电子时钟的研究与制作（电路图设计、采购）吴荣峰

广州市轻工高级技工学校 广州市轻工技师学院毕业论文题目：电子时钟的研究与制作（电路图设计、采购）学生姓名： 吴荣峰 学生学号： 09ZJWOX0131专业系 ： 计算机工程系 专业班级： 09计修高1班 指导老师： 刘伟雪 填写日期： 2013 年 5 月摘 要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。现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。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。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中，我们采用LED 数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz 的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。本次的毕业设计是我和班上的两位朋友组成一组由我来担任组长，我负责的任务是课题的选择、材料与工具的采购、电路图设计、任务的分配与指导等。关键词：单片机 数字时钟 目 录 绪论 (1)（一） 引言 (1)（二） 多功能电子时钟研究的背景和意义 (1)一、 电子时钟设计方案 (3)（一） 电子钟的原理 (3)（二） 时钟散件清单 (3)（三） 电子元件的选择及主要功能说明 (4)1. 4位共阴数码管 (4)2. 芯片底座 (5)3. 89C52RC 单片机芯片 (6)4. 按键 (7)5. 电池座 (8)6. 74HC245驱动芯片 (8)7. 排阻 (10)8. 万用板 (11)9. 晶振 (11)10. 电容 (12)11. 电池 (13)二、 电路图制作 (14)（一） 制作仿真电路图 (14)1. Proteus ISIS (14)2. 仿真电路图制作过程 (15)3. 手绘电路图 (21)三、成品展示 (22)四、心得体会 (24)参考文献 (25)致谢 (26)绪论 （一）引言 一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。从古至今，时间是人们生活中不可缺少的重要伴侣。如果没有时间的概念，社会将停滞不前。从古代的圭表、水漏，到后来的机械钟表以及当今的电子钟，都充分显现出了时间的重要。因此利用当今先进的科技致力于电子钟的研究将能更好的服务于人们的生活。  （二）多功能电子时钟研究的背景和意义 电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。在其推动下，现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，电子技术的发展有力的推动社会生产力的发展。 郭沫若先生曾说：时间就是生命，时间就是速度，时间就是力量。时间对我们来说总是那么宝贵，在我们的日常工作、学习、生活中，时间概念愈加显得重要。在高度发达信息化的21世纪，人们总是那么忙碌。生活工作中班车要准点，上班要准时，开会要有时间限制；工业生产中，每一道工序都要有严格的时间限制，这样才能做到井井有条；严谨的科技研究中，时间更是重中之重。能够准确的了解并且实时性的知道时间，是我们学习、工作、生活中不可或缺的。 机械式钟表虽然也可以告知人们时间，也可以定时，显示日历。但是由于受到机械结构、动力和体积的限制，在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，室外广场，汽车站和火车站等公共场所，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。诸如定时自动报警、0按时自动打铃、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，更为先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。 随着社会的进步，人们越来越青睐功能多样化的产品。温度实时显示系统技术已经发展成熟，比如空调遥控器上当前室温的显示、热水器温度的显示等等。如果能够在电子钟上利用电子技术实时性的准确的显示环境温度，那将为我们的生活、工作、和工业生产中带来极大的便利，同时也可以让我们随时的了解周围环境的变化以及必要措施的施行。   一、 电子时钟设计方案（一） 电子钟的原理数字电子钟的干电路系统由秒信号发生器，"时、分计数器、译码器及显示器、校时电路电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。"分计数器"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"时计数器"。"时计数器"采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将"时"、"分"计数器的输出状态，通过4位数码管显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对"时"、"分"显示数字进行校对调整的。图1-1为电路模块图。时钟电路89C52复位电路限流驱动数码管显示器按键图1-1 电路模块图（二） 时钟散件清单图1-2为电子元件散件清单名称数量4位共阴数码管1个单片机底座1个89C52RC单片机芯片1块按键6个电池座2个74HC245底座1个74HC245芯片1块10K排阻1个7X9(CM)万用板1块12MHZ晶振1个22P电容2个3V电池2个表1-2 设计所用元件清单 （三）电子元件的选择及主要功能说明 1. 4位共阴数码管四位数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4个数码管叫四位数码管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的 阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的 数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相 应字段就不亮。图1-3为4位数码管引脚图，图1-4为数码管引脚定义。图1-3 4位数码管引脚图图1-4 数码管引脚定义 2. 芯片底座单片机座起到方便芯片的更换、焊接时以防温度过高烧毁芯片以及引脚连接等作用。