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1、哈尔滨应用职业技术学院毕 业 论 文题 目电子时钟电路设计学生姓名系部名称自动化专业班级08级电气自动化指导教师起止时间2010-7至2011-8教 务 处 制毕业论文项目表填表日期2010年7月24日迄今已进行 周剩余 周学生姓名薛龙系部机电一体化专业、班级08级电气自动化指导教师姓名职称从事专业是否外聘是否题目名称电子时钟电路设计指导教师意 见 指导教师签字： 年 月 日系 意 见系主任签字： 年 月 日毕业答辩成绩：年 月 日小组答辩委员会成员签字：年 月 日答辩委员会主任签字：年 月 日第一章 绪论 1.1 数字电子钟的背景 11.2 数字电子钟的意义 11.3 数字电子钟应用 1第二
2、章 整体设计方案2.1 时间脉冲产生电路22.2 分频器电路42.3 时间计数器电路52.4译码驱动及显示单元电路82.5报时电路9第三章 数字钟的硬件设计3.1 时间脉冲产生设计93.2 LED显示电路123.3 键盘控制电路14第四章 数字钟的软件设计4.1 系统软件设计流程图164.2 数字电子时钟的原理图20第五章 系统仿真5.1 PROTUES软件介绍265.2 电子系统PROTUES仿真26第六章 调试与功能说明6.2 系统性能测试与功能说明276.3 系统时钟误差分析276.1 硬盘调试276.4 软件调试问题及解决27结论29参考文献30摘要： 在数字电路的设计中，时序设计是一
3、个系统性能的主要标志，在高层次设计方法中，对时序控制的抽象度也相应提高，因此在设计中较难把握，但在理解TTL电路时序模型的基础上，采用合理的设计方法在设计复杂数字系统是行之有效的，通过许多设计实例证明采用这种方式可以使电路的后仿真通过率大大提高，并且系统的工作频率可以达到一个较高水平。第一章 绪论 1.1数字电子钟的背景 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时
4、间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。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，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。1.2数字电子钟的意义数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时
5、自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.3数字电子钟的应用 数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。 第二章 整体设计方案2.1 时间脉冲产生电路 方案一：由集成电路定时器55
6、5与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。 图2.1 555与RC组成的多谐振荡器 方案二：振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一事件脉冲信号。 图2.2 石英晶体振荡器 方案三：由集成逻辑门与RC组成的始终源振荡器。 图2.3 门电路组成的多谐振荡器 用555组成的脉冲产生电路：R1=15*103，R2=68*103,则555所产生的脉冲为：F=1.43/(人+2*R2)*103*10*106=0.947Hz，而设计要求为1Hz，因此其
7、误差为5.3%，在精确度要求不是很高的时候可以使用。 石英晶体振荡电路采用的32768集体振荡电路，其频率为32768Hz，然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出。 由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的值电压，由于值电压受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。 综上分析，选择方案二，石英晶体振荡电路能够作为最稳定的信号源。 2.2 分频器电路通常，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，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
8、实现。CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，其内部框图如下所示，从图中可以看出，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。图2.4综上所诉，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路，照上图可得1Hz信号。2.3时间计数器电路一般采用10进制计数器来实现时间技术单元的技术功能。为减少器件使用数量，可选74HC390。该器件为双2-5-10异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。分个位和分十位计数单元电路结构分别
9、与秒个位和秒十位计数单元完全相同。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，不是10的整倍数，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换。2.4 译码驱动及显示单元电路 译码电路的功能是将秒、分、时、计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74SL48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是0C门输出且低电平有效，专用于LED七段共阳极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别接到相应的七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。2.5 报时电路方案一：采用仿广播台整点
