多功能數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)

1、多功能數(shù)字鐘朱安煙（安陽師范學(xué)院 物電學(xué)院, 河南 安陽 455002）摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置與機(jī)械式時(shí)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(zhǎng)的使用壽命。因此得到了更加廣泛的使用。 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯和時(shí)序電路。在這次設(shè)計(jì)中   本設(shè)計(jì)采用六位LED數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒以24小時(shí)計(jì)時(shí)方式根據(jù)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理來進(jìn)行顯示。用晶振產(chǎn)生振蕩脈加以分頻得到所需的鐘表秒脈沖,利用純數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子時(shí)鐘功能,時(shí)間重置功能。

2、 此次數(shù)字鐘的理圖設(shè)計(jì)，PCB圖的制作主要是基于altium designer軟件，利用proteus7.7軟件進(jìn)行仿真，最終本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的時(shí)鐘計(jì)時(shí)、時(shí)間重置功能。  關(guān)鍵詞：LED數(shù)碼管   時(shí)序電路  邏輯電路  時(shí)鐘  校時(shí)  1 引言 隨著人類科技文明的發(fā)展人們對(duì)于時(shí)鐘的要求在不斷地提高。時(shí)鐘已不僅僅被看成一種用來顯示時(shí)間的工具在很多實(shí)際應(yīng)用中它還需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多其它的功能。高精度、多功能、小體積、低功耗是現(xiàn)代時(shí)

3、鐘發(fā)展的趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下時(shí)鐘的數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時(shí)鐘生產(chǎn)研究的主導(dǎo)設(shè)計(jì)方向。  2 方案論證：   2.1方案一 由于是數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，可以用單片機(jī)AT89C51來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，相對(duì)于純數(shù)字電路來講它具有功耗低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但在大二下半學(xué)期初期，對(duì)單片機(jī)方面的內(nèi)容知識(shí)還不夠完善，加上用單片機(jī)為核心來做數(shù)字鐘還需做編程，對(duì)自身來說又是一難點(diǎn)。不過此法可以待以后，學(xué)習(xí)知識(shí)完善后再考慮。 2.2 方案二  繼而考慮到用原先學(xué)過的純數(shù)字電路來做，以74Ls160來做為計(jì)數(shù)

4、的芯片，用六片分別實(shí)現(xiàn) 數(shù)字鐘的小時(shí)、分、秒、的計(jì)數(shù)，并用晶振加以分頻產(chǎn)生數(shù)字鐘所需的秒脈沖。  從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，用此法做即可以復(fù)習(xí)回顧早期學(xué)習(xí)的數(shù)電模電知識(shí)，又避免了單片機(jī)知識(shí)不足的問題，故用此法。    3 結(jié)果與討論 3.1.1數(shù)字鐘主要計(jì)數(shù)芯片為74ls160其引腳圖如下： 這種同步可預(yù)置十進(jìn)計(jì)數(shù)器是由四個(gè)D型觸發(fā)器和若干個(gè)門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，具有計(jì)數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對(duì)所有觸發(fā)器同時(shí)加上時(shí)鐘，使得當(dāng)計(jì)數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時(shí)輸出變化彼此協(xié)調(diào)

5、一致而實(shí)現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時(shí)鐘）計(jì)數(shù)器中常有的輸出計(jì)數(shù)尖峰。緩沖時(shí)鐘輸入將在時(shí)鐘輸入上升沿觸發(fā)四個(gè)觸發(fā)器。 這種計(jì)數(shù)器是可全編程的，即輸出可預(yù)置到任何電平。當(dāng)預(yù)置是同步時(shí)，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計(jì)數(shù)，并在下一個(gè)時(shí)鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的（直接清零），不管時(shí)鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個(gè)觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。 超前進(jìn)位電路無須另加門，即可級(jí)聯(lián)出n位同步應(yīng)用的計(jì)數(shù)器。它是借助于兩個(gè)計(jì)數(shù)使能輸入和一個(gè)動(dòng)態(tài)進(jìn)位輸出來實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)計(jì)數(shù)使能輸入（ENP和ENT）計(jì)數(shù)時(shí)必須是高

