(jì)方案思路. 6
三．?dāng)?shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)框圖. 6
四．設(shè)計(jì)內(nèi)容. 6
4.1標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生電路... 6
4.2以24小時(shí)為周期的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路... 8
4.2.1.計(jì)數(shù)譯碼電路... 8
4.2.2.顯示電路... 9
4.3數(shù)字時(shí)鐘的時(shí)、分、秒快速校時(shí)電路... 11
4.4數(shù)字時(shí)鐘的定時(shí)報(bào)時(shí)電路... 12
4.5數(shù)字時(shí)鐘總電路原理圖及PCB圖... 12
六、設(shè)計(jì)心得及體會(huì). 15
參考文獻(xiàn). 16
一、數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)目的及要求
1.1設(shè)計(jì)目的
總體目的：通過設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，鍛煉所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題能力。
(1)鞏固已學(xué)習(xí)的《電子技術(shù)(模擬和數(shù)字部分)》理論知識(shí)；
(2)熟悉電子系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)；
(3)熟悉電子應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程和步驟；
(4)掌握虛擬仿真軟件(Multisim、EWB、Proteus等)的使用；
(5)掌握電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和電路圖繪制(Altium Designer軟件)以及PCB版生成；
(6)培養(yǎng)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
1.2設(shè)計(jì)要求
(1)以24小時(shí)為一個(gè)周期，顯示時(shí)、分、秒；
(2)具有校時(shí)功能；
(3) 采用虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。
(4) 設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；
(5)設(shè)計(jì)時(shí)間控制功能；
二、設(shè)計(jì)方案思路
本次設(shè)計(jì)先利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)1s的時(shí)間源信號(hào)，再通過計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過譯碼器和顯示器進(jìn)行顯示時(shí)鐘數(shù)字，并且增加校驗(yàn)控制功能和在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘報(bào)時(shí)，通過虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試并采用Protel軟件繪出硬件電路圖和PCB版圖。
三．?dāng)?shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)框圖
圖1-1-1所示為數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)框圖。
圖1-1-1
四．設(shè)計(jì)內(nèi)容
4.1標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生電路
標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生的脈沖式計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生的秒脈沖是計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)，要求有高的穩(wěn)定度，通常應(yīng)由晶體穩(wěn)頻振蕩器產(chǎn)生。為了簡便起見，也可由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來完成。圖1-1-2所示為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生電路。該555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的振蕩周期為T=0.7(R:+2R)C，可通過調(diào)節(jié)電位器R2的阻值，產(chǎn)生振蕩周期為1s的周期性脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源。信號(hào)源原理圖如圖2-2所示。
通過Proteus 8.0仿真軟件自帶的示波器觀察，如圖2-3所示
示波器上顯示標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源產(chǎn)生電路振蕩周期T為994ms近似等于1s。由于精度要求并不高，所以次電路圖滿足設(shè)計(jì)要求
4.2以24小時(shí)為周期的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路
4.2.1.計(jì)數(shù)譯碼電路
整個(gè)計(jì)數(shù)器電路由秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器串接而成。秒脈沖信號(hào)經(jīng)過6級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位以及時(shí)個(gè)位、時(shí)十位的計(jì)時(shí)。顯示6位的“時(shí)”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模的計(jì)數(shù)器。其中，秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器都是六十進(jìn)制，時(shí)計(jì)數(shù)器為二十四/十二進(jìn)制，都選用74161來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法采用反饋清零法。
秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器各由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（個(gè)位）和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器（十位）串接組成，形成兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其中個(gè)位計(jì)數(shù)器接成十進(jìn)制形式。十位計(jì)數(shù)器選擇Q1與Q2端做反饋端，經(jīng)與非門輸出至控制清零端MR，接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)形式（計(jì)數(shù)至0110時(shí)清零）。個(gè)位與十位計(jì)數(shù)器之間采用將個(gè)位計(jì)數(shù)器的Q1和Q3端通過74LS08（與門）連接至十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK，完成個(gè)位對(duì)十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位控制。將十位計(jì)時(shí)器的反饋清零信號(hào)經(jīng)74LS08與門輸出，作為六十進(jìn)制的進(jìn)位輸出脈沖信號(hào)，即當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至60時(shí)，反饋清零的低電平信號(hào)經(jīng)過74LS00與非門輸入MR端，同時(shí)經(jīng)與門變?yōu)楦唠娖剑谕郊?jí)聯(lián)方式下，控制高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。 創(chuàng)建如圖2-1所示的電路。