10、报时的功能：每当数字钟计时快要到正点的时候发出响声，通常按照四低音，一高音的顺序发出的间断生，以最后一声高音借宿的时刻为正点时刻。4低音分别发生在59分51秒、发生在59分53秒、发生在59分55秒、发生在59分57秒，最后一声高音发生在59分59秒，他们的持续时间均为一秒。图2.5报时电路 方案二：方案二与方案一实现功能一样，电路不一样。 图2.6 报时电路第三章 数字钟的硬件设计3.1 时间脉冲产生电路的设计 CD4060同时构成振荡电路和分频电路。如图14，在MR和RS之间介入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器可实现15级分2分频，即可得1Hz信号。显示器普遍地用
11、于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。LED显示器是现在最常用的显示器之一，如下图所示。图3.1LED显示器的符号图发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。LED数码管有共阳、共阴之分。图是共阳式、共阴式LED数码管的
12、原理图和符号. 图3.2 数码管显示电路显示模块需要实时显示当前的时间,即时、分、秒，因此需要6个数码管，另需两个数码管来显示横。采用动态显示方式显示时间，硬件连接如下图所示，时的十位和个位分别显示在第一个和第二个数码管，分的十位和个位分别显示在第四个和第五个数码管，秒的十位和个位分别显示在第七个和第八个数码管，其余数码管显示横线。LED显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种。对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻 b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流 8
13、0mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA数码管使用注意事项说明：（）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（）焊接温度：度；焊接时间：（）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。3.3 键盘控制电路该设计需要校对时间，所以用三个按键来实现。按khour来调节小时的时间，按 kmin来调节分针的时间，按 ksec来调节秒的时间。下图是按键硬件连接图。键按下前沿抖动后沿抖动闭合稳定图3.3键控制电路的硬件连接图 第四章 数字钟的软件设计 系统的软件设计也是工具系统功能的设计。软件的设计主要包括执行软件（完成各种实质性功能）的设计和监控软件的设计。的软件设计通常
14、要考虑以下几个方面的问题：（1）根据软件功能要求，将系统软件划分为若干个相对独立的部分，设计出合理的总体结构，使软件开发清晰、简洁和流程合理；（2）培养良好的编程风格，如考虑结构化程序设计、实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植和修改；（3）建立正确的数学模型，通过仿真提高系统的性能，并选取合适的参数；（4）绘制程序流程图；（5）合理分配系统资源；（6）为程序加入注释，提高可读性，实施软件工程；（7）注意软件的抗干扰设计，提高系统的可靠性。4.1 系统软件设计流程图 这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。 主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后在进行按键检
15、测，检测完后，就可以显示时间按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加1；如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加1；如果没有按下，就把时间显示出来。 NYNYNY时加1显示时间结束开始秒按键按下？秒加1分按键按下？分加1时按键按下？图4.1按键处理流程图定时器中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到，秒单元就加1；如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1；如果没到，就检测1小时是否到，1小时如果到，时单元就加1，如果没到，就显示时间。N24小时到？分单元清零，时单元加1NNNYY时单元清零
16、时间显示中断返回开始一秒时间到？60秒时间到？60分钟到？秒单元加1秒单元清零，分单元加1YY图4.2定时器时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，再然后是分十位显示，再就是时个位计算显示，最后是时十位显示。时十位计算显示结束开始秒个位计算显示秒十位计算显示分个位计算显示分十位计算显示时个位计算显示 图4.3时间显示4.2 数字钟的原理图用PROTUES软件，根据要求画出数字电子钟的原理图如下所示。图4.4数字钟的原理图 在此有必要介绍一下数字电子钟的工作原理。工作原理 ： 数字电子钟是一个将“ 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
17、小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时”，“分”，“秒”和单片机，还有校时电路组成。8个数码管的段选接到单片机的P0口，位选接到单片机的P2口。数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元”，“秒单元”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“分单元”的时钟脉冲。“分单元”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“时单元”。“时单元”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。校时电路时用来对
