二十四小時制時鐘設計

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1、 沈陽航空航天大學 課 程 設 計 （說明書） 二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)設計 班級 / 學號 14010101/37 學 生 姓 名 趙 志 鴻 指 導 教 師 徐 嵩 沈陽航空航天大學 課 程 設 計 任 務 書 課 程 名 稱 數(shù)字邏輯課程設計 課程設計題目 二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)設計 課程設計的內容及要

2、求： 一、設計說明與技術指標 設計一個二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)電路，技術指標如下： 該數(shù)字鐘系統(tǒng)要求利用二十四小時制表示時間，利用6位數(shù)碼管進行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進行時間調節(jié)，一個調整時間功能鍵，按一次此鍵進入調時功能；連按兩次進入調分功能；連按三次進入調秒功能；另外兩個按鍵分別為“+”功能與“-”功能。 二、設計要求 1．在選擇器件時，應考慮成本。 2．根據(jù)技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。 3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。 三、實驗要求 1．根據(jù)技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用軟件仿真。 2．進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析

3、。 四、推薦參考資料 1. 童詩白，華成英主編．數(shù)字電子技術基礎．[M]北京：高等教育出版社，2006年 五、按照要求撰寫課程設計報告 成績 指導教師 日期 一、概述 數(shù)字時鐘是用數(shù)字集成電路做成的現(xiàn)在計時器，與傳統(tǒng)的機械鐘相比有走時準確，顯示直觀（六位數(shù)碼顯示器），無機械傳動裝置等優(yōu)點。而且鐘表的數(shù)字化給人們生產生活帶來了極大的方便，大大地擴展了鐘表原先的單一報時功能。諸如自動報警，定時廣播，定時啟閉電路，定時開關烘箱，通斷電力設備，甚至各種定時電器的自動啟動等。所有這

4、些都是以鐘表數(shù)字化為基礎的。因此，研究數(shù)字的應用原理及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 關于二十四小時制時鐘系統(tǒng)的設計，我用的主要是六位數(shù)碼管顯示時間，減小了計時誤差，這種表具有時，分，秒顯示的功能，還可以進行時分秒的校對，片選的靈活性也很不錯。本設計利用了六片74LS192芯片來實現(xiàn)數(shù)字時鐘的計時和校時功能，其中74LS160是核心元件，用來作為切換控制檔位的十進制計數(shù)器，同時采用數(shù)碼管經過74LS162芯片相關進位和借位動態(tài)顯示“時”，“分”，“秒”的現(xiàn)代計時裝置。它的計時周期是24小時，滿刻顯示度為“00時00分00秒”，另外具有校時功能，斷電后有記憶功能，恢復供電時可實現(xiàn)計時同步等特

5、點。在校時過程中，通過一個彈簧開關摁鍵的次數(shù)將數(shù)字時鐘的“時”“分”“秒”檔位鎖定，再通過另外兩個彈簧摁鍵實現(xiàn)加減從而達到校時的目的。本報告意在表達本設計的中心思想，其由概述部分，方案論證部分，電路設計部分，性能測試部分，結論，性價比，課設體會及合理化建議，參考文獻和兩個總電路圖，元器件清單幾個大部分組成。 二、方案論證 設計一個二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)電路，技術指標如下： 該數(shù)字鐘系統(tǒng)要求利用二十四小時制表示時間，利用6位數(shù)碼管進行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進行時間調節(jié)，一個調整時間功能鍵，按一次此鍵進入調時功能；連按兩次進入調分功能；連按三次進入調秒功能；另外兩個按鍵分別為“+”

6、功能與“-”功能。 方案原理圖如圖1所示。 圖1 二十四小時制時鐘系統(tǒng)電路原理框圖 本設計最大的特點是芯片的選擇。不同的芯片選擇，將決定數(shù)字時鐘的電路構成模塊。作為本方案所選擇的芯片， 74LS192為可預置的十進制同步加/減計數(shù)器，清除端是異步的。當清除端為高電平時，不管時鐘端狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS192的預置也是一異步的，當置入控制端為低電平時，不管時鐘的狀態(tài)如何，輸出端即可預置成與數(shù)據(jù)輸出端相一致的狀態(tài)。芯片的計數(shù)是同步的，靠時鐘端同時加在4個觸發(fā)器上實現(xiàn)，在時鐘端上升沿作用下QA~QD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可