二十四\十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路 ，本實(shí)驗(yàn)采用二十四進(jìn)制，如圖2-2所示的電路，給兩個(gè)芯片的使能端提供高電平，CLK接分計(jì)數(shù)電路提供過來的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)個(gè)位的Q0-Q1為1010時(shí)，Q3和Q1通過與非門的輸出信號(hào)，與十位的Q1和個(gè)位的Q3通過與非門輸出的信號(hào)再經(jīng)過一個(gè)與門連接至個(gè)位清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)個(gè)位為10時(shí)個(gè)位清零，十鐘為24時(shí)，十位和各位同時(shí)清零。
4.2.2.顯示電路
用共陽極七段數(shù)碼管（本實(shí)驗(yàn)采用八段，本質(zhì)上沒有區(qū)別）將譯碼顯示電路是將計(jì)數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平。譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動(dòng)器。譯碼顯示電路采用74LS47七段譯碼驅(qū)動(dòng)器。譯碼器A、B、C、D與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的信號(hào)。根據(jù)A、B、C、D所得的計(jì)數(shù)信號(hào)，數(shù)碼管顯示的相對(duì)應(yīng)的字型。
（1）八段數(shù)碼管
使數(shù)碼管能顯示十進(jìn)制數(shù)。必須將十進(jìn)制數(shù)代碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段。所以，譯碼器的功能就是，對(duì)應(yīng)于某一組數(shù)碼輸入，相應(yīng)的幾個(gè)輸出端有有效信號(hào)輸出。 常用的集成七段顯示譯碼器有兩類，一類譯碼器輸出高電平有效信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，另一類輸出低電平有效信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)共陽極顯示器。 74LS47七段顯示譯碼器的邏輯符號(hào)如所示，功能表如圖3.2.3.3所示。
當(dāng)輸入8421BCD碼時(shí)，輸出低電平有效。用以驅(qū)動(dòng)共陽極顯示器。
（2）74LS47原理
1）LT： 試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT=0時(shí)，無論輸入A3，A2，A1，A0 為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，也就是七段將全亮，若驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管正常，是顯示8。2）BI： 滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。當(dāng)BI=0時(shí)，不論LT和輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。3）RBI： 滅零輸入，它是為使不希望顯示的0 熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對(duì)每一位A3= A2 =A1=A0=0時(shí)，本應(yīng)顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號(hào)的結(jié)果一樣，將0熄滅。4）RBO： 滅零輸出，它和滅燈輸入BI（一）共用一端，兩者配合使用，可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。
74LS47是BCD-7 段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，74LS47 的功能用于將BCD 碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字，通過它來進(jìn)行解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的數(shù)字，從而簡化了程序，節(jié)約了單片機(jī)的IO開銷。因此是一個(gè)非常好的芯片！ 但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮，此類芯片已經(jīng)少用，大部分情況下都是用動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示。譯碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)的輸出的高、低電平信號(hào)。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、二--進(jìn)制譯碼器和顯示譯 碼器。譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系 74LS47 是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，表2.1列出了74LS47的真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。
74LS47真值表：
圖
4.3數(shù)字時(shí)鐘的時(shí)、分、秒快速校時(shí)電路
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的調(diào)時(shí)問題，我們采取在秒向分、分向時(shí)的進(jìn)位信號(hào)作處理。采用了 單刀雙擲開關(guān)對(duì)時(shí)鐘的校正功能的實(shí)現(xiàn)。由于單刀雙擲開關(guān)屬于機(jī)械開關(guān)，容易產(chǎn)生機(jī)械抖 動(dòng)，故我們利用由74LS0中的兩個(gè)與非門組成RS 觸發(fā)器，對(duì)它進(jìn)行消抖。電路連接如圖 3-1。
電路開關(guān)的使用方法 (1) 正常工作時(shí)，開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW5、SW6都扳到右邊，此時(shí)開關(guān)SW4不影響數(shù)字鐘工作。 (2)在進(jìn)行對(duì)時(shí)作校正時(shí)，開關(guān)SW3或SW5扳到左邊，SW4在進(jìn)行左右扳動(dòng)時(shí)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)個(gè)位加脈沖信號(hào)，校時(shí)完將SW3或SW5扳到右邊。對(duì)分校時(shí)也相同，將要校時(shí)的位所對(duì)應(yīng)的開關(guān)扳到左邊，然后反復(fù)撥動(dòng)開關(guān)SW4如圖3.8.
