数字时钟电路

概述：加入世贸组织以后，中国会面临激烈的竞争。这种竞争将是一场科技实力、管理水平和人才素质的较量，风险和机遇共存。于是老师在单片机理论课程学习的基础上，为我们安排了一个涉及MCS—51单片机多种资源应用及具有综合功能的电子时钟设计。

华硕u36

1 引言

《单片原理及应用》是一门技术性、应用性很强的学科，实践教学是它的一个极为重要的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验教学。如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节的局面。任随书本上把单片机技术介绍得多么重要、多么实用多么好用，同学们仍然会感到那只是空中楼阁，离自己十分遥远，或者会感到对它失去兴趣，或者会感到它高深莫测无从下手，这些情况都会令课堂教学的效果大打折扣。

本次仿真设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS—51单片机都种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技

能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。

该电子时钟不但具有定时作用还有温度采集作用。定时部分可以显示时、分、秒，而且用按键还可以实现时间的调整和闹铃的设定。温度采集部分实现环境温度数据的采集。

在上一学期进行的EDA课程设计中，同学们完成了单片机数据采集与定时系统的硬件电路设计。本次综合实践是在此基础上，焊接制作电路板，完成该系统的软件设计与调试。待仿真成功后，再将程序烧写入单片机中。

一、设计目的：

1、熟悉集成电路的引脚安排。

2、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

3、了解数字钟的组成及工作原理。

4、熟悉数字钟的设计与制作。

二、设计要求：

1、时间以24小时为一个周期。

2、显示时、分、秒。

3、有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间。

4、为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

5、做完电路原理图的设计、印刷电路板的设计到3D图的全过程。

元器件清单

实验中所需的器材
　5V电源。　面包板1块。　示波器。　万用表。　镊子1把。　剪刀1把。　拨线铨1把。　导线若干。蜂鸣器。89s52

三系统结构

整个电子时钟系统电路可分为五大部分：中央处理单元（CPU）、电源电路部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分。

1 中央处理单元

CPU选用AT89C—2051对整个系统进行控制：

1）它将定时数据输出到LED，实现时间的显示；

2）根据键盘输入调用相应键处理子程序，实现时间的调整和闹铃的设定；

3）接收温度传感器输入的温度数据，进行一定的转换，然后输出到2位的LED显示器显示出来。

2 电源电路部分

在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一能量来源，它的设计思路是根据我们以前学过的模电电子技术，要想得到我们所要的+6V输出电压，就需将交流220V的电压经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分。

3 显示部分

显示部分是整个电子时钟最为重要的部分，它分为时间的显示和温度的显示两部分，共需要8位LED显示器。采用动态显示方式，所谓动态显示方式是时间（或温度）数字在LED上一个一个逐个显示，它是通过位选端控制在哪个LED上显示数字，由于这些LED数字显示之间的时间非常的短，使的人眼看来它们是一起显示时间数字的，并且动态显示方式所用的接口少，节省了CPU的管脚。由于端口的问题以及动态显示方式的优越性，在此设计的连接方式上采用共阴级接法。显示器LED有段选和位选两个端口，首先说段选端，它由LED八个端口构成，通过对这八个端口输入的不同的二进制数据使得它的时间（或温度）显示也不同，从而可以得到我们所要的时间显示和温度。但对于二十个管脚的AT89C2051来说，LED八个段选管脚太多，于是我选用74LS164芯片来扩展主芯片的管脚，74LS164是数据移位寄存器，还选用了74LS244作为数据缓存器。

4 键盘部分

它是整个系统中最简单的部分，根据功能要求，本系统共需四个按键：功能移位键、功能加键、功能减键、定闹键。并采用独立式按键。

四、数字时钟的构成框图及其设计原理：

1、数字钟的构成框图

数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数字时钟由晶体振荡器电路、分频器电路、时间计数器电路、译码显示驱动电路组成。下图为数字钟的一般构成框图。

2、数字钟的工作原理

数字时钟的工作原路是各部分电路的工作原理的总和。

（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，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。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。如图一所示电路，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U15与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，输出反馈电阻R5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。C1、C2均选用56pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R5可选为10 MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。

（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。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，需要对振荡器的输出信号进行分频。如上图一所示，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。例如，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。常用的2进制计数器有74HC393等。

本实验中采用CD4060来构成分频电路。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。

（3)激光点云数据处理校时电源电路

当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。校时电路如下所示：

（4）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及时个位和时十位计数器电路构成，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，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。

时计数单元一般为农民工学习需求调查12进制计数器计数器，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。一般采用10进制计数器74LS290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74LS290。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，只需将QA与CPB(下降沿有效)相连即可。CPA(下降没效)与1HZ秒输入信号相连，Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。

秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6对立统一进制计数器的电

路连接方法如图3-5所示，其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连。

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Q3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连，分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CPA相连。

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12进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12进制转换。

另外，尚余-2进制计数单元，正好可作为分频器2HZ输出信号转化为1HZ信号之用。时间计数器电路如下：

（5）译码显示驱动电路

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。计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。译码显示驱动电路图如下：

五．软件仿真

1仿真器介绍

仿真器采用伟福仿真器系统，该仿真器介绍如下：

系统的特点介绍

本仿真器系统由仿真主机+仿真头、MULTIA用户板、实验板、开关电源等组成。本系统的特点是：