电路cad课程设计--智能万年历时钟电路

励《应打少大孝

TAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

电路CAD课程设计报告

设计题目：智能万年历时钟电路

专业班级：____________________

学号：_____________________

学生姓名：_____________________

同组学生：____________________

2012/11/23

摘要

数字时钟是一种采用数字电路技术实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。与

机械时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，不仅作为家

用电子时钟为大家喜爱，而且可以用于机场、车站、码头、体育场、等公共场所，给人们提供

了准确的时间。在此基础上，可以加载做出万年历的时钟显示器，对各年份都能显示出来。

万年历数字时钟从原理上来说是i种典型的数字电路。目前，数字时钟的功能越来越强，

并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。但从学习的角度考虑，在此设计报告中以小规模

的集成电路来设计制作万年历时钟。

本文描述了一个基于数字逻辑电路的能实现万年历功能电子时钟的设计，系统由计数器电

路、按键校时电路、数码管显示电路等部分构成。计数器电路包含年计数器、月计数器、日计

数器、星期计数器等部分，各部分分别完成对“年”、“月”、“日”、“星期”的计数。按键校时

电路可分别对“年”、“月”、“日”、“星期”进行单独校时。数码管显示部分能实现时钟日历的

功能,能进行“年”、“月”、“日"、"星期"的显示。

未来，万年历将会朝着精准度更高，外观更加美丽，价格更加实惠的方向发展，并且将会

出现更多的辅助功能。

关键词时钟万年历数码管数字逻辑

Abstract

Thedigitalclockisadigitalcircuittechnologytoachievehourfigures,minutefiguresand

secondfigureswhichcanshowthetimingdevice.Comparedwiththemechanicalclockitretains

higheraccuracyandintuitiveness,andnomechanicaldevice.Atthesametime,ithasalongerlife.

Soitisusedashomeelectronicclockfovoriteforeveryone,andcanbeusedinairports,railway

stations,docks,stadiums,andotherpublicplacetoprovidepeoplewithaccuratetime.Onthisbasis,

Itcanbeloadedtomakethecalendarclockdisplay,andcanbedisplayedforeachYear.

Inprinciple,calendardigitalclockisatypicaldigitalcircuit.Currently,thefunctionofthe

digitalclockisgettingstronger,andavarietyofspecializedLSIcanbeselected.However,inthe

learningviewpoint,inthisdesignreportwedesignedcalendarclockwhichbasedonasmallscale

integratedcircuit.

Thispaperdescribesadesignbasedondigitallogiccircuitcanachieveperpetualcalendar

functionelectronicclock.Thesystemconsistsofacountercircuit,keyschoolcircuitanddigitaltube

displaycircuitparts.Thecountercircuitincludesayearcounter,themonthcounter,daycounter,

weekcounterpart,thevariouspartsoftherespectiveyear,month,day,weekcount.Keytiming

circuitcantimingyear,month,dayandweekrespectively.Thedigitaldisplaypartscanachievethe

functionofaclockcalendar,anddisplayyear,month,dayandweek.

Inthefuture,thecalendarwilldevelopinthedirectionofhigheraccuracy,morebeautiful

exteriorandmoreaffordableprice.Therewillbemoreauxiliaryfunctions.

KeywordsClockCalendarDigitaltubeDigitallogic

目录

一、设计任务与要求.............................................1

二、方案设计与论证.............................................1

1.方案一................................................1

2.方案二................................................2

3.方案的最终选择与确定..................................3

三、单元电路设计与参数的计算..................................3

1.单元电路设计过程.......................................3

(1)计数器电路...........................................3

(2)按键校时电路...........................................12

(3)译码显示电路...........................................15

2.设计电路的原理图.......................................15

(1)计数器电路.............................................15

(2)按键校时电路...........................................16

(3)译码显示电路...........................................16

3.单元电路设计与参数计算的小结............................16

四、protel绘制的总原理图及元器件清单............................17

1.总原理绘制图.............................................17

2.PCB制板图..............................................20

3.对于绘图的部分说明......................................20

4.原理图元器件清单........................................21

五、结论与心得.....................................................22

参考文献............................................................23

一、设计任务与要求:

