多功能数字时钟的设计

多功能数字钟设计与制作

一、引言

中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年间（纪元前104-101年）由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器——浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓，按时打钟。第一个机械钟的灵魂——擒纵器用于计时器，这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪。

第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880年，法国人皮埃尔·居里和保罗·雅克·居里就发现了石英晶体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经过测试，一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为 3~5秒。1942年，著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场合，它还经常被列为频率的基本标准，用于日常测量与检测。大约在 1970 年前后，石英钟表开始进入市场，风靡全球。随着科学的进步，精密的电子元件不断涌现，石英钟表也开始变得小巧精致，它既是实用品，也是装饰品。它为人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。 在现行情况下根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。二十世纪八十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三个方面：

1）从生产机械表转为石英电子表；

2）曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的“组业”

所取代，钟表生产中心转向中国南方沿海一带；

3）中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。

这场转折以迅雷不及掩耳的速度，冲击着传统的中国钟表工业。中国的钟表业从技术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全靠从日本、德国进口，1989年开始完全自己生产，包括模具的制造加工。近十余年，逐渐提高机芯质量的稳定性，同时转向对手表机芯研制与开发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福州、广东东莞、番禺；机械钟表机芯在上海、山东等地。

现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的钟表精英在成长。

我们相信在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。

数字钟被广泛用于个人家庭, 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, 运用超过老式钟表, 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。

普通数字钟在我们的生活中依然扮演着重要的角色，但随着社会的发展和人民生活水平的提高，普通功能的数字钟已经远远不能满足消费者和使用者的需求了。所以一种携带方便而且功能多样的数字钟就迫切出现在我们生活中。所以我进一步研究数字钟的其他功能，希望此次设计为我们的生活带来更多方便。

1、设计任务

设计一种多功能数字钟，该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、仿广播电台正点报时、自动报整点时数和触摸报正点的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路中，

基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部分则由扩展电路实现。这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz 脉冲信号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两为显示，扩展部分要有相应的响应电路。

2、设计要求

①设计一个数字钟。要求用六位数码管显示时间，格式为00：00：00。 ②具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。

③有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。

④设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，

⑤具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。

⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

3、Multisim 软件介绍

Multisim 是美国国家仪器（NI ）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim 和虚拟仪器技术，PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

二、设计原理与方案

1、设计方案

该设计主要由以下几部分组成:震荡器、分频器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED 七段显示数码管、时间校准电路、整点报时电路还有闹钟电路。

数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要6个数码管，

七段的数码管需要译码器才能正常显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz 。计数器的输出分别经译码器送倒显示器显示。计时出现误差时, 可以用校时电路校时、校分。

整点报时电路利用逻辑门，使当各译码器输出满足整点时，蜂鸣器导通。 闹钟电路通过比较器比较当前时间与设计的闹钟时间，相等时同样蜂鸣器导通。

图1. 设计原理框图

图2. 总体设计电路图

2、各模块电路设计

（1）1Hz 标准脉冲发生器

振荡器可由晶振组成，也可以由555与RC 组成的多谐振荡器。由555定时器得到1kHz 的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。

多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555集成电路实现多谐振荡，需要外接电阻R 1、R 2和电容C ，并外接+5V的直流电源。

脉冲频率为：

f =

1

R 1+2R 2C 1⨯ln 2=1=995Hz ≈1kHz -545+2⨯50⨯10⨯ln 2

下图为标准脉冲发生器电路图：

图3. 标准脉冲发生器电路

（2）译码显示电路

数字钟的译码显示电路由译码器4511BP 和共阴极LED 七段显示数码管组成, 为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出和数码管的输入之间串联一个100Ω的电阻。

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。4511BP 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED 显示器。

下面是4511BP 的逻辑功能表：

表1. 4511BP的逻辑功能表

要使译码器能正常工作，LT 和BI 脚要接高电平，EL 要接低电平，译码器的输入接计数器的输出端，而译码器的输出端则接对应数码管的输入端。

在数字钟的设计中，一共需要6块译码显示器，分别是小时显示的2块，分钟显示的2块，秒钟显示的2块，它们在设置上基本相同，只不过译码器的输入接不同的计数器。

由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示，如12：54：30的二进制码为0001 0010：0101 0100：0011 0000。译码之后再驱动LED 七段数码管显示时、分、秒。

