1、11. 引言人类对计时器的应用已有几千年的历史了，从远古的日晷和漏壶到现在的时钟和秒表，计时器从重量、功能、外观、应用范围发生了巨大的变化。本文设计了一种多功能计时器，该计时器的整个系统由五部分功能电路组成,为:脉冲发生电路,计时电路,校分电路,清零电路和报时电路。本设计报告对每部分电路的原理图,功能描述,工作原理及所用的器件都作了详细叙述。该系统可以完成的功能为:00 秒到 9 分 59 秒的计时功能;能分别在 9 分 53 秒,9 分 55 秒和 9分 57 秒发三声低音,并且在 9 分 59 秒发一声高音;能完成快速校分功能;还有开机清零,并在任何时候按动清零开关使系统清零功能。2. 计
2、时器的发展史2.1 中国计时器的发展中国是世界上最早发明计时仪器的国家。远古时代的日晷和漏壶是我们祖先创造的最简单的计时器，利用太阳的影子和滴水或流沙的恒定交流量计算时刻。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一擒纵器用于计时器。宋朝（公元 109
3、2 年）苏颂和韩公廉等创制了著名的水运仪象台，它把浑仪、浑象和机械性计时器都组合在一起，成为世界上第一座以水为动力，装有擒纵装置的自呜机械天文钟，但最有价值的还是苏颂为水运仪象台撰写了详细设计说明编成新仪象法要一书，记载了水运仪象台的全部结构，并绘制了60 多辐 150 多种零部件的附图，这是世界上第一部图文并茂的天文计时器专著。明末清初，欧洲的钟表开始进入宫廷，并逐渐占据中国市场，带动了我国钟表制造业的发展。解放后，人民生活水平不断提高，国家根据需要，在制钟工业原有基础上，2先后建立了很多钟表工业基地，使钟表生产迅速发展。在轻工业部的领导下，设计出了全国摆钟、闹钟、手表、电子钟、石英钟的“统
4、一机芯”为满足市场需要，钟表产品不断创新，花色品种日新月异，使中国成为世界钟表生产大国，为国民经济发展做出了重大贡献。2.2 西方计时器的发展西方的计时器也是经过水钟和机械钟两个阶段。但一直到十三世纪还没有脱离水钟的阶段。到十四世纪（约 1370 年）在法国著名的亨利德维克创制的钟上才采用了比较完备的齿轮系，并用重锤代替水力，经过约两个世纪的漫长时间，才造出了比较现代的机械时钟。1583 年，著名的意大利物理学家伽利略在实验中发现了“摆”的等时性，1656 年，荷兰数学家、物理学家和天文学家惠更斯继续伽利略的理论研究，建立了数学摆的力学原理，创造了“摆钟”理论，开创了精密计时学的新纪元。165
5、8 年，以“摆”做为钟表调速器的惠更斯摆钟问世，从此，摆钟就成为座钟的一个主要形式，目前广泛使用的就是这种摆钟。盘簧（发条）的发明给时钟的小型化创造了条件，而摆的发明进一步提高了时钟走时的准确性，使摆钟长期以来被作为最好的时间标准。1675 年，惠更斯又采用摆轮游丝系统造出了一种便于携带的钟表。也就是现代闹钟的前身。随着自由锚式擒纵器的发明和怀表的微型化，十八世纪末由瑞士钟表匠制成了世界上第一块手表。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。并取代机械钟作了更精确的时
6、间标准。3. 计时器的组成跟据计时器的功能特点，具体实现时可划分为 6 个子模块：键输入模块，时钟分频模块，控制模块，秒表计时模块，计时存储模块和显示模块。各模块的功能独立，可扩充性强，具有再次开发的潜力。3.1 键输入模块计时器的输入控制为按键方式，由于手动按键，会产生开关簧片反弹引起的电平抖动现象，为保证系统能捕捉到输出脉冲，在每一个开关后面安排一个3消抖和同步电路，以并保证每按一键，只形成一个宽度为系统时钟周期的脉冲。3.2 时钟分频模块时钟分频模块的功能是将频率为 1000Hz 的外部时钟信号 clk 进行分频，从而产生用来消除抖动的 25Hz 的时钟信号 clk1 和用于计时器内部定
7、时计数的100Hz 的时钟信号 clk0。由于计时器系统使用的时钟信号 clk1 和时钟信号 clk0 的有效脉冲宽度均为1ms，则需对分频产生的信号进行处理3.3 控制模块控制模块的功能是用来控制计时模块的工作。3.4 秒表计时模块秒表计时模块用来实现秒表内部定时计数功能。3.5 时间存储模块时间存储模块的作用是对计时数据进行存储。当存储键未按下时，系统将计时模块产生的计时值送入存储模块进行锁存同时送给显示模块进行显示；当存储键按下时，存储模块则不锁存计时值，而保留按键时刻的时间并送给显示模块，实现中途计时的功能。当存储按键复位时，存储模块再一次重复前面的过程，实现对下一中途时刻进行计时。3
8、.6 显示译码模块显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。模块由四个部分构成：八进制计数器 count8、计时位选择电路、七段显示译码电路和显示位选择译码电路。对于计时位选择电路，由于其输出端口的计时数据 q 的位数既有 2 位的、3 位的还有 4 位的，而七段显示译码电路的输入端口接收四位宽度数据，因此在计时位选择电路中还需将计时数据转化为 4 位宽度的数据。4. 设计电路功能总体要求4.1 设计电路功能的步骤41设计一个脉冲发生电路为计时器提供秒脉冲 为报时电路提供驱动蜂鸣器的脉冲信号。2设计计时电路完成 0 分 00 秒9 分 59 秒的计时功能。3设计报时电路使数字计时器
