多功能數(shù)字鐘的設(shè)計與仿真

1、目 錄1緒論12 Proteus軟件介紹23數(shù)字鐘的原理框圖44電路的設(shè)計54.1主體電路的設(shè)計54.1.1秒脈沖電路的設(shè)計54.1.2計時及狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)64.1.3譯碼與顯示電路的設(shè)計84.1.4校時電路的設(shè)計104.1.5主體電路圖114.2功能擴(kuò)展電路的設(shè)計124.2.1定時控制電路的設(shè)計124.2.2整點報時電路的設(shè)計154.3整體電路的設(shè)計175整體電路的仿真196電路功能測試以及常見問題解決本法206.1電路功能測試206.2常見問題解決辦法2 07元件清單218 心得體會229參考文獻(xiàn)23多功能數(shù)字鐘的設(shè)計1.緒論數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機(jī)械式

2、時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，并且可以實現(xiàn)更多的功能，如：定時控制、整點報時、鬧鐘、觸摸報整點時數(shù)等，在現(xiàn)實生活中，各種數(shù)字鐘已得到了非常廣泛的使用。數(shù)字鐘的設(shè)計方法有許多種，例如,可用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘，也還可以利用單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)字鐘等。這些方法都各有其特點，其中利用中小規(guī)模集成電路組建數(shù)字鐘，原理簡單，但由于集成電路集成度有限，對于需要實現(xiàn)較多功能的電路設(shè)計比較復(fù)雜，對于制作者焊接和布線有較高的要求。用單片機(jī)實現(xiàn)的電子鐘具有結(jié)構(gòu)簡單，并便于功能的擴(kuò)展，但需要涉及到匯編以及C語言編寫程序，對設(shè)計者有較高的要求。本次設(shè)計為用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字

3、鐘。2.Proteus軟件介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結(jié)果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計功能，同時可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系

4、列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。一臺計算機(jī)、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當(dāng)于一個設(shè)備先進(jìn)的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。在計算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試等。1)proteus的工作過程 運(yùn)行proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view菜單

5、下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pickdevices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單的Definecodegenerationtools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項目；在source菜單的Add/removesourcefiles命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。 2)Proteus軟件所提供的元件資源Proteus軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和

6、模擬、交流和直流等。 3)Proteus軟件所提供的儀表資源 對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇遥瑴y試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。 4)Proteus軟件所提供的調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。 對

7、于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pauseanimation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運(yùn)行；或用debug菜單下的stopanimation菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運(yùn)行。其運(yùn)行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進(jìn)行。 對于軟件的分步調(diào)試，應(yīng)先執(zhí)行debug菜單下的start/restartdebugging菜單項命令，此時可以選擇stepover、stepinto和stepout命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進(jìn)入子程序執(zhí)行和跳出子程

8、序執(zhí)行。在執(zhí)行了start/restartdebuging命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機(jī)的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時分析和查看。 3.數(shù)字鐘的原理框圖根據(jù)設(shè)計要求，可建立數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，如圖3-1所示，數(shù)字中電路系統(tǒng)由主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分組成，其中，主體電路完成數(shù)字鐘的基本計數(shù)功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘的定時、整點報時擴(kuò)展功能。秒顯示器分顯示器時顯示器主 體 電 路 擴(kuò)展電路定時控制秒譯碼器分譯碼器時譯碼器整點報時秒脈沖發(fā)生器秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器校時電路圖3-1 數(shù)字鐘原理框圖該系統(tǒng)的工作原理是：用振蕩器產(chǎn)生的高脈沖信號作為數(shù)字鐘的秒脈沖發(fā)生器，秒