图1-5为40P IC座，图1-6为20P IC 座。图1-5 40P IC座图1-6 20P IC 座 3. 89C52RC单片机芯片 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。图1-7为STC89C52RC芯片。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：1) 多功能2) 高效率和高性能3) 低电压和低功耗4) 低价格目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为STC89C52的单片机。因为： STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-52指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。STC89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚（如图1-8所示），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图1-7 STC89C52RC芯片图1-8 STC89C52RC芯片管教定义 4. 按键型号：6*6*5按键（图1-9）轻触开关系列主要技术指标(Specification of tact switch series)使用温度范围(Temperature) -30+70额定负荷(Rated Load) DC 12V 0.5A绝缘电阻（Insulation Resistance) >=100M接触电阻（Contact Resistance) =<0.03耐压（Withstand Voltage AC 250V(50Hz)/min动作力（Actuating Force) 150300G寿命（Life) 100000次图1-9 6X6X5按键 5. 电池座图1-10为CR2032 电池座。图1-10 CR2032 电池座 6. 74HC245驱动芯片74HC245译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC245特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC245芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC245亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74HC245与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。图1-11为74HC245驱动芯片，图1-12为74HC245驱动芯片管脚定义。功能CD74HC245，CD74HC238和CD74HCT245，CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用。74HC245作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8个输出端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24线译码器不需外接门;扩展成32线译码器,只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。 特性 复合使能输入，轻松实现扩展兼容JEDEC标准no.7A存储器芯片译码选择的理想选择低有效互斥输出ESD保护HBMEIA/JESD22-A114-C超过2000VMM EIA/JESD22-A115-A超过200V温度范围-40+85-40+125 多路分配功能74HC245是一款高速CMOS器件，74HC245引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。        概述74HC245 是一种三态输出、八路信号收发器,主要应用于大屏显示,以及其它的消费类电子产品中增加驱动。主要特性采用CMOS 工艺宽电压工作范围：3.0V5.0V双向三态输出八线双向收发器封装形式：SOP20、SOP20-2、TSSOP20、DIP20图1-11 74HC245驱动芯片图1-12 74HC245驱动芯片管脚定义7. 排阻排阻一般应用在数字电路上，比如：作为某个并行口的上拉或者下拉电阻用。使用排阻比用若干只固定电阻更方便。排阻具有方向性，与色环电阻相比具有整齐、少占空间的优点。1与a 2与b 3与c 4 与d之间的电阻都是10欧，与其它的管脚没有任何关系就是一排电阻，做在了一个原件上。图1-13为A103J 10K排阻。图1-13 A103J 10K排阻8. 万用板万用电路板是一种按照标准IC间距（2.54mm）布满焊盘、可按自己的意愿插装元器件及连线的印制电路板，俗称“洞洞板”。相比专业的PCB制版，洞洞板具有以下优势：使用门槛低，成本低廉，使用方便，扩展灵活。图1-14为万用板，图1-15为万用表焊接后效果。图1-14 万用板图1-15 万用表焊接后效果9. 晶振每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。图1-16为12MHZ晶振。图1-16 12MHZ晶振10. 电容电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，就像三明治一样,所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品（其它的还有电阻、电感等）中的40%以上。基本上所有的电子设备，小到闪盘、数码相机，大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件，电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。图1-17为22p电容图1-17 22p电容11. 电池锂二氧化锰电池,其命名是按IEC的标准命名。其中C-以锂金属为负极，以二氧化锰为正极的化学电池体系，R-表示电池的形状为圆柱形，如果是方形则F替代；20表示电池的直径是20mm,32代表电池的高度为3.2mm。标称电压为3.0V，端点电压(end point voltage)为2.0V, 额定容量为200-230mAh不等，因厂家水平而异。