多功能数字钟的设计与仿真

1绪论 (1)

2P r o t e u s软件介绍 (2)

3数字钟的原理框图 (4)

4电路的设计 (5)

4.1主体电路的设计 (5)

4.1.1秒脉冲电路的设计 (5)

4.1.2计时及状态转换功能的实现 (6)

4.1.3译码与显示电路的设计 (8)

4.1.4校时电路的设计 (10)

4.1.5主体电路图 (11)

4.2功能扩展电路的设计 (12)

4.2.1定时控制电路的设计 (12)

4.2.2整点报时电路的设计 (15)

4.3整体电路的设计 (17)

5整体电路的仿真 (19)

6电路功能测试以及常见问题解决本法 (20)

6.1电路功能测试 (20)

6.2常见问题解决办法..............................................................................2 0 7元件清单 (21)

8心得体会 (22)

9参考文献 (23)

多功能数字钟的设计

1.绪论

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，并且可以实现更多的功能，如：定时控制、整点报时、闹钟、触摸报整点时数等，在现实生活中，各种数字钟已得到了非常广泛的使用。数字钟的设计方法有许多种，例如,可用中小规模集成电路组成数字钟，也还可以利用单片机来实现数字钟等。这些方法都各有其特点，其中利用中小规模集成电路组建数字钟，原理简单，但由于集成电路集成度有限，对于需要实现较多功能的电路设计比较复杂，对于制作者焊接和布线有较高的要求。用单片机实现的电子钟具有结构简单，并便于功能的扩展，但需要涉及到汇编以及C语言编写程序，对设计者有较高的要求。本次设计为用中小规模集成电路组成数字钟。

2.Proteus软件介绍

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、A VR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。

1)proteus 的工作过程

运行proteus 的ISIS 程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view 菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices 窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source 菜单的Definecode generation tools 菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source 菜单的Add/removesource files 命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

2)Proteus 软件所提供的元件资源Proteus 软件所提供了30 多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。

3)Proteus 软件所提供的仪表资源

对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus 软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。

4)Proteus 软件所提供的调试手段

Proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。

对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug 菜单下的execute 菜单项或F12 快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation 菜单项或pause 键暂停系统的运行；或用debug 菜单下的stop animation 菜单项或shift-break 组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。

对于软件的分步调试，应先执行debug 菜单下的start/restart debugging 菜单项命令，此时可以选择stepover 、step into 和 step out 命令执行程序(可以用快捷键F10、F11 和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start / restart debuging 命令后，在debug 菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。

3.数字钟的原理框图

根据设计要求，可建立数字钟系统组成框图，如图3-1所示，数字中电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成，其中，主体电路完成数字钟的基本计数功能，扩展电路完成数字钟的定时、整点报时扩展功能。

图3-1 数字钟原理框图

该系统的工作原理是：用振荡器产生的高脉冲信号作为数字钟的秒脉冲发生器，秒脉冲接入秒计数器，秒计数器计满60后向分计数器个位进位，分计数器计满60后向小时计数器个位进位并且小时计数器按照“24翻1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时与实际时间出现误差时电路可以进行校时、校分。扩展电路的整点报时和闹钟功能必须在主体电路正常运行的情况下才能实现。

4.电路的设计

4.1主体电路的设计

主体电路是由功能部件和单元电路组成的，在设计这些电路和选择元器件时，尽量选用同类型的元器件，考虑到CMOS 集成电路的承受能力，最好选用TTL 集成芯片，整个电路选用芯片应尽可能的少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。

4.1.1秒脉冲电路的设计

数字电路中秒脉冲发生器是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度。一般电路中振荡器可由石英晶体振荡器或者555振荡器构成，下面将分别介绍这两种振荡器。

1）石英晶体振荡器

如图4-1所示，振荡器可由以下石英晶体振荡器构成，石英晶体振荡器震荡频率有石英晶体的频率决定，石英晶体振荡器具有振荡频率精确度高的特点，但由于其起振是由外界干扰产生的，仿真为理想条件，故仿真中无输出波形，得到波形后，还需再分频已得到所需频率波形。

图

4-1 石英晶体振荡器图4-2 555振荡器

2）555振荡器

如图4-2所示，振荡器由555与R 、C 组成的多些振荡器，由555多些振荡器振荡频

率公式91021.43(

2)p f R R R C =++可得将C 2、R 9、R 10、R P 取适当的值即可得到频率为1H Z 的秒脉冲。且R P 具有微调电路工作频率的功能，本电路可产生比较精确的脉冲。

本次设计采用555振荡器构成秒脉冲发生器。

4.1.2时分秒计数器的设计

数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和24进制计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以60进制为例，当计数器从00，01，02，……，59计数时，反馈门不起作用，只有当第60个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为60的循环计数。

下面将分别介绍60进制分秒计数器和24进制小时计数器。

1）60进制计数器，电路图如图4-3所示

图4-3 60进制计数器

电路由两片74LS90和一个与门构成，分别为60进制计数器的十位和个位，十位为六进制，个位为十进制，两者级联构成60进制计数器。当计数器达到59时，在下一个秒脉冲作用下实现反馈清零，电路重新开始下一轮计数。下面对74LS90集成电路加以说明。

74LS90是二—五—十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA 和CPB 。其中，CPA 和