9、脈沖接入秒計數(shù)器，秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器個位進(jìn)位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器個位進(jìn)位并且小時計數(shù)器按照“24翻1”的規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時與實際時間出現(xiàn)誤差時電路可以進(jìn)行校時、校分。擴(kuò)展電路的整點報時和鬧鐘功能必須在主體電路正常運(yùn)行的情況下才能實現(xiàn)。4.電路的設(shè)計4.1主體電路的設(shè)計主體電路是由功能部件和單元電路組成的，在設(shè)計這些電路和選擇元器件時，盡量選用同類型的元器件，考慮到CMOS集成電路的承受能力，最好選用TTL集成芯片，整個電路選用芯片應(yīng)盡可能的少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計。4.1.1秒脈沖電路的設(shè)計數(shù)字電路中秒脈沖發(fā)生器是由振蕩器產(chǎn)生的，振

10、蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。一般電路中振蕩器可由石英晶體振蕩器或者555振蕩器構(gòu)成，下面將分別介紹這兩種振蕩器。1）石英晶體振蕩器如圖4-1所示，振蕩器可由以下石英晶體振蕩器構(gòu)成，石英晶體振蕩器震蕩頻率有石英晶體的頻率決定，石英晶體振蕩器具有振蕩頻率精確度高的特點，但由于其起振是由外界干擾產(chǎn)生的，仿真為理想條件，故仿真中無輸出波形，得到波形后，還需再分頻已得到所需頻率波形。圖4-1 石英晶體振蕩器 圖4-2 555振蕩器2）555振蕩器如圖4-2所示，振蕩器由555與R、C組成的多些振蕩器，由555多些振蕩器振蕩頻率公式可得將C2、R9、R10、R

11、P取適當(dāng)?shù)闹导纯傻玫筋l率為1HZ的秒脈沖。且RP具有微調(diào)電路工作頻率的功能，本電路可產(chǎn)生比較精確的脈沖。本次設(shè)計采用555振蕩器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器。4.1.2時分秒計數(shù)器的設(shè)計數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進(jìn)制計數(shù)電路和24進(jìn)制計數(shù)電路實現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法。當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。以60進(jìn)制為例，當(dāng)計數(shù)器從00，01，02，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)?shù)?0個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)模為60的循環(huán)計數(shù)。下面將分別介紹60進(jìn)制分秒計數(shù)器和24進(jìn)制小時計數(shù)器。1）60進(jìn)

12、制計數(shù)器，電路圖如圖4-3所示圖4-3 60進(jìn)制計數(shù)器電路由兩片74LS90和一個與門構(gòu)成，分別為60進(jìn)制計數(shù)器的十位和個位，十位為六進(jìn)制，個位為十進(jìn)制，兩者級聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到59時，在下一個秒脈沖作用下實現(xiàn)反饋清零，電路重新開始下一輪計數(shù)。下面對74LS90集成電路加以說明。74LS90是二五十進(jìn)制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端CPA和CPB。其中，CPA和組成一位二進(jìn)制計數(shù)器；CPB和組成五進(jìn)制計數(shù)器；若將與相連接，時鐘脈沖從輸入，則構(gòu)成了8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器。74LS90有兩個清零端R0（1）、R0（2），兩個置9端R9（1）和R9（2），且均為高電平有效，本次設(shè)計

13、即利用清零端實現(xiàn)六進(jìn)制。74LS90的管腳圖如圖4-4所示，其BCD碼十進(jìn)制計數(shù)時序如表4-5，二五混合進(jìn)制計數(shù)時序如表4-6。圖4-4 74LS90管腳圖表4-5 BCD碼十進(jìn)制計數(shù)時序 表4-6 二五混合進(jìn)制計數(shù)時序2）24進(jìn)制計數(shù)器用74Ls90設(shè)計24進(jìn)制電路與60進(jìn)制電路原理基本相同，只是把原來60清零改為目前24清零即可，電路如圖4-7所示圖4-7 24進(jìn)制電路工作原理與60進(jìn)制計數(shù)部分基本相同，只是當(dāng)計數(shù)器達(dá)到23時，在下一個分進(jìn)位脈沖作用下實現(xiàn)反饋清零，重新開始下一輪計數(shù)4.1.3 譯碼與顯示電路的設(shè)計譯碼與顯示電路如圖4-8所示圖4-8 譯碼與顯示電路電路的工作原理：譯碼是編

