計時器的發(fā)展與應(yīng)用.doc

1. 引言人類對計時器的應(yīng)用已有幾千年的歷史了，從遠古的日晷和漏壺到現(xiàn)在的時鐘和秒表，計時器從重量、功能、外觀、應(yīng)用范圍發(fā)生了巨大的變化。本文設(shè)計了一種多功能計時器，該計時器的整個系統(tǒng)由五部分功能電路組成,為:脈沖發(fā)生電路,計時電路,校分電路,清零電路和報時電路。本設(shè)計報告對每部分電路的原理圖,功能描述,工作原理及所用的器件都作了詳細敘述。該系統(tǒng)可以完成的功能為:00秒到9分59秒的計時功能;能分別在9分53秒,9分55秒和9分57秒發(fā)三聲低音,并且在9分59秒發(fā)一聲高音;能完成快速校分功能;還有開機清零,并在任何時候按動清零開關(guān)使系統(tǒng)清零功能。2. 計時器的發(fā)展史2.1 中國計時器的發(fā)展中國是世界上最早發(fā)明計時儀器的國家。遠古時代的日晷和漏壺是我們祖先創(chuàng)造的最簡單的計時器，利用太陽的影子和滴水或流沙的恒定交流量計算時刻。有史料記載，漢武帝太初年間（紀元前104-101年）由落下閎創(chuàng)造了我國最早的表示天體運行的儀器渾天儀。東漢時期（公元130年）張衡創(chuàng)造了水運渾天儀，為世界上最早的以水為動力的觀測天象的機械計時器，是世界機械天文鐘的先驅(qū)。盛唐時代，公元725年張遂（又稱一行）和梁令瓚等人創(chuàng)制了水運渾天銅儀，它不但能演示天球和日、月的運動，而且立了兩個木人，按時擊鼓，按時打鐘。第一個機械鐘的靈魂一擒縱器用于計時器。宋朝（公元1092年）蘇頌和韓公廉等創(chuàng)制了著名的水運儀象臺，它把渾儀、渾象和機械性計時器都組合在一起，成為世界上第一座以水為動力，裝有擒縱裝置的自嗚機械天文鐘，但最有價值的還是蘇頌為水運儀象臺撰寫了詳細設(shè)計說明編成新儀象法要一書，記載了水運儀象臺的全部結(jié)構(gòu)，并繪制了60多輻150多種零部件的附圖，這是世界上第一部圖文并茂的天文計時器專著。 明末清初，歐洲的鐘表開始進入宮廷，并逐漸占據(jù)中國市場，帶動了我國鐘表制造業(yè)的發(fā)展。 解放后，人民生活水平不斷提高，國家根據(jù)需要，在制鐘工業(yè)原有基礎(chǔ)上，先后建立了很多鐘表工業(yè)基地，使鐘表生產(chǎn)迅速發(fā)展。在輕工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)下，設(shè)計出了全國擺鐘、鬧鐘、手表、電子鐘、石英鐘的“統(tǒng)一機芯”為滿足市場需要，鐘表產(chǎn)品不斷創(chuàng)新，花色品種日新月異，使中國成為世界鐘表生產(chǎn)大國，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了重大貢獻。2.2 西方計時器的發(fā)展西方的計時器也是經(jīng)過水鐘和機械鐘兩個階段。但一直到十三世紀還沒有脫離水鐘的階段。到十四世紀（約1370年）在法國著名的亨利德維克創(chuàng)制的鐘上才采用了比較完備的齒輪系，并用重錘代替水力，經(jīng)過約兩個世紀的漫長時間，才造出了比較現(xiàn)代的機械時鐘。1583年，著名的意大利物理學(xué)家伽利略在實驗中發(fā)現(xiàn)了“擺”的等時性，1656年，荷蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家惠更斯繼續(xù)伽利略的理論研究，建立了數(shù)學(xué)擺的力學(xué)原理，創(chuàng)造了“擺鐘”理論，開創(chuàng)了精密計時學(xué)的新紀元。1658年，以“擺”做為鐘表調(diào)速器的惠更斯擺鐘問世，從此，擺鐘就成為座鐘的一個主要形式，目前廣泛使用的就是這種擺鐘。盤簧（發(fā)條）的發(fā)明給時鐘的小型化創(chuàng)造了條件，而擺的發(fā)明進一步提高了時鐘走時的準確性，使擺鐘長期以來被作為最好的時間標準。1675年，惠更斯又采用擺輪游絲系統(tǒng)造出了一種便于攜帶的鐘表。也就是現(xiàn)代鬧鐘的前身。隨著自由錨式擒縱器的發(fā)明和懷表的微型化，十八世紀末由瑞士鐘表匠制成了世界上第一塊手表。第一只石英鐘出現(xiàn)在二十世紀二十年代，從三十年代開始得到了推廣，從六十年代開始，由于應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)，成功地解決了制造日用石英鐘問題，石英電子技術(shù)在計時領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并取代機械鐘作了更精確的時間標準。3. 