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单片机数字时钟设计文档二十一

发布时间:2019-06-28 06:39 来源:未知 编辑:admin

  单片机数字时钟设计文档二十一_工学_高等教育_教育专区。单片机数字时钟设计

  单片机数字时钟设计 设计技术参数 1.时制式为 24 小时制。 2.采用 LED 数码管显示时、分,秒采用数字显示。 3.具有方便的时间调校功能。 4.计时稳定度优于 10-4 ,可精确校正计时精度。 。 5.交流 220V 供电,但停电 24 小内要维持正常计时(停电可不显示时间) 。 6.其它附加功能(显示星期、报时、停电查看时间) 设计原理及其框图 1. 数字钟的构成 . 附图 SZZ-1 数字钟的构成框图 数字钟是一个将“ 时”“分”“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它 , , 的计时周期为 24 小时,显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒,另外应有校时功能和一 些显示星期、报时、停电查看时间等附加功能。因此,一个基本的数字钟电路主 要由译码显示器、 “时”“分”“秒”“星期”计数器、校时电路、报时电路和 , , , 振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、 “时、分、秒、星期”计数器、译码 器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信 号,它直接决定计时系统的精度,一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标 准秒信号送入“秒计数器”“秒计数器”采用 60 进制计数器,每累计 60 秒发出 , 一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”也 采用 60 进制计数器,每累计 60 分钟,发出一个“时脉冲”信号,该信号将被送 到 “时计数器” 。 “时计数器” 采用 24 进制计时器, 可实现对一天 24 小时的累计。 每累计 24 小时,发出一个“星期脉冲”信号,该信号将被送到“星期计数器” , “星期计数器” 采用 7 进制计时器,可实现对一周 7 天的累计。译码显示电路 将“时”“分”“秒”“星期”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码,通 、 、 、 过七位 LED 七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产 生一脉冲信号,然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时” 、 “分”“秒”“星期”显示数字进行校对调整的。附图 SZZ-1 所示为数字钟的 、 、 一般构成框图。 1)晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768Hz 的方波信号, 此外还有一校正电容可以对温度进行补偿,以提高频率准确度和稳定度,使稳定 度优于 10-4,可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字 显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。 2)分频器电路 分频器电路将 32768Hz 的高频方波信号经 32768( 215 )次分频后得到 1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。 3)时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和 时十位计数器及星期计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分 十位计数器为 60 进制计数器,时个位和时十位计数器为 24 进制计数器,星期计 数器为 7 进制计数器。 4)译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态, 并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。 5)数码管 数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提 供的为 LED 数码管。 6)直流稳压电源 在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。它是由电源变压器、 整流、 滤波和稳压电路等四部分组成。 本设计采用的直流稳压电源, 输入为 220V 的交流电,输出为 5V 左右的稳定电压。 2.数字钟的工作原理 1)晶体振荡器电路 晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。