6、電平，且輸入ENT必須正反饋，以便使能動(dòng)態(tài)進(jìn)位輸出。因而被使能的動(dòng)態(tài)進(jìn)位輸出將產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出脈沖，其寬度近似等于QA輸出高電平。此高電平溢出進(jìn)位脈沖可用來使能其后的各個(gè)串聯(lián)級(jí)。使能ENP和ENT輸入的跳變不受時(shí)鐘輸入的影響。 電路有全獨(dú)立的時(shí)鐘電路。改變工作模式的控制輸入（使能ENP、ENT或清零）縱使發(fā)生變化，直到時(shí)鐘發(fā)生為止，都沒有什么影響。計(jì)數(shù)器的功能（不管使能、不使能、置數(shù)或計(jì)數(shù)）完全由穩(wěn)態(tài)建立時(shí)間和保持時(shí)間所要求的條件來決定。   管腳說明： CLR:清零復(fù)位端  當(dāng)輸入為低電平時(shí)有效  C

7、LK：時(shí)鐘信號(hào)接收端    AD:讀入 QAQD:輸出   ENT、ENP置一時(shí)芯片正常工作 LOAD:置數(shù)端      RCO：信號(hào)輸出端      GND：接地   Vcc：接高   工作方式： 3.1.2  7段LED數(shù)碼管3.1.3 32.768KHZ晶振   

8、32.768KHZ是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率，晶振頻率的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面的參數(shù)：尺寸、負(fù)載電容、頻率偏差、應(yīng)用范圍。按尺寸外形來分主要分為插件和貼片的；插件的主要有2*6、3*8、49s 等，貼片的就有很多種了，跟據(jù)各公司的設(shè)計(jì)可的型號(hào)有很多，例如：日本KDS晶振就有49SMD、DST310S、SM14J、DST520、DST410S等。 CD4060分頻器  CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘

9、脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無限制 引腳功能： /CP1：時(shí)鐘輸入端/CP0：時(shí)鐘輸出端            /CP0：反相時(shí)鐘輸出端 Q4Q10，Q12Q14：計(jì)數(shù)器輸出端       /Q14：第14級(jí)計(jì)數(shù)器反相輸出端        VDD：電源正  

10、60;                            VSS：電源負(fù)         CR：清零端3.1.5 74ls48 功能介紹：  74LS48除了有實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能

11、的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448還引入了燈測(cè)試輸入端（LT）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動(dòng)態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。  由7448真值表可獲知7448所具有的邏輯功能：  （1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）  在燈測(cè)試輸入端（LT）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時(shí)，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見表1中116行。  

12、（2）消隱功能（BI=0）  此時(shí)BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號(hào)時(shí)，表1倒數(shù)第3行，無論LT 和RBI輸入什么電平信號(hào)，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動(dòng)態(tài)顯示。  （3）燈測(cè)試功能（LT = 0）  此時(shí)BI/RBO端作為輸出端， 端輸入低電平信號(hào)時(shí)，表1最后一行，與 及DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”，顯示器7個(gè)字段都點(diǎn)亮。該功能用于7段顯示器測(cè)試，判別是否有損壞的字段。  （4）動(dòng)態(tài)滅零功能（L

13、T=1，RBI=1）  此時(shí)BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號(hào)，RBI 端輸入低電平信號(hào)，若此時(shí)DCBA = 0000，表1倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個(gè)零。DCBA0，則對(duì)顯示無影響。該功能主要用于多個(gè)7段顯示器同時(shí)顯示時(shí)熄滅高位的零。  3.2 原理設(shè)計(jì) 整體電路設(shè)計(jì)方案：3.2.1 振蕩電路設(shè)計(jì)  振蕩電路由振蕩器產(chǎn)生的脈沖，振蕩器是數(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)字鐘的精確程度，次處有555定時(shí)器和晶振兩種

14、產(chǎn)生秒脈沖的方法：555振蕩器做振蕩源一般用于精確度要求不高的場(chǎng)合，由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差， 只能用于對(duì)頻率穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合?？紤]到振蕩頻率的精確度與穩(wěn)定性固采用晶振做為振蕩源來實(shí)現(xiàn)振蕩電路，得時(shí)鐘脈沖更穩(wěn)定，時(shí)間走的更準(zhǔn)37.268KHz晶振 通過cd4060分頻器進(jìn)行十四分頻得到0.5s的脈沖信號(hào)，再進(jìn)行一個(gè)SN74LS74進(jìn)行二分頻得到所需的秒脈沖信號(hào)：3.2.2 校時(shí)電路設(shè)計(jì)   