計時器的組成跟據(jù)計時器的功能特點，具體實現(xiàn)時可劃分為6個子模塊：鍵輸入模塊，時鐘分頻模塊，控制模塊，秒表計時模塊，計時存儲模塊和顯示模塊。各模塊的功能獨立，可擴充性強，具有再次開發(fā)的潛力。3.1 鍵輸入模塊計時器的輸入控制為按鍵方式，由于手動按鍵，會產(chǎn)生開關(guān)簧片反彈引起的電平抖動現(xiàn)象，為保證系統(tǒng)能捕捉到輸出脈沖，在每一個開關(guān)后面安排一個消抖和同步電路，以并保證每按一鍵，只形成一個寬度為系統(tǒng)時鐘周期的脈沖。3.2 時鐘分頻模塊時鐘分頻模塊的功能是將頻率為1000Hz的外部時鐘信號clk進行分頻，從而產(chǎn)生用來消除抖動的25Hz的時鐘信號clk1和用于計時器內(nèi)部定時計數(shù)的100Hz的時鐘信號clk0。由于計時器系統(tǒng)使用的時鐘信號clk1和時鐘信號clk0的有效脈沖寬度均為1ms，則需對分頻產(chǎn)生的信號進行處理3.3 控制模塊控制模塊的功能是用來控制計時模塊的工作。3.4 秒表計時模塊秒表計時模塊用來實現(xiàn)秒表內(nèi)部定時計數(shù)功能。3.5 時間存儲模塊 時間存儲模塊的作用是對計時數(shù)據(jù)進行存儲。當存儲鍵未按下時，系統(tǒng)將計時模塊產(chǎn)生的計時值送入存儲模塊進行鎖存同時送給顯示模塊進行顯示；當存儲鍵按下時，存儲模塊則不鎖存計時值，而保留按鍵時刻的時間并送給顯示模塊，實現(xiàn)中途計時的功能。當存儲按鍵復(fù)位時，存儲模塊再一次重復(fù)前面的過程，實現(xiàn)對下一中途時刻進行計時。3.6 顯示譯碼模塊顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的即時計時和中途計時結(jié)果。模塊由四個部分構(gòu)成：八進制計數(shù)器count8、計時位選擇電路、七段顯示譯碼電路和顯示位選擇譯碼電路。 對于計時位選擇電路，由于其輸出端口的計時數(shù)據(jù)q的位數(shù)既有2位的、3位的還有4位的，而七段顯示譯碼電路的輸入端口接收四位寬度數(shù)據(jù)，因此在計時位選擇電路中還需將計時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4位寬度的數(shù)據(jù)。4. 設(shè)計電路功能總體要求4.1 設(shè)計電路功能的步驟1設(shè)計一個脈沖發(fā)生電路為計時器提供秒脈沖為報時電路提供驅(qū)動蜂鳴器的脈沖信號。2設(shè)計計時電路完成0分00秒9分59秒的計時功能。3設(shè)計報時電路使數(shù)字計時器從9分53秒開始報時，每隔一秒發(fā)一聲，共發(fā)三聲低音，一聲高音：即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)低音（頻率1KH），9分59秒發(fā)高音（頻率2KH）。4設(shè)計校分電路在任何時候，撥動校分開關(guān)，可進行快速校分。5設(shè)計清零電路開機自動清零 在任何時候，按動清零開關(guān)，可以進行計時器清零。4.2 系統(tǒng)調(diào)試將以上電路進行級聯(lián)，完成計時器的所有功能。4.3 增加數(shù)字計時器功能 如數(shù)字計時器定時功能、電路起停功能、電路采用采用態(tài)顯示等 。5. 電路設(shè)計原理框圖與邏輯原理圖譯 譯碼顯示譯碼顯示譯碼顯示分計數(shù)秒十位計數(shù)數(shù)秒個位計數(shù)校分電路秒信號源分頻器清零電路報時電路圖4-1 電路設(shè)計原理框圖圖4-2 邏輯原理圖6. 各單元電路原理及邏輯分析與設(shè)計6.1 秒脈沖發(fā)生電路功能描述：為整個系統(tǒng)提供脈沖信號。工作原理：由于晶體振蕩器的突出優(yōu)點是有極高的頻率穩(wěn)定度，多用于要求高精度時基的數(shù)字系統(tǒng)中，所以脈沖電路由32768Hz晶體片構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生信號，經(jīng)過14位二進制串行計數(shù)分頻器CC4060分頻，由管腳3產(chǎn)生2Hz信號分別給校分電路，計時電路和起停電路（給計時電路的信號是經(jīng)過雙上升沿D型觸發(fā)器74LS74進行二分頻后產(chǎn)生的1Hz信號）所用器件：32768Hz晶體管、22M電阻、20PF電容、10PF電容、CC4060、74LS74電路原理圖：圖5-1秒脈沖發(fā)生電路電路原理圖6.1.1 計時電路功能描述：實現(xiàn)計時、譯碼、顯示及秒個位到秒十位的進位功能。工作原理：該電路分為秒個位、秒十位和分位。