本设计准备实现的功能：

(1)显示公历日期功能(年、月、日、星期)。

(2)可通过按键切换年、月、日、星期的显示状态。

(3)可随时调校年、月、日及星期。

(4)可每次增减一进行时间调节。

(5)可动态完整显示年份，实现真正的万年历显示。

二、方案设计与论证:

1.方案一：

通过一段时间对专业书籍及多种设计方案的研究及分析，在计数电路芯片的选择上可以

采用74LS160或74LS90,在实现的电路中有两种方案来实现清零(异步置数和同步清零)；

对于实现年、月、日、星期的显示,可采用LED液晶显示屏、点阵式数码管、LED数码管中的

一种；在实现年、月、日、星期的校时方面，可设置K3、K2、K1三个开关分别作为年、

月、日的校时控制开关，由于"日"与''星期"同步，因而控制“日”的同时也控制了“星期”。

另外通过按钮开关可以在日期与时间间切换和对时钟进行调整。

该方案的系统原理框图如下：

图中各单元电路的工作原理如下：

(1)计数器电路：包括年计数器、月计数器、日计数器、星期计数器四部分。各部分分

别完成对“年”、“月”、“日”、“星期”的计数。

(2)译码显示电路：译码显示电路的功能是将年、月、日、星期计数器输出的4位二进

制码进行翻译后显示出相应的十进制数字。

(3)校时电路：当数字钟计时出现误差时，必须对时间进行校正，通常称为“校时”，校

时是数字钟应该具备的基本功能，一般要求能对年、月、日分别进行校正。

2.方案二：

对于本题目的设计，我们不仅可以运用以前学过的课程——《数字电路逻辑设计》里边的

知识来完成，也可以运用我们所学过的单片机知识来完成本设计，我们可以直接用叫简单的单

片机芯片AT89C51再加上其周围的外设电路结构来完成。

该方案的系统原理框图如下：

图中各单元电路的工作原理如下：

(1)晶体电路：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

晶体荡器电路。

(2)复位电路：分频器电路将高频方波信号经分频后得到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。

(3)时间调整电路：利用4*4矩阵键盘电路设计调整电路，对万年历的事件进行调整。

(4)数码管显示电路：包括数码管段选部分和数码管位选部分，数码管段选部分控制显

示数值，数码管位选部分控制显示地址。

由于使用单片机成本较高，而且编程复杂，故选择方案二，利用数字逻辑电路设计万年

历。

3.方案的最终选择与确定：

对于第一种方案，是我们所熟悉的纯数电式电路，核心为2种不同型号的数字芯片和4

种不同型号的逻辑运算芯片，其余的外围电路只增加了数码管、电阻、按键，电路原理可以通

过数字逻辑计算公式来很好的表达，电路原理图也可很容易的构建出来。从制作费用的角度来

讲，外围芯片以及芯片周围的简单元件都是既好买又便宜的，很方便我们的电子设计，花费也

少。

对于第二种方案，也是我们所熟悉的单片机电路，核心为AT89C51单片机，外设也是

一些简单的电阻、电容、数码管构成，电路原理相对于第一种更加简单，对于PCB画板之类

的也是省了不少麻烦。但是该设计的问题是编写的程序过于复杂，其工作量远大于方案一的设

计，而且从制作费用来讲，光一个单片机的价格就已经可以买方案一•中的所有芯片，可能还会

有剩余。

由以上分析最终确定出我们的设计是采用方案一。

三、单元电路设计与参数的计算：

(我的工作主要是protel电路图和PCB板的全部绘制)

1.单元电路设计过程：

(1)计数器电路：

包括年计数器、月计数器、日计数器、星期计数器四部分

A.元器件的选择：

所用元器件包括:74LS90芯片5个;74LS08芯片6个;74LS04芯片-1个;74LS193

芯片2个；74LS00芯片1个。

B.元器件选择说明：

①选择74LS90芯片作为“年”、“月”及“日”十位的计数芯片

(注：考虑到74LS90布线简单，门电路使用少的优点，因而舍弃了74LS160芯片)