7、分別利用UP或DOWN，此時另一個時鐘應該為高電平。 當計數(shù)上溢出時，進位輸出端~CO輸出一個低電平脈沖，其寬度為~CO低電平部分的低電平脈沖；當計數(shù)下溢出時，借位輸出端~BO輸出一個低電平脈沖，其寬度為~BO低電平部分的低電平脈沖。 74LS192功能表如表2所示。 表2 74LS192功能表 本方案的支撐資源是在時鐘脈沖的作用下能夠進行數(shù)字時鐘的具體時鐘顯示。 三、電路設計 1.時間“秒”的計時電路 其電路圖如下圖3所示。 圖3所示的電路圖中電路通過74LS192清零端CLR接低電平，置數(shù)端~LOAD-接入高電平U6完成二位數(shù)秒的個位十進制0-9的循環(huán)。當位于右邊作為時

8、間秒的個位芯片計數(shù)到9時產生進位輸出至左邊最為時間秒的十位的加計數(shù)端完成進位，同時U9數(shù)碼管計數(shù)循環(huán)至0。完成一次十進制計數(shù)器的進位功能要求，U5在U6的進位作用下進行計數(shù)，根據(jù)二十四小時制時鐘的特性，時間“秒”的十位應該是0-5的六進制計數(shù)器，因此在U5進行計數(shù)時加入了兩個或門和一個與非門U46A，U47A和U39A使得U5在計數(shù)范圍0-5置數(shù)端為高電平輸入，再配合三輸入與門和或非門U15A和U14A，在計數(shù)器輸入端為0110時組合們電路輸出為高電平，在完成向時間“分”的個位進位的同時計數(shù)器置零，即時間“秒”的個位完成0-5的循環(huán)重新置零。此時整個時間“秒”的計時電路完成00-59一分鐘的計

9、數(shù)。 圖3 時間“秒”的計時電路圖 2.時間“分”的計時電路 計時電路圖如下圖4所示。 時間“分”的計時電路中個位和十位為00-59的六十進制計數(shù)器。兩片74LS192的計數(shù)功能與時間“秒”的計時電路相似。都是由一片74LS192芯片的十進制計數(shù)器和一片作為六進制的計數(shù)器組合成能完成二十四小時制時鐘的兩位數(shù)的“分”的六十進制的計時循環(huán)。不同是作為時間“分”的個位計數(shù)器所產生的計數(shù)是有“秒”電路完成一個循環(huán)進位輸入到芯片加計數(shù)UP端，依靠進位獲得計數(shù)。同樣，當“分”電路的個位完成了五個0-9的循環(huán)，此時的計數(shù)器同樣在兩個或門一個與非門以及一個三輸入與門一個或非門達到對特定輸入端的

10、二進制數(shù)清零和進位的設計要求完成了十位的74LS192芯片輸出端所連接的數(shù)碼管示數(shù)0-5六進制的循環(huán)，并進行了一次對時間“時”的進位輸出。另外，在正常的時鐘計時過程中只有有效的“時”“分”“秒”電路進位輸出影響加計數(shù)時鐘輸入端，因此“秒”電路對“分”的借位輸出影響和“分”電路對“時”電路的借位輸出影響是作為電路校時電路模塊的分析。 圖4 時間“分”的計時電路圖 3.時間“時”的計時電路 在二十四小時制數(shù)字時鐘系統(tǒng)設計中，時間“時”的計時電路是在“分”的進位輸出到加計數(shù)時鐘輸入端?！皶r”在電路中所要求的是00-23的循環(huán)。即要求芯片表示的個位在產生第二次進位前循環(huán)范圍是0-9的十

11、進制可逆計數(shù)器，但是當表示時間“時”的電路產生第二次進位輸出加在加計數(shù)時鐘輸入端成為0010，相應的數(shù)碼管顯示數(shù)字為2時，此時的表示個位的可逆計時器的循環(huán)范圍變?yōu)?-3，最后完成整個時鐘電路的相互進位輸出的二十四小時的循環(huán)，即完成了設計電路二十四小時的計時功能。 時間“時”的計時電路圖如圖5所示。 單獨的74LS192芯片與數(shù)碼管連接，完成作為可逆十進制計數(shù)器的功能。所加的門電路是實現(xiàn)完成00-23循環(huán)的關鍵。與非門U38A和四輸入與非門U67A所完成的功能是當U36芯片的輸入為0000和0001時芯片U35能夠正常作為十進制可逆計數(shù)器的功能，完成0-9的循環(huán)。另外的一個與門連接一個數(shù)碼管

12、的第三引腳和另一個數(shù)碼管的第二引腳，所完成的功能是當U40由第二次的進位輸出端輸出為0010和U35輸出0100時，兩個計數(shù)器馬上同時由于清零端CLR接入的高電而產生的作用下清零，完成了一次二十四小時制時鐘的“時”部分電路的循環(huán)。 圖5 時間“時”的計時電路圖 4.時鐘電路的校時電路 作為時鐘設計類的二十四小時制時鐘系統(tǒng)，在能夠正常計時的前提下，校時功能也是不可或缺的一個模塊。 具體電路圖分別如下圖6、7、8所示。 時鐘電路的校時方式都是通過兩個彈簧開關，實現(xiàn)在數(shù)碼管上直觀地顯示出時鐘計時的時間的加減。對于“秒”校時電路來說，當74LS160組合的門電路輸出為001