下图为其中一块译码显示电路的连接图：

图4. 译码显示电路

在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的。在此次电路的设计中采用的是统一的器件74LS161N 的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load 端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load 端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的Load 端接分计数器的CLK 控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。

时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。 下图为分和秒的计数器电路：

图5. 分秒计数电路

下图为时的计数器电路：

图6. 时计数电路

时钟出现误差时，需校准。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1Hz 的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。其中S 1是校分用的控制开关，S 2为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz 脉冲，当S 1或S 2分别为0时可进行快校时。如果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。

Multisim 仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。

下图为校时电路部分电路图：

图7. 校时电路

（4）闹钟电路

在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管时闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。

在本数字钟设计中，选用了四片74LS85三位比较器实现。

下表是74LS85的逻辑功能表：

表2. 74LS85的逻辑功能表

74LS85比较器的一对输入接小时和分钟时计数器的输出，另外一对接四位拨码开关，当小时和分钟计数器的输出与拨码开关的值完全相等时，四片比较器输出都为高电平，经四位与非门后输出到蜂鸣器，在一分钟内蜂鸣器导通，例如，拨码开关依次为0000,0111,0011,1001, 此时表示为7点59分，当计数器的输出也为7点59分时，OAEQB 输出都为高电平。

下图是闹钟电路图：

图8. 闹钟电路

（5）整点报时电路

整点报时的功能要求是，每当数字钟计时快到整点时发出声响。

当时钟还有

十秒到整点时，蜂鸣器开始响，持续时间为十秒。

此电路是通过五个与门和一个蜂鸣器来实现的，每当分钟的十位为5，个位为9，并且秒钟的十位为5时，蜂鸣器接高电平，开始工作，直到到达整点停止。

下图为整点报时电路图：

图9. 整点报时电路

三、仿真调试

1、总体仿真图

开始仿真后，秒钟部分开始以1s 为周期开始递增，并能向分钟和时钟部分进位，完成数字钟的基本功能。

图10. 总仿真电路

2、各模块仿真调试

（1）校时电路仿真调试

当数字钟时间不准确时，则需要手动调整时间。

如下图所示，单刀双掷开关J2、J1分别对应着时钟与分钟部分。当开关掷向上方时，数字钟正常工作；当J1掷向下方时，则分钟部分开始以1s 为周期开始递增，当J2掷向下方时，时钟部分则开始以1s 为周期开始递增。秒钟部分则由J7控制，当开关闭合时秒钟以1s 为周期递增；当开关闭合时，秒钟则停止走动。

调整时拨动开关，当调整到正确时间后将开关拨回即可。

图11. 校时电路仿真

（2）闹钟电路仿真调试

将拨码开关调至如图状态，即将闹钟定为16：25，则开始仿真。

图12. 闹钟电路仿真

当数字钟还未运行到16：25时，探针不亮，即闹钟不会响起，状态如下图所示：

图13. 闹钟电路仿真

当时钟与分钟到达16：25

时，在此一分钟内，探针亮，即闹钟响，过了此

时间后，闹钟停。

闹钟响时的电路仿真如下图所示：

图14. 闹钟响时电路仿真

（3）整点报时电路仿真调试

当数字钟离整点还差10秒以上时间时，探针不亮，蜂鸣器无反应，状态如下图所示：

图15. 整点报时电路仿真

当数字钟离整点差10秒时，探针亮起，蜂鸣器响，如此持续10秒，过了整点后停止。整点报时的电路仿真如下图所示：

图16. 整点报时电路仿真

3、分析总结

1）数字钟计数功能测试：接通电源，在秒脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒分别为24、60、60进制。计数功能符合设计要求。

2）校时功能测试：在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。

3）闹钟功能测试：通过拨码开关调节定时的时和分，当时钟到达定时时刻时，蜂鸣器响起，探针发亮，闹钟时间为1分钟。闹钟功能符合设计要求。

4）整点报时功能测试：在每一个小时时刻，当时钟到达59分50秒时，电路发出整点报时信号，持续10秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。

5）通过以上测试，表明此次设计的电路符合了实验设计要求，达到了实验目的。