9、从 9 分 53 秒开始报时，每隔一秒发一声，共发三声低音，一声高音：即 9 分 53 秒、9 分 55 秒、9 分 57 秒发低音（频率1KH） ，9 分 59 秒发高音（频率 2KH） 。4设计校分电路 在任何时候，拨动校分开关，可进行快速校分。5设计清零电路开机自动清零 在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零。4.2 系统调试将以上电路进行级联，完成计时器的所有功能。4.3 增加数字计时器功能 如数字计时器定时功能、电路起停功能、电路采用采用态显示等 。5. 电路设计原理框图与逻辑原理图译 译码显 示 译码显示 译码显示分 计数 秒十位计数数秒个位计数校分电路 秒信号源 分 频器清
10、零电路 报时电路图 4-1 电路设计原理框图5图 4-2 逻辑原理图6. 各单元电路原理及逻辑分析与设计6.1 秒脉冲发生电路功能描述：为整个系统提供脉冲信号。工作原理：由于晶体振荡器的突出优点是有极高的频率稳定度，多用于要求高精度时基的数字系统中，所以脉冲电路由 32768Hz 晶体片构成的振荡器产生信号，经过 14 位二进制串行计数分频器 CC4060 分频，由管脚 3 产生 2Hz 信号分别给校分电路，计时电路和起停电路（给计时电路的信号是经过双上升沿 D 型触发器 74LS74 进行二分频后产生的 1Hz 信号）所用器件：32768Hz 晶体管、22M 电阻、20PF 电容、10PF
11、电容、CC4060、74LS74电路原理图：6C120pFR122Mohm X1CRYSTAL_VIRTUALO12 2O13 3RTC 10O3 7MR12RS11O4 5O5 4O6 6O7 14O8 13O9 15O11 1U14060BDCTC 9C210pFU3B74LS74N_VERILOG2D12 2Q 92Q 82CLR132CLK112PR10VCC5VVCC5V图 5-1 秒脉冲发生电路电路原理图6.1.1 计时电路功能描述：实现计时、译码、显示及秒个位到秒十位的进位功能。工作原理：该电路分为秒个位、秒十位和分位。秒个位和分位用双 BCD 同步加计数器CC4518 计数；秒
12、十位用四位二进制同步计数器 74LS161 计数。秒个位、秒十位和分位都用 BCD七段译码器 4511 译码，用 LED 数码显示管显示。CD4518 的管脚 10 接收 1Hz 秒脉冲信号,CC4518 开始计数，输出 BCD 码信号到 CC4511，译码后接到 LED 数码显示管显示 09。当 CC4518 计数计到 9(1001)时转为 0(0000)，CC4518 的管脚 14 由“1”转为“0” ，形成下降边沿，经六反相器 CC4069 后变为上升边沿输入 74LS161 的管脚 2，74LS161 开始计数，实现了秒个位到秒十位进位的功能。当 74LS161 计数计到 5(0101
13、)时，74LS161 的管脚12、14 同时为“1” ，经过与非门 74LS00 后输出“0” ，接到 74LS161 的管脚 9,则 74LS161 置数，将其管脚 3、4、5、6 接地，则管脚 11、12、13、14 输出“0”，74LS161 从 0 开始重新计数。将 74LS161 四输出端 11、12、13、14 接到译码器 CC4511 译码后通过 LED 数码显示管显示 05。秒十位到分位的进位由校分电路实现（见校分电路） 。分位的译码、显示的实现同秒位。所用器件：CC4518、74LS161、74LS00、CC4511、CC4069、300 电阻、LED 数码显示管电路原理图：
14、7R1300 Ohm R21kOhm R31kOhm U1ABCDEFGCAU2ABCDEFGCAU3ABCDEFGCAU44511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3U54511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3U64511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3V15 V U774LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1
15、CLK2U8A4518BD_5V1A31B41C51D6EN12MR17CP11U8B4518BD_5V2A112B122C132D14EN210MR215CP29C120pF R410kOhm V25 V U10A74LS00DU11A4069BCL_5V图 5-2 LED 数码显示管电路原理图6.1.2 设计报时电路功能描述：实现报时功能。在 9 分 53 秒、9 分 55 秒、9 分 57 秒发三声低音，在 9 分59 秒发一声高音。工作原理：当秒十位为“5” ，分位为“9”时，74LS161 的 12、14 端和 CC4518的 3、6 端都为“1” ，所以此时最左边的 74LS21