74LS90是异步二一五一十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以

作五进制和十进制加法计数器。

如下图1为74LS90芯片引脚图：

INPUTB[7l7|INPUTA

Ro(n[7回zc

R

0(2)[T到QA

NC叵22JQD

VccEW|QND

区Q

Rgs3B

Rg(2)叵I]Qc

图174LS90芯片的引脚图

通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助RO(1)、

R0(2)对计数器清零，借助S9(l)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：

(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。

(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。

(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，

则构成异步8421码十进制加法计数器。

(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，

则构成异步5421码十进制加法计数器。

(5)清零、置9功能：

异步清零:当RO(1)、R0(2)均为“1"；S9(l)、S9⑵中有“0”时,实现异步清零功能,

即QDQCQBQA=0000o

置9功能:当S9(l)、S9(2)均为“1"；R0(l)、R0⑵中有“0”时,实现置9功能，即

QDQCQBQA=1001o

如下表1为74LS90芯片功能表：

表174LS90芯片的功能表

输入输出

清0置9时钟功能

QDQCQBQA

Ro(l)、Ro⑵S9(l)>S9(2)CP]CP2

0x

11XX0000清0

X0

0X

11XX1001置9

X0

11QA输出二进制计数

11QDQCQB输出五进制计数

QDQCQBQA输出

0X0x1QA卜进制计数

8421BCD码

X0x0

QAQDQCQB输出

QD1十进制计数

5421BCD码

11不变保持

②选择74LS193芯片作为“星期”和“日”个位的计数芯片：

常用的集成同步计数器有4位二进制同步加法计数器74161、单时钟4位二进制同步

可逆计数器74191、单时钟十进制同步可逆计数器74190、双时钟4位二进制同步可逆计数器

74193。

注：(74LS193芯片性能稳定价格低廉，相比其他集成同步计数器较好)

如下图2为4位二进制同步可逆计数器74193的引脚排列图及逻辑符号:

VccPoMRTCDTCUPLP2P3

LdUJUJLdLdLLlUJLd

PlQjQQCPDCP（JC）2Q3GND

图274193的引脚图

如下表2为74193输入'输出信号的说明:

表274193输入/输出信号的说明

引线名称说明

CLR清除

预置控制

LD

输

D,C,B,A预置初置

入

端累加计数脉冲

累减计数脉冲

CP1）f

记数值

QDQCQBQA

输

出进位输出负脉冲

Qcc

端

借位输出负脉冲

QCB

当CLR为高电平时，计数器被清除为“0”当为低电平时，计数器被预置为A、

B、C、D端输入的值；当计数脉冲由°匕端输入时，计数器进行累加计数；当计数脉冲由

端输入时，计数器进行累减计数。如下表3为74LS193的功能表：

表374LS193功能表

CLRLDDCBACP。CPDQDQcQBQA

1ddddddd0000

00x3x2xlxOddx3x2xlxO

01ddddt1累加计数

01dddd1t累减计数

4位二进制计数器是模为16的计数器。在实际应用中可根据需要用4位二进制计数

器构成模为任意R（R小于16或大于16）的计数器

③选择74LS04芯片和74LS08芯片作为门电路芯片：

7404芯片内部包含6组反向器，在设计中用一组即可，如下图3为74LS04芯片的

逻辑图：

图374LS04芯片的逻辑图

74LS08芯片内部包含4组2输入与门（正逻辑），如下图4为74LS08芯片的逻辑

图:

RIRIRIRI[wlrnR

GND

图474LS08芯片的逻辑图

C.计数器电路的框图及设计说明：

a、对“日”的分析：

如下图5为“日”显示multisim原理图:

74LS193D

至

羽

图5"日”显示multisim原理图

由于本次设计中“日”是30进制，所以“日”的个位显示是从0—9这10个数，“日”