14、碼的反過程，譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進(jìn)制譯碼器、二十制譯碼器和BCD7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結(jié)果。電路中的主要元件及功能介紹：1）譯碼器74LS48譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。在本電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器74LS48，用74LS48把輸入的8421

15、BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。 74LS48的管腳圖如圖4-9。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進(jìn)制數(shù)表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器74LS248，CD4511。圖4-9 74LS48管腳圖（2）顯示器SM421050N在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必

16、須接地。SM421050N的管腳功能圖如圖4-10所示圖4-10 SM421050N管腳圖4.1.4校時電路的設(shè)計校時電路的作用是：當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能。一般電子表都具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設(shè)計中只進(jìn)行分和小時的校時。校時電路如圖4-11所示。校時電路工作原理：設(shè)計要求電路校時時，應(yīng)不影響原電路正常工作。當(dāng)單刀雙擲開關(guān)SW1撥至上端時，SR觸發(fā)器輸出為“0”，與非門U16：A和U16：B被截止，按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平被屏蔽，此時電路能正常工作，且校時功能不起作用，此功能可用來防止因錯誤操作而導(dǎo)致時鐘出錯。當(dāng)S

17、W1撥至下端時，SR觸發(fā)器輸出為“1” 與非門U16：A和U16：B打開，在無按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平時，非門U16：A和U16：B輸出“0”，此時電路正常工作，在按鈕開關(guān)1或按鈕開關(guān)2按下并松開瞬間，U16：A和U16：B輸出“1”，經(jīng)過異或門之后，即可產(chǎn)生脈沖，即實現(xiàn)了電路的校時功能，且不影響電路正常工作。按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2分別控制時校時和分校時。圖4-11 校時電路4.1.5主體電路圖主體電路圖如圖4-12所示圖4-12 主體電路圖4.2功能擴(kuò)展電路的設(shè)計4.2.1定時控制電路的設(shè)計設(shè)計要求：電路具有顯示鬧鐘定時時間功能，當(dāng)電路到達(dá)設(shè)定的時刻時發(fā)出鬧鐘信號，持續(xù)時間為一分

18、鐘，一分鐘過后，鬧鐘停止，數(shù)字鐘繼續(xù)記時。且具有電路止鬧功能，即鬧鐘時可以使鬧鐘停止，也可提前將停止鬧鐘功能，使電路不再鬧時。設(shè)計思路：定時電路的控制應(yīng)由三部分組成，一部分由計數(shù)器在外界人工操作下設(shè)置鬧鐘時刻，一部分由鎖存電路構(gòu)成，鎖存計數(shù)器設(shè)置的時刻，第三部分由比較報時電路構(gòu)成，由設(shè)計要求可知，當(dāng)比較器輸入的鬧鐘的時分與數(shù)字鐘基本電路的時分時刻相同時比較發(fā)出鬧鐘信號，驅(qū)動蜂鳴器或發(fā)光二極管發(fā)出聲或光鬧鐘信號1)鬧鐘時刻設(shè)置部分鬧鐘部分電路圖如圖4-13所示圖4-13 鬧鐘時刻設(shè)置電路工作原理說明：鬧鐘時刻只有時和分，其工作原理與基本電路的校時電路完全相同。在單刀雙擲開關(guān)撥至下面時，按鈕開關(guān)分

19、別控制時和分的定時時刻設(shè)置。2)鎖存部分鎖存部分電路如圖4-14所示圖4-14 鎖存部分電路工作原理：鎖存器74LS373為八輸入鎖存器當(dāng)使能端OE為“0”時且LE為“1”輸出Qn等于輸入Dn，當(dāng)OE為“1”時鎖存器輸出高阻態(tài)可以通過開關(guān)SW4控制鎖存器的片選功能，使顯示器顯示鬧鐘定時時刻或者數(shù)字鐘正常時間。圖中當(dāng)開關(guān)撥至上端時，顯示正常時間，開關(guān)撥至下端時，顯示器顯示鬧鐘定時時刻。圖4-15和4-16分別為鎖存器74LS373的功能表和管腳圖。圖4-154LS373功能表圖4-16 74LS373管腳圖。3)比較報時部分比較報時部分電路如圖4-17所示圖4-17 比較報時部分電路如圖4-17

