二十四小時制時鐘設(shè)計

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

2、求： 一、設(shè)計說明與技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計一個二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)電路，技術(shù)指標(biāo)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(jìn)行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進(jìn)行時間調(diào)節(jié)，一個調(diào)整時間功能鍵，按一次此鍵進(jìn)入調(diào)時功能；連按兩次進(jìn)入調(diào)分功能；連按三次進(jìn)入調(diào)秒功能；另外兩個按鍵分別為“+”功能與“-”功能。 二、設(shè)計要求 1．在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。 2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。 三、實驗要求 1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用軟件仿真。 2．進(jìn)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．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年 五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告 成績 指導(dǎo)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(jī)械鐘相比有走時準(zhǔn)確，顯示直觀（六位數(shù)碼顯示器），無機(jī)械傳動裝置等優(yōu)點。而且鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，大大地擴(kuò)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(guān)烘箱，通斷電力設(shè)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(chǔ)的。因此，研究數(shù)字的應(yīng)用原理及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 關(guān)于二十四小時制時鐘系統(tǒng)的設(shè)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(jìn)行時分秒的校對，片選的靈活性也很不錯。本設(shè)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(jìn)制計數(shù)器，同時采用數(shù)碼管經(jīng)過74LS162芯片相關(guān)進(jìn)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(fù)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(guān)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(dá)到校時的目的。本報告意在表達(dá)本設(shè)計的中心思想，其由概述部分，方案論證部分，電路設(shè)計部分，性能測試部分，結(jié)論，性價比，課設(shè)體會及合理化建議，參考文獻(xiàn)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(shè)計一個二十四小時制數(shù)字鐘系統(tǒng)電路，技術(shù)指標(biāo)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(jìn)行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進(jìn)行時間調(diào)節(jié)，一個調(diào)整時間功能鍵，按一次此鍵進(jìn)入調(diào)時功能；連按兩次進(jìn)入調(diào)分功能；連按三次進(jìn)入調(diào)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(shè)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(gòu)成模塊。作為本方案所選擇的芯片， 74LS192為可預(yù)置的十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器，清除端是異步的。當(dāng)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(yù)置也是一異步的，當(dāng)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(yù)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(dāng)進(jìn)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(yīng)該為高電平。 當(dāng)計數(shù)上溢出時，進(jìn)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(dāng)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(jìn)行數(shù)字時鐘的具體時鐘顯示。 三、電路設(shè)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(jìn)制0-9的循環(huán)。當(dāng)位于右邊作為時

8、間秒的個位芯片計數(shù)到9時產(chǎn)生進(jìn)位輸出至左邊最為時間秒的十位的加計數(shù)端完成進(jìn)位，同時U9數(shù)碼管計數(shù)循環(huán)至0。完成一次十進(jìn)制計數(shù)器的進(jìn)位功能要求，U5在U6的進(jìn)位作用下進(jìn)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(yīng)該是0-5的六進(jìn)制計數(shù)器，因此在U5進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)制計數(shù)器和一片作為六進(jìn)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(jìn)制的計時循環(huán)。不同是作為時間“分”的個位計數(shù)器所產(chǎn)生的計數(shù)是有“秒”電路完成一個循環(huán)進(jìn)位輸入到芯片加計數(shù)UP端，依靠進(jìn)位獲得計數(shù)。同樣，當(dāng)“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(dá)到對特定輸入端的

10、二進(jìn)制數(shù)清零和進(jìn)位的設(shè)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(jìn)制的循環(huán)，并進(jìn)行了一次對時間“時”的進(jìn)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(jìn)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(shè)計中，時間“時”的計時電路是在“分”的進(jìn)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(chǎn)生第二次進(jìn)位前循環(huán)范圍是0-9的十

11、進(jìn)制可逆計數(shù)器，但是當(dāng)表示時間“時”的電路產(chǎn)生第二次進(jìn)位輸出加在加計數(shù)時鐘輸入端成為0010，相應(yīng)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(jìn)位輸出的二十四小時的循環(huán)，即完成了設(shè)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(jìn)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(guān)鍵。與非門U38A和四輸入與非門U67A所完成的功能是當(dāng)U36芯片的輸入為0000和0001時芯片U35能夠正常作為十進(jìn)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(dāng)U40由第二次的進(jìn)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(chǎn)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(shè)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(guān)，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(dāng)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(guān)的閉合所給的脈沖開關(guān)所產(chǎn)生的進(jìn)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(dāng)四位二進(jìn)制可預(yù)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(guān)的開閉給出脈沖實現(xiàn)數(shù)字時鐘“秒”的減計數(shù)?！胺帧焙汀皶r”的加減時鐘信號輸出端的工作原理和“秒”相似。當(dāng)四位二進(jìn)制可預(yù)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(guān)的開閉所給的高低電平的脈沖所決定。同樣，當(dāng)四位二進(jìn)制可預(yù)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(dá)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(diào)節(jié)電路 在進(jìn)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(diào)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(diào)節(jié)時間。在輔助調(diào)節(jié)電路中，通過74LS160十進(jìn)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(jìn)行邏輯組合的門電路共同作用，當(dāng)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(dāng)計時器輸出為0001時，表現(xiàn)為“時”電路被鎖定，進(jìn)入校時狀態(tài)。在高電平的作用下，不受“分”電路的進(jìn)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(guān)，給出脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)電路輸出，控制時間。同理，當(dāng)計數(shù)器的輸出為0010，電路進(jìn)入調(diào)分的狀態(tài)，原理與調(diào)時相同；當(dāng)計數(shù)器輸出為0011，電路進(jìn)入調(diào)秒的狀態(tài)。同時在功能要求上，74ls160要求被設(shè)計為循環(huán)范圍為0-3的四進(jìn)制計數(shù)器。校時電路的輔助調(diào)節(jié)輔助電路圖如下圖9所示。 圖9 校時電路的輔助