13、1鎖定“秒”電路同時與時鐘信號輸出為高電平時，“秒”計數(shù)器的加計數(shù)時鐘輸入端就取決于每次彈簧開關的閉合所給的脈沖開關所產生的進位，從而 圖6 時間“秒”的校時電路 圖7 時間“分”的校時電路 實現(xiàn)加計數(shù)。同樣，當四位二進制可預置的同步計數(shù)器鎖定在“秒”的檔位，即輸出為0011時，加計數(shù)時鐘輸入端為低電平，減計數(shù)時鐘輸入端在兩個與門和兩個非門的作用下輸入為高電平，從而通過N控制的開關的開閉給出脈沖實現(xiàn)數(shù)字時鐘“秒”的減計數(shù)。“分”和“時”的加減時鐘信號輸出端的工作原理和“秒”相似。當四位二進制可預置的同步計數(shù)器74LS160芯片的輸出為0010時，“分”電路即被鎖定，再通過三

14、個與門和兩個或門組成的門電路邏輯作用下，加減的計數(shù)都直接由彈簧開關的開閉所給的高低電平的脈沖所決定。同樣，當四位二進制可預置的同步計數(shù)器鎖定在“時”的檔位，也就是芯片輸出為0001時，由與門或門和非門邏輯組合，使得校時電路能完美的由單Y或單N鍵控制輸出的加減時鐘信號。從而達到分時，分，秒三個部分的互不影響的校時。具有更加方便快捷，操作簡單的特點。 圖8 時間“時”的校時電路 5.時鐘校時電路的輔助調節(jié)電路 在進行二十四小時時鐘的校時的時候要求在時，分，秒之間獨立調節(jié)，互不影響，實現(xiàn)單獨加或者減，從而能夠更加快捷地調節(jié)時間。在輔助調節(jié)電路中，通過74LS160十進制計數(shù)器的輸出端

15、與分別與“時”“分”“秒”工作電路的校時模塊進行邏輯組合的門電路共同作用，當計數(shù)器輸出為0000時，整個時鐘計數(shù)電路為正常工作狀態(tài)，當計時器輸出為0001時，表現(xiàn)為“時”電路被鎖定，進入校時狀態(tài)。在高電平的作用下，不受“分”電路的進位影響。此時發(fā)生作用的只有UP/DOWN,由被接入電路的兩個彈簧開關，給出脈沖，達到調節(jié)電路輸出，控制時間。同理，當計數(shù)器的輸出為0010，電路進入調分的狀態(tài)，原理與調時相同；當計數(shù)器輸出為0011，電路進入調秒的狀態(tài)。同時在功能要求上，74ls160要求被設計為循環(huán)范圍為0-3的四進制計數(shù)器。校時電路的輔助調節(jié)輔助電路圖如下圖9所示。 圖9 校時電路的輔助

16、調節(jié)電路 四、性能的測試 1.電路計時和校時電路測試 四進制計數(shù)器的輸出與時間電路的工作狀態(tài)關系如下表10所示。測試結果通過比較計數(shù)器輸出的二進制數(shù)通過數(shù)碼管的十進制數(shù)字顯示實現(xiàn)時，分，秒電路的計數(shù)和獨立校時是否和設計要求中的彈簧開關所給的脈沖次數(shù)而達到的電路計時和校時功能相同。 表10 74LS162計數(shù)器的輸出與電路的狀態(tài)關系 計數(shù)器輸出 0000 0001 0010 0011 “時”電路 0 1 0 0 “分”電路 0 0 1 0 “秒”電路 0 0 0 1 假設我在校時電路過程中通過彈簧開關輸入為0001，此時的“時

17、”電路應該被鎖定，再通過加減的彈簧開關能將二十四小時制時鐘的時調節(jié)為11，具體仿真結果電路圖如下圖11所示。 圖11 計數(shù)器與“時”電路的仿真關系圖 從仿真圖中可以看出仿真結果與所預期的實現(xiàn)的功能是一致的。說明電路的設計符合設計要求。 五、結論 在二十四小時制時鐘的設計中，根據(jù)設計要求主要實現(xiàn)兩個功能，一個是作為計時電路，能夠充分利用六塊74Ls192進行計時，實現(xiàn)時鐘時分秒的直觀顯示；第二個功能是校時，做為核心功能要求。在電路的設計是將以個開關分開控制時分秒三個模塊的時間調節(jié)。由秒置數(shù)端介入的高電平開始，進位分電路，電路開始顯示分鐘，再循環(huán)進位，顯示時；