15、0;           根據(jù)電路設(shè)計(jì)所知需要在分處和小時(shí)處需要校時(shí)，分別在分和時(shí)個(gè)位向十位進(jìn)位處各加一開關(guān)，另一端接地并且在與地之間接100pf電容為防止按鍵抖動(dòng)。  電路設(shè)計(jì)如下：當(dāng)開關(guān)處于自然位置時(shí)分十位clk端所接為高電平，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)則引入一低電平實(shí)其clk端有一個(gè)下降沿脈沖接入，使其產(chǎn)生了校時(shí)功能。3.2.3顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路是用74ls48驅(qū)動(dòng)七段共陰數(shù)碼管來作為時(shí)鐘顯示器。 電路設(shè)計(jì)如下：   3.2.4 計(jì)

16、時(shí)電路設(shè)計(jì)     數(shù)字鐘的秒和分位都是從0到60循環(huán)計(jì)數(shù)的，所以可以用用異步清零法設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為秒和分的計(jì)數(shù)器。用異步置數(shù)法設(shè)計(jì)小時(shí)所用的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。秒、分位設(shè)計(jì)電路如下：  3.3  程序調(diào)試過程 在板子焊接好以后通上5V電源發(fā)現(xiàn)六Led燈只有三個(gè)能完整亮出來，其余的都不亮或是亮的不全，而且秒位不走，校時(shí)按鍵不管用。問題很多。 開始調(diào)試： 1、首先調(diào)試的是秒位為何不走，先測(cè)晶振石否起振，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)晶振正常起振，然后從74ls160的clk端用示波器測(cè)試一下沒有脈沖信號(hào)輸

17、入，則找74ls74的輸出口也無脈沖，以次往前推，最后測(cè)量出從74ls74輸入端有正確的脈沖輸入，輸出端卻無脈沖輸出。觀察后沒有連接錯(cuò)誤，故用萬用表測(cè)vcc.end端都有正確的電平接入，再測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間是否有漏焊現(xiàn)象，最后測(cè)出一處漏焊點(diǎn)使D端與Q端沒有接通。重新焊接后秒位正常計(jì)時(shí)。        2、秒位正常計(jì)時(shí)，但向秒的十位進(jìn)位時(shí)總是顯示從8到19，查閱資料可知，在第一個(gè)160芯片到第二個(gè)160芯片中缺一個(gè)非門，充當(dāng)延時(shí)作用，使個(gè)位計(jì)數(shù)到9再來一個(gè)脈沖下計(jì)數(shù)時(shí)再向前進(jìn)位。加上非門進(jìn)位正常了。  &

18、#160;     3、秒位向分位進(jìn)位正常，但校時(shí)按鍵不能用，且分位向十分位不能進(jìn)位，通過觀察焊接對(duì)比原理圖與pcb圖后發(fā)現(xiàn)，開關(guān)接地的一端弄反了，應(yīng)是開關(guān)與接電容端相側(cè)對(duì)著的端接地。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致開關(guān)不能用，亦使分的十位端的74ls160芯片clk段一直接了地，故不能使其正常進(jìn)位。修改過后則可以正常進(jìn)位，且兩開關(guān)都能用了。          4、顯示小時(shí)位的第一個(gè)數(shù)碼管一直不亮，通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)led數(shù)碼管沒有燒壞，能正常工作，通過對(duì)比PCB圖觀察沒有焊接錯(cuò)誤，用萬用表測(cè)量則發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)次led的74ls48管沒有正常接地，連接跳線處有一虛焊，重新焊接后恢復(fù)正常。  5、但分向小時(shí)不能進(jìn)位，由示波器觀察發(fā)現(xiàn)74ls160芯片clk端無脈沖輸入，但十分位有脈沖輸出，且導(dǎo)線也導(dǎo)通了，就觀察原理圖發(fā)現(xiàn)原理圖一處錯(cuò)誤，分向時(shí)進(jìn)位時(shí)是分滿60向前進(jìn)一個(gè)脈沖，故分的TC端不用再接到時(shí)的CLK端了。找到錯(cuò)誤后用鑷子將板上的銅線劃段，則正常進(jìn)位了。