16、調(diào)節(jié)電路 四、性能的測試 1.電路計時和校時電路測試 四進(jìn)制計數(shù)器的輸出與時間電路的工作狀態(tài)關(guān)系如下表10所示。測試結(jié)果通過比較計數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)通過數(shù)碼管的十進(jìn)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(shè)計要求中的彈簧開關(guān)所給的脈沖次數(shù)而達(dá)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(guān)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(shè)我在校時電路過程中通過彈簧開關(guān)輸入為0001，此時的“時

17、”電路應(yīng)該被鎖定，再通過加減的彈簧開關(guān)能將二十四小時制時鐘的時調(diào)節(jié)為11，具體仿真結(jié)果電路圖如下圖11所示。 圖11 計數(shù)器與“時”電路的仿真關(guān)系圖 從仿真圖中可以看出仿真結(jié)果與所預(yù)期的實現(xiàn)的功能是一致的。說明電路的設(shè)計符合設(shè)計要求。 五、結(jié)論 在二十四小時制時鐘的設(shè)計中，根據(jù)設(shè)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(jìn)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(shè)計是將以個開關(guān)分開控制時分秒三個模塊的時間調(diào)節(jié)。由秒置數(shù)端介入的高電平開始，進(jìn)位分電路，電路開始顯示分鐘，再循環(huán)進(jìn)位，顯示時；

18、再由74LS160輸出端控制電路校時模塊?？偟脑O(shè)計電路相對于任務(wù)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(jìn)行具體時間顯示；另外要求有三個按鍵進(jìn)行時間調(diào)節(jié)，一個調(diào)整時間功能鍵，按一次此鍵進(jìn)入調(diào)時功能；連按兩次進(jìn)入調(diào)分功能；連按三次進(jìn)入調(diào)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(guān)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(dāng)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(yīng)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(shè)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(guān)。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(shè)計電路的電路器件在能夠完美的實現(xiàn)所預(yù)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(shè)計性價比還是相對較高。 七、課設(shè)體會及合理化建議 這次課設(shè)對本人來說，所花費的精力是在大學(xué)到現(xiàn)在兩年

20、做的課程設(shè)計中最大的。可能是由于本人在這個學(xué)期在數(shù)字邏輯和模擬電路兩門學(xué)科的基礎(chǔ)比較薄弱的緣故，在剛剛拿到課設(shè)題目要求的時候，最大的感觸是很茫然。這門學(xué)科在進(jìn)行自主電路設(shè)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(shè)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(rèn)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(chǔ)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(xì)節(jié)東西。這段時間在網(wǎng)上查閱了很多芯片資料，就連所用到的彈簧開關(guān)也是第一次接觸。 對于這次課程設(shè)計的相關(guān)建議是，

21、在現(xiàn)在越來越重視學(xué)以致用，而且通過親身經(jīng)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(yīng)該與時俱進(jìn)，現(xiàn)在的社會數(shù)字式鐘的應(yīng)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(shè)計中所加入的功能能夠更加實用。 參考文獻(xiàn) [1] 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù). [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(shù)基礎(chǔ). [M]北京：高等教育出版社，2006年 [4] 康華英.電子技術(shù)基礎(chǔ). [M]北京：高等教育出版社，2006年 [5] 姚福安.電子電路設(shè)計與實踐.

22、[M]濟(jì)南：山東科技大學(xué)出版社，2001年 [6] 彭介華.電子計數(shù)課程設(shè)計指導(dǎo). [M]北京：高等教育出版社 [7] 梁宗善.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計. [M]武漢：華中理工大學(xué)出版社 [8] 張玉璞，李慶常.電子技術(shù)課程設(shè)計. [M]北京：北京理工大學(xué)出版社 [9] 孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)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(shè)計. [M]北京：北京郵電大學(xué)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(guān) 3