附 图 SZZ-2 所示电路通过 CMOS 非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路, 这个电路中,CMOS 非门 U1 与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2 实现 整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈 电阻 R1 为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高 增益的反相放大器。电容 C1、C2 与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率 的控制功能,同时提供了一个 180 度相移,从而和非门构成一个正反馈网络,实 现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出 频率的稳定和准确 晶体 XTAL 的频率选为 32768Hz。该元件专为数字钟电路而设计,其频率较 低,有利于减少分频器级数。其中 C1 的值取 5~20 pF,C2 为 30pF。C1 作为校正 电容可以对温度进行补偿,以提高频率准确度和稳定度。 由于 CMOS 电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻 R1 可选为 1MΩ~10MΩ。 本设计中取 10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。 附图 SZZ-2 晶体振荡器电路 2)分频器电路 因为,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz 的秒信号输入, 需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路,一般 采用多级 2 进制计数器来实现。将 32768Hz 的振荡信号分频为1Hz 的分频倍数 为 32768(215) ,即实现该分频功能的计数器相当于 15 极 2 进制计数器。这里用 一个 14 级 2 进制计数器和一个 1 级 2 进制计数器。 CD4013B 其实是一个双 D 型触 2 进制计数器我们采用 CMOS 管 CD4013B。 发器。 它是由两个相同的、 独立的数据型触发器组成。 每个触发器有独立的数据、 — 置位、复位、时钟输入和 Q 和 Q 输出。在时钟脉冲正变化沿时预置在 D 输入的 逻辑电平转换至 Q 输出。时钟置位和复位是独立的,分别通过在置位或复位线 上高电平完成。附图 SZZ-3 是 CD4013B 的管脚图。 附图 SZZ-3 CD4013B 的管脚图 本设计中采用 CD4060 来构成 14 级分频电路。附图 SZZ-4 是 CD406 的 管脚图。CD4060 在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且 CD4060 还包 含振荡电路所需的非门,使用更为方便。CD4060 计数为 14 级 2 进制计数器, 可以将 32768Hz 的信号分频为 2Hz,CD4060 的时钟输入端两个串接的非门,因 此可以直接实现振荡和分频的功能。12 号管脚 R 是复位清零端,高电平有效, (复位全部级) 。在 CP1(CP0)每个负变换计数器前进一个二进制数。从 3 号管 脚出来的频率就是 2Hz,当然从 2 号管脚出来的频率就是 4Hz,依次类推。 附图 SZZ-4 是 CD406 的管脚图 有上面晶体振荡器电路和分频器电路的分析,我可以画出它们之间的连接 图,即是我们所需要的时钟脉冲 1Hz 的产生电路。见附图数字电子钟整机图。 其中 2Hz 的信号我们可用于调校电路。 3)时间计数单元 时间计数单元有时计数、分计数、秒计数和星期计数等几个部分。时计数单 元一般为 24 进制计数器, 其输出为两位 8421BCD 码形式; 分计数和秒计数单元 为 60 进制计数器,其输出也为 8421BCD 码;星期计数单元为 7 进制计数器,其 输出也为两位 8421BCD 码形式。 一般采用 10 进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用 数量,可选 CD4518,附图 SZZ-5 为 CD4518 的管脚图。 附图 SZZ-5 为 CD4518 的管脚图 CD4518 是一只双 BCD10 进制计数器,它内含两个独立的计数单元,有两 — 个计数脉冲输入端,上升沿触发端 CP 和下降沿触发端EN,若用 CP 来触发,则 — — EN接高电平;若用EN来触发,则 CP 接高电平。有 4 个输出端 Q4~ Q1,一个清 零端 R,加高电平计数器清零,各输出端为 0。在本电路中,第一组计数器 IC1-1 用来作秒个位计数,输出端为 1Q4~ 1Q1,计数范围为 0000~1001 循环。