18、再由74LS160輸出端控制電路校時模塊?？偟脑O計電路相對于任務書要求，該數(shù)字鐘系統(tǒng)要求利用二十四小時制表示時間，利用6位數(shù)碼管進行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進行時間調節(jié)，一個調整時間功能鍵，按一次此鍵進入調時功能；連按兩次進入調分功能；連按三次進入調秒功能；另外兩個按鍵分別為“+”功能與“-”功能。電路都能夠完美實現(xiàn)，唯一覺得稍微有點不足的地方是校時電路的分別控制。由于計數(shù)器輸出0001，0010和0011都是由開關的脈沖給出的，在電路的工作狀態(tài)切換控制時間模塊的時候，相當于是由高電平的脈沖所控制的，從而在數(shù)碼管上顯示出的是每次切換時分秒的校時電路相應的電路會出現(xiàn)+1的/現(xiàn)象，這對校時

19、電路中想要實現(xiàn)減計數(shù)數(shù)字時鐘信號的輸出不怎么方便。 六、性價比 本電路的設計只用到了六塊74LS192的芯片和一片74LS160芯片，七個數(shù)碼管和一些門電路器件外加兩個彈簧開關。由于基本功能的芯片來源廣泛同時價格便宜，批發(fā)價格都在一個相對便宜的范圍，門電路所需要的一些器件更是常見常用易得和起到簡化電路的作用，因此用于設計電路的電路器件在能夠完美的實現(xiàn)所預期的功能的前提下，成本還被控制在了一個很低的范圍。也就是說性能與價格的比值處在一個較高的水平，因此，對于本次二十四小時制數(shù)字時鐘的電路設計性價比還是相對較高。 七、課設體會及合理化建議 這次課設對本人來說，所花費的精力是在大學到現(xiàn)在兩年

20、做的課程設計中最大的?？赡苁怯捎诒救嗽谶@個學期在數(shù)字邏輯和模擬電路兩門學科的基礎比較薄弱的緣故，在剛剛拿到課設題目要求的時候，最大的感觸是很茫然。這門學科在進行自主電路設計的時候涉及到的芯片選擇很靈活，而且芯片很多引腳功能看起來差不多但實際上在線路上有很大區(qū)別。從功能上看本次的電路設計用74LS192這種可逆計數(shù)器而且加計數(shù)和減計數(shù)的引腳是分開的，個人認為是比較理想的選擇，但是之前由于對芯片不是很熟悉，基礎不是很好在電路上走了不少彎路。在功能實現(xiàn)上也碰見了不少問題，都是一發(fā)牽全身的細節(jié)東西。這段時間在網上查閱了很多芯片資料，就連所用到的彈簧開關也是第一次接觸。 對于這次課程設計的相關建議是，

21、在現(xiàn)在越來越重視學以致用，而且通過親身經歷實踐獲取知識的方式是最有效率的。但同時對我們的要求也應該與時俱進，現(xiàn)在的社會數(shù)字式鐘的應用越來與廣泛，其所要求的功能也是越來越新穎和實用。因此希望在以后的設計中所加入的功能能夠更加實用。 參考文獻 [1] 閻石主編. 數(shù)字電子技術. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [2] 陳振官等編著. 新穎高效聲光報警器. [M]北京：國防工業(yè)出版社，2005年 [3] 華成英.模擬電子技術基礎. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [4] 康華英.電子技術基礎. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [5] 姚福安.電子電路設計與實踐.

22、[M]濟南：山東科技大學出版社，2001年 [6] 彭介華.電子計數(shù)課程設計指導. [M]北京：高等教育出版社 [7] 梁宗善.電子技術基礎課程設計. [M]武漢：華中理工大學出版社 [8] 張玉璞，李慶常.電子技術課程設計. [M]北京：北京理工大學出版社 [9] 孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術基礎課程設計. [M]北京：高等教育出版社 [10] 王連英.基于Multisim10的電子仿真實驗與設計. [M]北京：北京郵電大學出版社 附錄I 總電路圖 附錄II 元器件清單 序號 編號 名稱 型號 數(shù)量 1 U5U6U8U9U22U41U42 數(shù)碼

23、管 DCD_HEX_DIG_RED 7 2 U1U2U11U12U35U36 計數(shù)器 74LS192 6 3 U17 計數(shù)器 74LS160 1 4 U67A 四輸入與非門 74LS20 1 5 U15A 三輸入三與門 74LA11 1 6 U10U25U29U42U44U51U57U58U59 與門 7408 9 7 U20U30U34U50U52U54U56 非門 7404 7 8 U3U38 與非門 74LS00 2 9 U4U7U18U19U21U23U24U26U28U31U32U43U45U46U47U53 或門 74LS32 18 10 U14U16U33U49U53 或非門 74LS02 5 11 S1S3S5 彈簧開關 3