随着新行业的要求，也有特殊改进的电池，其容量会很不一样，主要是改进其大电流的输出能力，如应用于闪灯或RF产品的。该电池常用于电脑主板CMOS电池上、其他记忆功能或断电保护模块、电子秤，计算器，电子辞典等产品上。图1-18 CR2032 3V 电池。图1-18 CR2032 3V 电池二、电路图制作（一）制作仿真电路图1. Proteus ISISProteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路设计、分析与仿真软件，功能极其强大。该软件的主要特点是： 集原理图设计、仿真分析（ISIS) 和印刷电路板设计（ARES) 于一身。可以完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。 提供几千种电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿真模型和外形封装。 支持大多数单片机系统以及各种外围芯片（R S 2 3 2动态仿真、I 2 C调试器、S P I调试器、键盘和 L C D系统仿真等）的仿真。 提供各种虚拟仪器，如各种测量仪表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。过去需要昂贵的电子仪器设备、繁多的电子元件才能完成的电子电路、单片机等实验，现在只要一台电脑，都可在该软件环境下快速轻松地实现。图2-1为ISIS Professional 主界面及运行仿真效果。图2-1 ISIS Professional 主界面及运行仿真效果2. 仿真电路图制作过程制作仿真电路图的步骤如下，（1） 正确安装Proteus 7 Professional并打开。点击“从库中选取”按钮，如图2-2所示。图2-2 点击“从库中选取”（2） 输入关键字“AT89C52”并选择元件。图2-3所示图2-3 筛选所需元件（3）点击“确定”按钮把选择的元件添加到“元件选择器”中。如图2-4所示。图2-4 “元件选择器”（4） 重复步骤（2）、（3），在“关键字”中分别输入“74HC245”、“7SEG-MPX4-CC”、“BUTTON”、“CAP”、“CRYSTAL”、“RESPACK-8”并添加到“元件选择器”中。如图2-5所示。图2-5 将所需元件添加到“元件选择器”中（5） 从“元件选择器”中选择元件放在空白的位置上。如图2-5所示。图2-5 将元件放在空白的位置上（6） 双击元件“CRYSTAL”、“CAP”如图2-6、图2-7所以，在“编辑元件”对话框中修改相应数值。图2-6 元件“CRYSTAL”的“编辑元件”对话框图2-7 元件“CAP”的“编辑元件”对话框(7) 将相关元件连线。如图2-8所示。（8） 点击“终端模式”按钮，在“终端选择器上”选择电源“POWER”和地“GROUND”如图2-8所示添加到相应位置上。图2-8 各元件连接后（9） 加入程序，进入“AT89C52”的“编辑元件”对话框，找到“Program File”点击 按钮，找到预先编写好程序的“*.hex”文件并打开。如图2-9所示。图2-9 “AT89C52”元件“编辑元件”对话框（10） 点击“确定按钮后”点击“开始”即可运行仿真。如图2-10所示。图2-10 运行仿真电路图3.手绘电路图由于ISIS Professional 软件上的芯片针脚跟实物有差异，如AT89C52的针脚排序方式和接电与接地等针脚的隐藏，所以就手绘了电路图为了方便负责焊接的同学查看。如图2-11所示。图2-11 手绘电路图三、 成品展示各项准备工作完成后，我们开始进行焊接工作，经过组员的努力，成品一出来了，装上电池发现只有中间的两点亮，其他数字部分不亮。如图3-1所示。图3-1 成品一经过一番修理之后，成品一中间的两点都不亮了，我们判定为STC89C52RC芯片的烧坏，由于技术有限，经过讨论我们决定买散件重做一个。经过上一次的经验，这次我们由选购到画电路图再到焊接都比上一次细心了，最终成品二一次成功的做了出来，如图3-2所示。图3-2 成品二四、 心得体会选择电子产品小制作这个方向是因为我们以前也接触过有点基础，我们中职的时候上过计算机电路基础这门课，在老师的指导下自己动手做出了一部收音机，能搜台能正常使用。我从小就喜欢用工具拆开一些东西看看里面的结构然后再装好，也喜欢自己动手制造东西，所以我就选择了这个课题作为毕业设计同时也当作一个挑战。开始时我们在老师的指导下展开了我们的毕业设计，在网上搜索资料，参考别人的作品，自己学习一下，去买了我们需要的电子元件散件回来，画出电路图，设计电子钟元件的布局，在这个过程中真的体会到“书到用时方很少”。然后就开始进行焊接，焊接过程比较顺利，没有遇到什么大麻烦但完成了焊接成品出来了只有中间两点会发亮。我们一步步排阻问题，检查有没有虚焊、有没有接错、电路图有没有画错、更换部分新的元件，经过一番折腾后，就连中间的两点都不亮了，因为技术有限我们推测为芯片烧坏了，后来我们又买了一些新的元件再做一个新的电子钟，我们吸取了上一次的教训，这次我们做的时候注意了很多，做出成品后我们轮流反复检测，最后小心翼翼地装上电池，看到数码管亮了，那一刻我们不像电影那样非常激动、相互拥抱，我们只有几句简单的赞美送给自己，因为这是预料之内，在这次毕业设计的过程中，我们不敢说谁付出最多，但我们每个人都是抱着学习的心态去用心做好，所以电子管亮了的那一刻我们更多的是想快点回家吃饭，因为时间都不早了。本次设计主要涉及了单片机原理及接口技术的相关知识和汇编语言编程的诸多要领。设计中涉及的许多问题，更是对以前所学的知识的回顾及在过去的职中生涯中学到知识的系统总结，这次设计对我们将来的工作有很大的帮助。在设计中，我积极查阅资料，细心钻研各个细节，完成了多功能时钟的开发与调试，也让我们明白了在设计中考虑问题应该全面。在设计中既锻炼了我的动手能力，又学会查阅资料，提炼需要的信息。参考文献1 张军 电子元器件检测与维修 完全学习手册 科学出版社2 徐萍 单片机技术项目教程 机械工业出版社3 电子发烧友 4 百度知道 5 电子电路网 6 STC89C51RC / RD+ 系列单片机中文指南 7 74HC245中文资料 8 LED数码管 致谢首先感谢指导老师对我的耐心指导，由于我们对电子钟的了解不多，所以在做毕业设计时遇到很多问题与麻烦，指导老师给了我们很多提示给了我们很大的帮助，非常感谢老师。感谢组员们的努力和支持终于完成了整个电子时钟的工作。最后感谢学校提供了工具、场地等给我们，让我们能在良好的工作环境中学习与完成我们的任务。