秒個位和分位用雙BCD同步加計數(shù)器CC4518計數(shù)；秒十位用四位二進制同步計數(shù)器74LS161計數(shù)。秒個位、秒十位和分位都用BCD七段譯碼器4511譯碼，用LED數(shù)碼顯示管顯示。CD4518的管腳10接收1Hz秒脈沖信號,CC4518開始計數(shù)，輸出BCD碼信號到CC4511，譯碼后接到LED數(shù)碼顯示管顯示09。當CC4518計數(shù)計到9(1001)時轉(zhuǎn)為0(0000)，CC4518的管腳14由“1”轉(zhuǎn)為“0”，形成下降邊沿，經(jīng)六反相器CC4069后變?yōu)樯仙呇剌斎?4LS161的管腳2，74LS161開始計數(shù)，實現(xiàn)了秒個位到秒十位進位的功能。當74LS161計數(shù)計到5(0101)時，74LS161的管腳12、14同時為“1”，經(jīng)過與非門74LS00后輸出“0”，接到74LS161的管腳9,則74LS161置數(shù)，將其管腳3、4、5、6接地，則管腳11、12、13、14輸出“0”，74LS161從0開始重新計數(shù)。將74LS161四輸出端11、12、13、14接到譯碼器CC4511譯碼后通過LED數(shù)碼顯示管顯示05。秒十位到分位的進位由校分電路實現(xiàn)（見校分電路）。分位的譯碼、顯示的實現(xiàn)同秒位。所用器件：CC4518、74LS161、74LS00、CC4511、CC4069、300電阻、LED數(shù)碼顯示管電路原理圖：圖5-2 LED數(shù)碼顯示管電路原理圖6.1.2 設(shè)計報時電路功能描述：實現(xiàn)報時功能。在9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)三聲低音，在9分59秒發(fā)一聲高音。工作原理：當秒十位為“5”，分位為“9”時，74LS161的12、14端和CC4518的3、6端都為“1”，所以此時最左邊的74LS21輸出“1”。74LS32的兩個輸入端分別接1Q2和1Q3，當秒個位為28時，1Q2和1Q3至少有一端為“1”，故此時74LS32輸出“1”。圖中上面一個74LS21的四個輸入端分別接秒個位計數(shù)器CC4518的11、14端（即1Q4和1Q1）、2Hz信號和左邊74LS21的輸出端，當秒個位為“9”時1Q1和1Q4為“1”,即僅當整個系統(tǒng)計數(shù)至9分59秒時，高頻信號2KHz接入蜂鳴器，使其發(fā)一聲高音。圖中下面一個74LS21的四個輸入端分別接1KHz信號，左邊一個74LS21的輸出端，74LS32的輸出端和秒個位計數(shù)器CC4518的1Q1端，即僅當整個系統(tǒng)計數(shù)至9分53秒、9分55秒、9分57秒時，低頻信號1KHz接入蜂鳴器，使其發(fā)出三聲低音。所用器件：74LS21、74LS32、蜂鳴器電路原理圖： 圖5-3 報時電路電路原理圖6.1.3 設(shè)計清零電路功能描述：該電路具有開機清零和控制清零功能。工作原理：剛開機時，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端為低電平，經(jīng)過第一個4069輸出高電平，接到CC4518的管腳7和15，實現(xiàn)秒個位和分位的清零。經(jīng)過第二個4069輸出低電平，接到74LS161的管腳1，實現(xiàn)秒十位的清零。 按下開關(guān)后，電容被短路，第一個4069的輸入端為低電平，兩個4069的輸出端分別為高電平和低電平，原理同上，實現(xiàn)控制清零功能（用的是異步清零）。所用器件：CC4069、10K電阻、22F電容、開關(guān)電路原理圖：圖5-4 清零電路原理圖6.2 設(shè)計校分電路功能描述：實現(xiàn)快速校分及秒個位到分位的進位功能。工作原理：開關(guān)打開時，與非門2的輸入為“1”和74LS161的QC端，輸出為QC的非。與非門1的輸入為“0”和2Hz，輸出為“1”，則與非門3的輸出為QC，當秒十位由“5”變?yōu)椤?”時，QC由“1”變?yōu)椤?”，即給CC4518提供了一個下降沿觸發(fā)信號，使其工作，從而實現(xiàn)了秒十位到分位的進位功能。開關(guān)閉合時，電容短路，與非門2的輸入為“0”和74LS161的QC端，輸出為“1”。與非門1的輸入為“1”和2Hz。則與非門3的輸出為2Hz,2Hz信號被送到分位，從而實現(xiàn)快速校分功能。所用器件：74LS00、CC4069、10K電阻、22F電容、開關(guān)電路原理圖：圖5-5 校分電路原理圖7. 電路安裝與調(diào)試功能由于準備充分，電路圖設(shè)計較為合理，所以在實驗過程中比較順利。