16、输出“1” 。74LS32 的两个输入端分别接 1Q2 和 1Q3，当秒个位为 28 时，1Q2 和 1Q3 至少有一端为“1” ，故此时 74LS32 输出“1” 。图中上面一个 74LS21 的四个输入端分别接秒个位计数器 CC4518 的 11、14 端（即 1Q4 和 1Q1） 、2Hz 信号和左边 74LS21 的输出端，当秒个位为“9”时 1Q1 和 1Q4 为“1”,即仅当整个系统计数至 9 分 59 秒时，高频信号 2KHz 接入蜂鸣器，使其发一声高音。图中下面一个 74LS21 的四个输入端分别接 1KHz 信号，左边一个 74LS21 的输出端，74LS32 的输出端和秒个
17、位计数器 CC4518 的 1Q1 端，即仅当整个系统计数至 9 分 53 秒、9 分 55 秒、9 分857 秒时，低频信号 1KHz 接入蜂鸣器，使其发出三声低音。所用器件：74LS21、74LS32、蜂鸣器电路原理图：图 5-3 报时电路电路原理图6.1.3 设计清零电路功能描述：该电路具有开机清零和控制清零功能。工作原理：刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端为低电平，经过第一个4069 输出高电平，接到 CC4518 的管脚 7 和 15，实现秒个位和分位的清零。经过第二个 4069 输出低电平，接到 74LS161 的管脚 1，实现秒十位的清零。按下开关后，电容被短路，第一个
18、 4069 的输入端为低电平，两个4069 的输出端分别为高电平和低电平，原理同上，实现控制清零功能（用的是异步清零） 。所用器件：CC4069、10K 电阻、22F 电容、开关电路原理图：9C122uF J1Key = SpaceR11kOhm V15 V U1A4069BCL_5VU1B4069BCL_5V4518cr图 5-4 清零电路原理图6.2 设计校分电路功能描述：实现快速校分及秒个位到分位的进位功能。工作原理：开关打开时，与非门 2 的输入为“1”和 74LS161 的 QC 端，输出为 QC 的非。与非门 1 的输入为“0”和 2Hz，输出为“1” ，则与非门 3 的输出为 Q
19、C，当秒十位由“5”变为“0”时，QC 由“1”变为“0” ，即给 CC4518 提供了一个下降沿触发信号，使其工作，从而实现了秒十位到分位的进位功能。开关闭合时，电容短路，与非门 2 的输入为“0”和 74LS161 的 QC 端，输出为“1” 。与非门 1 的输入为“1”和 2Hz。则与非门 3 的输出为 2Hz,2Hz 信号被送到分位，从而实现快速校分功能。所用器件：74LS00、CC4069、10K 电阻、22F 电容、开关电路原理图：图 5-5 校分电路原理图107. 电路安装与调试功能由于准备充分，电路图设计较为合理，所以在实验过程中比较顺利。计时器、脉冲发生电路、清零电路都是一次
20、连成功的。但是当我连好校分电路和报时电路时，问题出现了。校分电路：按照自己设计的电路图第一次连好后，没有正常的现象，以为是做实验过程中有疏忽插错线，便又连了一次，仍然不对。最后只能再回到自己的设计图上，仔细检查，分析原理，发现是自己把原理搞错了。由于当74LS161 的输出由 1001 变为 0000 时 4518 加一，因此我用的是 4518 的下降沿触发有效。经检查发现 74LS161 的 QA 和 QC 经过与非门送到 4518 的输入端，所以在 161 由 1001 变为 0000 时，4518 的输入端是由低电平变为高电平，所以应该用上升沿有效。发现问题，立即改正，校分电路很快就可以
21、正常工作了。报时电路：报时电路的问题完全是自己的粗心导致 的。当分位为 9 的时候才有可能报时，而我却由于粗心，将 1001 错连成了 1010。我所设计的电路，分位最大为 9，是不会到达 10 的，所以我的电路在问题没检查出来之前就没响过。开始以为是喇叭出问题了，但换了器件依然毫无起色。无奈之下只有耐心检查，这才发现是这一孔之错让我浪费了好长时间。当分位改成 9 后，电路立即一切正常了。结论通过本次实验，使我觉得我学的不仅仅是理论上的知识，不是纸上谈兵，而是可以学以致用的，这提高了我们对课程的兴趣。我们根据实验要求设计电路，理解电路，自己通过查找资料，了解各种元器件的功能。让我们学会主动去利
22、用资源，不在是被动的学习。实验中我们一共用了十三个芯片，引脚颇多，导线更是使我们眼花缭乱。实验开始时老师就提醒我们，不同电路用不同颜色的导线连接，尽量使用短线，使导线可以贴着面包板。我听取了老师的提醒，因此，尽管器件繁多，但我的电路板看起来干净、整齐，并没有多少导线。这一做法最大的好处就是利于我们在电路板上工作，有利于发现错误，改正错误，不至于轻易碰到其他的线。如果不是我的导线走的整齐，那么我的报时电路的错误估计是发现不了的。所以我们不用怕麻烦，我们的细心会为我们节省更多的时间。11这次实验让我感触最大的是不管做什么都要有耐心，不能着急。无论难易程度如何，我们都应该小心谨慎。在实验中，让我们自