4.4數(shù)字時(shí)鐘的定時(shí)報(bào)時(shí)電路
由于該整點(diǎn)報(bào)時(shí)數(shù)字鐘要求在59分50秒開始報(bào)時(shí)，并且報(bào)時(shí)10秒（即報(bào)完時(shí)剛好到整點(diǎn)）。因此我們要把分十位上取5(即把分十位上輸出端Q0和Q2通過74LS08與門輸出)作為74LS08的一個(gè)與門輸入，和分個(gè)位上取9(即分個(gè)位上輸出端口Q0和Q3通過與門輸出)作為74L5S08 的一個(gè)與門輸入， 5(即秒十位上輸出的Q1和Q3通過與門輸出)作為74LS08 的一個(gè)與門輸入。最后把 再把該與門輸出與秒5接到與門后，再連到蜂鳴器。
4.5數(shù)字時(shí)鐘總電路原理圖及PCB圖
在前面設(shè)計(jì)好的單元電路以及圖1-1所示的框圖的基礎(chǔ)上，我們便可以可以設(shè)計(jì)出整機(jī)的電路圖。 把555振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入分頻器，分頻器將時(shí)基信號(hào)分頻為每秒一次的方波作為秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把得到的累計(jì)結(jié)果分別通過時(shí)顯示器、分顯示器、秒顯示器以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。具體的，在本數(shù)字計(jì)時(shí)電路系統(tǒng)中，利用兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)“秒”和“分”的顯示，而利用兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的12進(jìn)制計(jì)數(shù)電路則可實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”的顯示。 有些時(shí)候，計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些誤差，這時(shí)候，則可以利用此系統(tǒng)中的校時(shí)電路分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì)。校時(shí)電路可通過兩只功能鍵進(jìn)行操作，即工作狀態(tài)選擇鍵S1和校時(shí)鍵S2配合操作完成計(jì)時(shí)和校時(shí)功能。當(dāng)按動(dòng)S1鍵時(shí)，系統(tǒng)可依次選擇計(jì)時(shí)、校時(shí)、校分、校秒這四種工作狀態(tài)。連續(xù)按動(dòng)S1鍵時(shí)，系統(tǒng)則按上述順序循環(huán)選擇(通過順序脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn))。若希望此系統(tǒng)以2Hz的速率分別實(shí)現(xiàn)各種校準(zhǔn)，只需要在系統(tǒng)處于上述后三種狀態(tài)時(shí)(即系統(tǒng)處于校時(shí)狀態(tài)下)，再次按下S2鍵即可實(shí)現(xiàn)。各種校準(zhǔn)必須互不影響，即在校時(shí)狀態(tài)下，各計(jì)時(shí)器間的進(jìn)位信號(hào)是不允許傳送的。當(dāng)時(shí)間校對(duì)完畢時(shí)，釋放S2鍵，校時(shí)功能就會(huì)停止，再按動(dòng)S1鍵，系統(tǒng)就會(huì)返回計(jì)時(shí)狀態(tài)重新開始計(jì)時(shí)。 此數(shù)字計(jì)時(shí)電路系統(tǒng)的整機(jī)圖見圖5-1。
圖5-1
使用proteus 8.0進(jìn)行仿真，如圖5-2和圖5-3所示，在59分50秒到1小時(shí)之間10秒類進(jìn)行了整點(diǎn)報(bào)時(shí)，喇叭發(fā)出10s的聲響，整點(diǎn)后結(jié)束。
圖5-2
圖5-3
通過proteus 8.0進(jìn)行pcb圖繪制，如圖5-4所示。 圖5-4
3D視圖如5-5所示（由于proteus沒有7段數(shù)碼管和單刀雙擲開關(guān)的pcb封裝，要自制封裝，但自制封裝在3D視圖中并無法呈現(xiàn)7段數(shù)碼管和單刀雙擲開關(guān)的3D視圖，即在3D視圖中呈現(xiàn)紅色方框）
六、設(shè)計(jì)心得及體會(huì)
從上個(gè)世紀(jì)末到現(xiàn)在，電子產(chǎn)品已經(jīng)悄無聲息地滲透到社會(huì)的各行各業(yè)。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，我們的生活節(jié)奏越來越快，電子產(chǎn)品的性能也越來越好、更新速度也越來越快，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的提高、現(xiàn)代化和信息化社會(huì)的建立提供了持續(xù)的動(dòng)力并給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)字計(jì)時(shí)器的應(yīng)用越來越廣泛。由此可見，掌握數(shù)字計(jì)時(shí)電路并對(duì)其作深入研究，不斷地從各個(gè)方面擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常實(shí)際的意義。基于數(shù)字計(jì)時(shí)電路系統(tǒng)的重要性，本次設(shè)計(jì)選取其作為設(shè)計(jì)課題，并對(duì)其電路系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。數(shù)字計(jì)時(shí)電路使用靈活，應(yīng)用廣泛，具有使用安全、性能可靠、價(jià)格低廉、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過本次對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我感覺我在以下幾個(gè)方面都有很大的進(jìn)步：首先，我在資料搜集方面得到一定的提高。任何一種高水平的工程設(shè)計(jì)，都必須有豐富的科學(xué)書目作為必要的參考資料，這次設(shè)計(jì)中通過英文翻譯，使我在專業(yè)英語能力方面有了進(jìn)一步的提高。其次，通過所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力有了一定的提高，專業(yè)知識(shí)也有得到鞏固。通過這次設(shè)計(jì)，我從分析實(shí)際工作的過程中，學(xué)會(huì)怎樣利用理論知識(shí)去解決實(shí)際的問題。 另外，當(dāng)代的大學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)中，早已不再局限于對(duì)書本上知識(shí)的死記硬背，而是在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上再配以實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)自己解決問題的本領(lǐng)，以此來加強(qiáng)我們的實(shí)際操作能力。通過自己的努力，完成文檔設(shè)計(jì)，把我所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)地回顧一遍并享受其帶給我們的樂趣。而且在設(shè)計(jì)過程中不斷地發(fā)現(xiàn)并解決問題，對(duì)我自己的邏輯思維能力提高也有很大幫助，對(duì)我以后的應(yīng)聘和就業(yè)也會(huì)有莫大的好處。
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