計時器、脈沖發(fā)生電路、清零電路都是一次連成功的。但是當我連好校分電路和報時電路時，問題出現(xiàn)了。校分電路：按照自己設(shè)計的電路圖第一次連好后，沒有正常的現(xiàn)象，以為是做實驗過程中有疏忽插錯線，便又連了一次，仍然不對。最后只能再回到自己的設(shè)計圖上，仔細檢查，分析原理，發(fā)現(xiàn)是自己把原理搞錯了。由于當74LS161的輸出由1001變?yōu)?000時4518加一，因此我用的是4518的下降沿觸發(fā)有效。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)74LS161的QA和QC經(jīng)過與非門送到4518的輸入端，所以在161由1001變?yōu)?000時，4518的輸入端是由低電平變?yōu)楦唠娖?，所以?yīng)該用上升沿有效。發(fā)現(xiàn)問題，立即改正，校分電路很快就可以正常工作了。報時電路：報時電路的問題完全是自己的粗心導(dǎo)致 的。當分位為9的時候才有可能報時，而我卻由于粗心，將1001錯連成了1010。我所設(shè)計的電路，分位最大為9，是不會到達10的，所以我的電路在問題沒檢查出來之前就沒響過。開始以為是喇叭出問題了，但換了器件依然毫無起色。無奈之下只有耐心檢查，這才發(fā)現(xiàn)是這一孔之錯讓我浪費了好長時間。當分位改成9后，電路立即一切正常了。結(jié)論通過本次實驗，使我覺得我學(xué)的不僅僅是理論上的知識，不是紙上談兵，而是可以學(xué)以致用的，這提高了我們對課程的興趣。我們根據(jù)實驗要求設(shè)計電路，理解電路，自己通過查找資料，了解各種元器件的功能。讓我們學(xué)會主動去利用資源，不在是被動的學(xué)習(xí)。實驗中我們一共用了十三個芯片，引腳頗多，導(dǎo)線更是使我們眼花繚亂。實驗開始時老師就提醒我們，不同電路用不同顏色的導(dǎo)線連接，盡量使用短線，使導(dǎo)線可以貼著面包板。我聽取了老師的提醒，因此，盡管器件繁多，但我的電路板看起來干凈、整齊，并沒有多少導(dǎo)線。這一做法最大的好處就是利于我們在電路板上工作，有利于發(fā)現(xiàn)錯誤，改正錯誤，不至于輕易碰到其他的線。如果不是我的導(dǎo)線走的整齊，那么我的報時電路的錯誤估計是發(fā)現(xiàn)不了的。所以我們不用怕麻煩，我們的細心會為我們節(jié)省更多的時間。這次實驗讓我感觸最大的是不管做什么都要有耐心，不能著急。無論難易程度如何，我們都應(yīng)該小心謹慎。在實驗中，讓我們自己發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這培養(yǎng)了我們在短時間內(nèi)綜合自己所學(xué)的知識，處理問題的能立。我的校分電路在實驗中發(fā)現(xiàn)是錯誤的，通過自己的思考獨立解決了這一問題，提高了我們的自信心。致 謝在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，在我撰寫論文的過程中，陳老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題，構(gòu)思和資料的收集方面,還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陳老師的悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示深深的謝意。在論文的協(xié)作過程中，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議，在此一并致以誠摯的謝意，感謝所有關(guān)心、支持、幫助過我的良師益友。 最后向在百忙之中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位專家表示衷心的感謝。參考文獻1 劉勇，陳松，孫亞維，數(shù)字電路 編著 ，電子工業(yè)出版社，2003 年2 程震光，惲雪如 數(shù)字電路實驗與應(yīng)用，北京理工大學(xué)出版社，2002年3 張志平，孫科學(xué)，卜新華，電子設(shè)計自動化，北京郵電大學(xué)出版社，2007年4 王建新，姜萍編著，電子線路實踐教程，北京科學(xué)出版社，2003年5 王俊峰，安家文，呂寬州等編著，電工與電子技術(shù)實驗教程，2006年6 馬鑫金編著，電工儀表與電路實驗技術(shù)，南京理工大學(xué)，2006年 7 朱定華，饒志強， 編著，現(xiàn)代數(shù)字電路與邏輯設(shè)計，北方交通大學(xué)出版社，2007年附 錄附錄A 器材清單 名 稱型 號數(shù)