23、己发现问题，解决问题。这培养了我们在短时间内综合自己所学的知识，处理问题的能立。我的校分电路在实验中发现是错误的，通过自己的思考独立解决了这一问题，提高了我们的自信心。12致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导，在我撰写论文的过程中，陈老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题，构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陈老师的悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示深深的谢意。在论文的协作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意，感谢所
24、有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后向在百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢。13参考文献1 刘勇，陈松，孙亚维，数字电路 编著 ，电子工业出版社，2003 年2 程震光，恽雪如 数字电路实验与应用，北京理工大学出版社，2002 年3 张志平，孙科学，卜新华，电子设计自动化，北京邮电大学出版社，2007 年4 王建新，姜萍编著，电子线路实践教程，北京科学出版社，2003 年5 王俊峰，安家文，吕宽州等编著，电工与电子技术实验教程，2006 年6 马鑫金编著，电工仪表与电路实验技术，南京理工大学，2006 年7 朱定华，饶志强， 编著，现代数字电路与逻辑设计，北
25、方交通大学出版社，2007年14附 录附录 A器材清单名 称 型 号 数 量 名 称 型 号 数 量显示器 共阴 3 蜂鸣器 1译码器 CC4511 3 晶振 32768HZ 1计数器 CC4518 1 开关 2计数器 74LS161 1 三极管 3DG6 1分频器 CC4060 1 电容 10PF 1D 触发器 74LS74 1 电容 20PF 1 非门 CC4069 1 电容 22F 1二入与非门 74LS00 2 电阻 470 1四入与门 74LS21 2 电阻 10K 4二入或门 74LS32 2 电阻 22M 1电源 1 万用表 1附录 B芯片管脚排列图：分频器 D 触发器 BCD
26、码计数器15四位二进制计数器 二入与非门 非门译码器 二入或门 BCD 码计数器附录 C 各器件功能表CD4511 功能表输 入 输 出LT BI LE D C B A g f e d c b a 字符测灯 0 X X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8灭灯 1 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐锁存 1 1 1 X X X X 显示 LE=01 时数据1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 11 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 21 1 0 0 0 1 1 1 0
27、0 1 1 1 1 31 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 41 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 51 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 61 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 71 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8译码1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 974LS161 功能表输入 输出功能 rCDLCP S0 S1 D C B A QD QC QB QA清零 0 0 0 0 0预置 1 0 D C B A D C B A保持 1 1 S0 S1=0 不变16计数 1 1 1 1 二进制加法计数CD4518 功能表输 入 输 出Cr CP EN QD QC QB QA清零 1 X X 0 0 0 0计数 0 1 BCD 码加法计数保持 0 X 0 保持计数 0 0 BCD 码加法计数保持 0 1 X 保持