18、“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整，按一下ksec,秒单元就加1 ，按一下kmin,分就加1，按一下khour，时就加1。中断技术在单片系统中有着十分重要的作用，它不仅可以提高单片机CPU的效率，也可以对突发事件处理。所谓中断就是当CPU正在执行程序A时，发生了另一个急需处理的事件B，这是CPU暂停当前执行的程序A，立即转去执行处理事件B的程序，处理完事件B后，再返回到程序A继续执行，这个过程被叫做中断。关于中断的概念有下列几个名词：（1）程序A称为主程序，（2）处理事件B的程序称为中断服务程序，（3）主程序中转向中断服务程序的地方称为断点，（4）引起中断的原因即事件B称为中断源，（5
19、）转去执行中断服务程序称为中断响应。关于中断的概念可以打个如下的比喻。领导（CPU）在自己的房间办公（执行主程序），下属（外设）有问题打电话来请示（中断源），领导停下正在进行的工作，通过电话给下属做指示（执行中断服务程序），指示完后，领导挂断电话，继续做自己的工作（返回主程序继续执行）。中断是一个过程，当中央处理器CPU在处理某件事情时，外部又发生了另一紧急事件，请求CPU暂停当前的工作而去迅速处理该紧急事件。处理结束后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作。引起中断的原因或发出中断请求的来源，称为中断源。单片机一般允许有多个中断源，当几个中断源同时向CPU请求中断时，就存在CPU优先响应哪
20、一个中断请求源的问题（优先级问题），一般根据中断源的轻重缓急排队，优先处理最紧急事件的中断请求，于是便规定每一个中断源都有一个中断优先级别，并且CPU总是响应级别最高的中断请求。当CPU正在处理一个中断源请求的时候，又发生了另一个优先级比它高的中断源请求，如果CPU能够暂时中止对原来中断处理程序的执行，转而去处理优先级更高的中断源请求，待处理完以后，再继续执行原来的低级中断处理程序，这样的过程称为中断嵌套。 第五章 系统仿真5.1 PROTUES软件介绍Proteus软件是Labcenter Electronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主
21、要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。5.2 电子钟系统PROTUES仿真用PROTUES软件，根据数字电子钟的原理图，画出仿真图，得到的图如下所示。图5.1字钟的PROTES仿真 第六章 调试与功能说明应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。一般的方法是排除明显的硬
22、件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。6.1 硬盘调试 拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。6.2 系统性能测试与功能说明走时：默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时-分分-秒秒”，有2个“-”动态显示，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。走时调整：按
23、ksec对秒进行调整，按一下加一秒；按kmin对分进行调整，按一下加一分；按khour对时进行调整，按一下加一小时，从而达到快速设定时间的目的。 6.3 系统时钟误差分析时间是一个基本物理量，具有连续、自动流逝、不重复等特性。我国时间基准来自国家授时中心，人们日常使用的时钟就是以一定的精度与该基准保持同步的。结合时间概念和误差理论，可以定义电子钟的走时误差S=S1-S2,S1表示程序实际运行计算所得的秒；S2表示客观时间的标准秒。S0时表示电子钟秒单元数值刷新滞后，即走时误差为“慢”；反之，S0表示秒单元数值的刷新超前，即走时误差为“快”。本次设计的数字电子钟系统中，其误差主要来源包括晶体频率
24、误差，定时器溢出误差，延迟误差。晶体频率产生震荡，容易产生走时误差；定时器溢出的时间误差，本应这一秒溢出，但却在下一秒溢出，造成走时误差；延迟时间过长或过短，都会造成与基准时间产生偏差，造成走时误差。6.4 软件调试问题及解决软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使程序逐渐趋于正确，最后统调程序。仿真部分采用protus 6 professional软件，此软件功能强大且操作较为简单，可
25、以很容易的实现各种系统的仿真。首先打开protus 6 professional软件，在元件库中找到要选用的所有元件，然后进行原理图的绘制；绘制好后再选择wave6000已经编译好的*.hex文件，选择运行，观察显示结果，根据显示的结果和课题的要求再修改程序，再运行查，直到满足要求。结论通过对自己在大学两年时间里所学的知识下完成了论文，唯一的不足就是文字表达的有很多都不准确用了很多白话，不过作图方面还是感觉挺好的，以后会更加努力。参考文献文献、资料名称编著者出版单位51系列单片机高级实例开发指南MCS51/96系列单片机原理及应用AT89系列单片机原理与接口技术单片机原理及应用C程序设计单片机原理与实用技术电子技术基础电路基础电路与电子技术电路基本分析李军孙涵芳王幸之欧阳斌林潭浩强付晓光邹寿彬许熙文卢尔健石生北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社中国水利水电出版社北京航空航天出版社清华大学出版社清华大学出版社高等教育出版社科学技术出版社高等教育出版社致谢首先衷心地感谢我的导师顾艳丽老师。本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，无处不饱含着老师的心血。顾艳丽老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向顾艳丽老师致以深深的谢意和崇高的敬意。