20、工作原理：分別把鬧鐘定時時刻和始終時刻輸入兩片比較器74LS85中當(dāng)且僅當(dāng)兩片輸入時和分相等時QA=B輸出“1”，此時驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，發(fā)光二極管發(fā)光?？沙掷m(xù)一分鐘，直到時鐘秒進(jìn)位，時鐘分鐘加1。鬧鐘到時間時，斷開開關(guān)，則鬧鐘停止，次開關(guān)可以控制鬧鐘的斷和開。圖4-18和4-19分別為鎖存器74LS373的管腳圖和功能表。圖4-18 74LS373管腳圖圖4-19 74LS373功能表4.2.2整點報時電路的設(shè)計設(shè)計要求：要求電路具有整點報時功能，當(dāng)時鐘電路為59分時，從50秒開始，每隔一秒鐘響一次直到進(jìn)位變?yōu)?0分。設(shè)計思路：可利用一與門將時鐘分59為“1”的輸出端與秒十位為5時為“1”的輸出

21、端與時鐘脈沖信號與在一起，當(dāng)條件符合時，電路即可以報時，報時信號可以是聲音報時和光報時兩種。整點報時電路如圖4-20所示圖4-20 整點報時電路工作原理：在秒脈沖作用下，電路開始正常計數(shù)。當(dāng)計數(shù)達(dá)到59分50秒時，在秒脈沖作用下，與非門輸入全為“1”此時與非門輸出“0”，經(jīng)反相器后輸出為“1”，高電平驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時發(fā)光二極管開始發(fā)光，發(fā)出整點報時信號。由于接入秒脈沖信號，揚(yáng)聲器發(fā)聲和發(fā)光二極管的工作頻率均為1Hz，持續(xù)10秒鐘后，停止整點報時。圖中所用74LS30、74LS08、74LS04管腳圖分別如圖4-21、4-22、4-23所示。圖4-21 74LS30管腳圖圖4-22 74

22、LS08管腳圖圖4-23 74LS04管腳圖4.3整體電路的設(shè)計將以上主體電路和擴(kuò)展電路經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐帕?，組合連接為整體電路圖，整體電路圖如圖4-24所示圖4-24 整體電路圖5.整體電路的仿真用Proteus軟件繪制好電路圖，開始運(yùn)行，經(jīng)過多次調(diào)試和改裝，電路終于能正常運(yùn)行，并實現(xiàn)設(shè)計要求所有功能。圖5-1為仿真運(yùn)行過程中顯示部分圖。圖5-1 仿真運(yùn)行過程中顯示圖6.電路功能測試以及常見問題解決本法6.1電路功能測試按照設(shè)計要求，逐項測試電路功能1）數(shù)字鐘計數(shù)功能測試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、60進(jìn)制。計數(shù)功能符合設(shè)計要求。2）校時功能測試：在顯示時鐘時間時，按動時鐘調(diào)時、時鐘調(diào)分按鈕開關(guān)時，時、分均可以調(diào)節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設(shè)計要求。3）整點報時功能測試：電路基數(shù)時，當(dāng)時鐘到達(dá)59分50秒時，電路發(fā)出整點報時信號，頻率為1Hz，持續(xù)10秒鐘后，報時停止。整點報時功能符合設(shè)計要求。4)鬧鐘功能測試：切換顯示開關(guān)，使顯示器顯示鬧鐘時刻，通過定時開關(guān)調(diào)節(jié)定時的時和分，當(dāng)時鐘到達(dá)定時時刻時，揚(yáng)聲器響起，發(fā)光二極管發(fā)光，頻率均為1Hz。鬧鐘時間為1分鐘。斷開鬧鐘控制開關(guān)，鬧鐘停止。切換顯示開關(guān)至?xí)r鐘部分，時鐘部分能繼續(xù)正常工作。鬧鐘功能符合設(shè)計要求。6.2常見問題