每当计 数到 1001(相当于 10 进制数的 9)时,再输入一个计数脉冲则会变为 0000,这 — 时 IC1-1 的 1Q4 由高电平变低电平输出一个负跳变脉冲到 2EN,作为进位脉冲使 第二组计数器 IC1-2 作一次秒十位的计数。同时 IC1-1 开始作下一个计数循环。秒 十位计数为 6 进制(可以通过导线 进制。实现原理:输出 端 2Q42Q32Q22Q1 要从 0101 跳变到 0000, 中间经过一个瞬间状态 0110。 这时我 们只须将 2Q3、2Q2 两端经过一个二输入与门 CC4081(管脚图见附 SZZ-6)输出 到 1R 和 2R 端。 )输出端为 2Q4~ 2Q1,计数范围为 0000~0101 循环。每当计数到 附图 SZZ-6 CC4081 管脚图 0101 (相当于 10 进制数的 5) 再输入一个计数脉冲则会变为 0000, 时, 这时 IC1-2 的 2Q32Q2 两端经过一个二输入与门 CD4081B 输出端再送到 IC2-1 的 1CP 端,作 为进位脉冲使 IC2-1 作一次分个位的计数。同时 IC1-2 开始作下一个计数循环。同 理分计数的实现原理与秒计数的实现原理一样,用第三组计数器 IC2-1 作分个位 计数,用第四组计数器 IC2-2 作分十位计数。第三片 CD4518 作为时计数器,但 附图 SZZ-7 CC4073 的管脚图 要设置为 24 进制。 IC2-2 的 2Q32Q2 两端经过一个二输入与门 CD4081B 输出端 由 送到 IC2-1 的 1CP 端,作为进位脉冲使 IC3-1 作一次时个位的计数。计数范围也是 — 0000~1001 循环, 当计数由 1001 变为 0000 输出一个负跳变脉冲到 2 EN , 作为进 位脉冲使第六组计数器 IC3-2 作一次时十位的计数。 因为我们要求时间由 23: 59: 59 能跳到 00:00:00。所以当第二片 CD4518 向第三片 CD4518 再发一次脉冲 时 , 第 三 片 的 输 出 端 2Q42Q32Q22Q11Q41Q31Q21Q1 要 从 00100011 跳 变 到 00000000,中间经过一个瞬间状态 00100100。这时我们只须将 2Q21Q3 两端经过 一个二输入与门 CD4081B 输出到 1R、 2R 端和 IC4-1 的 1CP 端,输出到 IC4-1 的 1CP 端的信号作为进位脉冲使 IC4-1 作一次星期的计数。同时 IC3-2 开始作下一个 计数循环。星期计数为 7 进制也要通过导线 进制。实现原 理:输出端 1Q41Q31Q21Q1 要从 0110 跳变到 0000, 中间经过一个瞬间状态 0111。 这时我们只须将 1Q31Q21Q1 三端经过一个三输出与门 CD4073B(管脚图见上页 附图 SZZ-7)送到 1R 端。星期一显示“1” ,星期二显示“2” ,…… 星期六显示 。这是要把 IC4-1 的 1Q31Q21Q1 三端经过一个三输入或 “6” ,星期天显示“日” 门送到本级译码器 CD4518 的 LT 端即可。管脚图见附图 SZZ-8。 — 附图 SZZ-8 CC4075 的管脚图 4)译码显示 通过上面的分析,我只需要 4 片 CD4518 和 1 片二输入与门 CD4081B 就可 以实现时间的计数功能。但这也仅是计数,我们还要通过译码器译码送往数码管 才能显示出来。 CD4511 是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”电路。锁存 器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象,便于观察和记录。译码器将 BCD 码转换成 7 段码,再经过大电流反相器,驱动共阴极 LED 数码管。译码器属于 非时序电路,其输出状态与时钟无关,仅取决于输入的 BCD 码。CD4511 的管 脚图如附图 SZZ-9 所示, D~A 为 BCD 码输入端, a~g 是 7 笔段输出端. LT 为 ,可 灯测试端, 当 LT =1 时正常显示,当 LT =0 时 LED 数码管显示全亮笔段“8” 检查数码管的质量好坏,有无笔段残缺现象。BI 为强迫消隐控制端,当 BI =1 是 正常显示,当 BI =0 时强迫显示器消隐。LE 为锁存控制端,当 LE=0 时选通, LE=1 时锁存。从执行逻辑功能的先后顺序讲,LT 具有第一优先权,无论其他输 入端为何种状态,只要 LT =0,LED 就显示全亮笔段。 BI 具有第二优先权,只要 满足 LT =1、 BI =0 的条件,就强迫显示器消隐。4 个输入端 A、B、C、D 分别 与计数器 CD4518 的 Q1~ Q4 端相连。7 个笔段输出端 a~g 分别与数码管的 7 个 输入端相连。这样我们就可以在数码管上看到时间了。 数码管是由八只发光二极管组成(其中一只显示小数点) 。工作时,要求发 光二极管的公共阴极接地。当某一发光二极管阳极加上高电平时,相应的发光二 极管导通,这一段(或点)就会发光。若要显示十进制数的十个数码 0~9,只要 在相应的字段阳极上加上高电平即可。例如,要显示 5 时,则应在 a,c,d,f,g 各段 阳极上加上高电平。为限制个发光二极管的电流,可在它们的公共阴极上串联一 只 300 左右的限流电阻。 — — — — — — — — — — — 附图 SZZ-9CD4511 管脚图 5)调校电路 调校电路我们用三个单刀开关就可以实现。 当我们进行调校星期、 时或分时, 可以把 2Hz 的脉冲信号通过单刀开关引到星期、时或分的 1CP 端。具体电路见 数字电子钟整机电路图。 6)电源电路 本电路要求用 220V 的交流电供电。 而我们的数字钟电路需要的是 3~18V 的 直流稳定电压,一般在 5V 左右。这就要求我们设计一个直流稳压电源,使输入 为 220V 的交流电,输出为 5V 左右的直流稳定电压。其电路图见附图 SZZ-10。 附图 SZZ-10 直流稳压电源 220V 的交流电网电压 u1 经过变压器变成整流电路要求的交流电压 u2,其中 整流电路是由四个二极管组成的桥式电路。u2 经过整流电路输出的恒定直流分 量 U=0.9U2,然后通过一个电容进行滤波。虚线框内是三端固定式集成稳压器 7806 输出固定电压的典型电路图,电路中接入电容 C2、C3 用来实现频率补偿, 防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰,C4 是电解电容,以 减小稳压电源输出端由输入电源引入的高频干扰。D 为保护二极管,当输入端短 防止 C4 两端电压作用于调整管的 be 结, 路时, 给输出电容器 C4 一个放电通路, 造成调整管 be 结击穿而损坏。经过稳压后,可在 1、2 端我们可得到 5.3V 的稳 定电压,1 端送到译码电路作为电源。2 端送到其他电路作为电源。其中电容 C5 作为停电时用的备用电源,经计算(室温 T=25℃时,记时部分工作总平均电流为 IDD(Typ)= 0.24μA(CD4060 为 0.04μA,CD4013B 为 0.02μA,CD4518 为 4*0.04 ,且各芯片最低工作电压为 3V, μA,CC4081 为 0.01μA ,CC4073 为 0.01μA) 所以充电电容在没电的时候充当电源,供记时部分工作,它的电压变化范围 △U=5.3-3V=2.3V,则其储存电荷量 Q=C*△U=2.3C,则停电可提供记时电路正常 工作时间 T=Q/I DD(Typ)=2.3C/(0.24*10-6μA) =9583333.333s≈2662.037h;记 时部分工作最大总电流为 VDD(MAX)=26.5μA(CD4060 为 5μA,CD4013B 为 1μA, ,则 TMIN=Q/I DD(Typ) CD4518 为 4*5μA,CD4081 为 0.25μA ,CC4073 为 0.25μA) -6 =2.3C/(26.5*10 μA)=86792.453s≈24.109h。)它最少可维持 24 小时。停电 时译码器断电,停止工作,数码管就停止显示,这样可减少电容 C5 的开支,使 它能够维持 24 小时的供电。如果在停电时想看时间,可以使开关 S 通路,连通 2 端,使 2 端为译码电路供电。具体见整机电路图。 7)整点报时电路 如果在将到整点时,我们要使在离整点差 10 秒时,每隔 1 秒钟鸣一次,每次 持续时间为 1 秒,共响 5 秒,前四次为低音 512Hz,最后一声为高音 1024Hz。 实现电路见整机图。 总结 大二时我们学习了数字电子电路和模拟电子电路,对电子技术有了一些初步 了解,但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计,我们才把学 到的东西与实践相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解。 在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片 的工作原理和其具体的使用方法。 也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看 相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计,但通过这次课程 设计我们了解了课程设计的一般步骤,和设计中应注意的问题。设计本身并不是 有很重要的意义,而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的 成绩无须看的太过于重要,而是设计的过程,设计的思想和设计电路中的每一个 环节,电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能, 使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现,各个芯片实现 同一个功能的区别。另外,我们设计要从市场需求出发,既要有强大的功能,又 要在价格方面比同等档次的便宜。虽然我们现在作的不可能到市场上去销售,但 我们要为以后作设计培养出好的习惯。 在这次设计过程中,我也对 word、photoshop、画图板等软件有了更进一步 的了解,这使我在以后的工作中更加得心应手。

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