的十位显示是从0-3这3个数。

“日”个位的分析：

“日”个位计数器的初始状态为0”。(心。广0001，其状态变化序列如下：

0001—►0010—►0011—►0100—>0101

tI

0000—1001<—1000*—0111—0110

根据74LS193的功能表，可将A和CP。接逻辑1,C弓接计数脉冲。由于“日”个位

的置数是受“日”十位控制的，当“日”十位显示由3变到0时即QOQCQSQA由00U变到0100

时，“日”个位变为初值，因此可利用“日”十位的©和。8端的高电位进行置数，“日”个位

的置数信号方程：Y=QA-QB，但由于74LS193的置数控制端说是低电平有效，所以在输入

前必须加上与非门(即图中的74LS08和7404),最后输入到Z5的信号为丫=如石，从而完

成对“日”个位的置数。对于“日”个位计数器的清零，由于“日”个位是十进制计数，当计

数器输出由1001变为1010时，计数器状态立即变为0000,,当下一个计数脉冲到达时，再由

0000变为0001继续进行加一计数，可将QD和QA的高电平经与门接至清除端CLR,完成对“日”

个位的清零。

“日”十位的分析：

“日”个位计数器的初始状态为其状态变化序列如下：

0000—►0001

t;

0011—0010

根据74LS90的功能表，可将S9(1)S9(2)接地，时钟端Cg接以，一接“日”

个位的进位端。对于“日”十位的3进制计数，当“日”十位显示由3变到0时即QOQCQBQA

由0011变到0100时，计数器状态立即变为0000,,当下一个计数脉冲到达时，再由0000变

为0001继续进行加-计数，可将。.和好的高电平经与门送到清零端R01和R02,完成十位

清零。

b、对“月”的分析：

如下图6为“月”显示的原理图:

图6“月”显示的原理图

由于本次设计中“月”是12进制，所以“月”的个位显示是从0—9这10个数，“月”

的十位显示是从0—1这2个数。

“月”个位计数器的初始状态为。“2。“。尸0000,其状态变化序列如下：

0000—►0001—►0010—►0011—►0100

1001V—1000V—0111V—0110V—0101

“月”十位计数器的初始状态为Q°QCQBQA=OOOO,其状态变化序列如下:

0000^=±0001

根据74LS90的功能表，可将两个计数器的S9(1)、S9(2)均接地，时钟端C舄均接

由于“月”是12进制，当“月”十位显示1即。储0。尸0001，“月”个位显示2即

0,。＜、0。/0010时，两计数器的状态均为0000,可将“月”十位的2和“月”个位的Op的

高电平经与门送到两计数器清零端R01和R02,完成十位清零。对于“月”个位和“月”十

位的计数器进位设计：“月”“月”十位的C6接个位的进位端。。,“月”个位的接“日”

十位的进位信号丫=°八QB。

c、对“年”的分析：

如下图7为“年”显示的原理图:

图7“年”显示的原理图

在万年历中“年”的显示变化很小，此次设计仅设计了“年”的最后两位，这两位均

为十进制，最大可记到99年。

根据74LS90的功能表，可将两个计数器的S9(1)、S9(2)均接地，时钟端°舄均

接。人，即可实现十进制计数。当“年”的十位计数器状态为1001时，若下一个计数脉冲到来,

则“年”的两个计数器均被清零，这里可利用“年”十位计数器的&和的进位信号Y=°AQ。

进行清零。

d、对“星期”的分析：

如下图8为“星期”显示的原理图：

oO

m

§So§iiY

••

••

274LS

0•

丁d©

na

方

图8"星期"显示的原理图

本次设计中“星期”是7进制，所以“月”的个位显示是从1一7这7个数，“月”个

位计数器的初始状态为QCQCQSQAROOI，其状态变化序列如下:

0001—►0010->0011—►0100

\I

、0111—0110—0101

根据74LS193的功能表，可将A和。弓接逻辑1,接计数脉冲。当“星期”十位

显示由7变到8时即。。。屋屋.由OU】变到1000时，“星期”计数器的状态变为初值0001,

因此可利用“星期”计数器的。。端的高电位进行置数，“星期”个位的置数信号方程：Y=0°,

但由于74LS193的置数控制端说是低电平有效，所以在输入前必须加上与门(即图中的

7404),最后输入到访的信号为丫=或，从而完成对“星期”计数器的置数。

(2)按键校时电路：

A.元器件的选择：

所用元器件包括：74LS00芯片,74LS10芯片,74LS04芯片,3.3KC电阻4个，开

关、按钮若干。

B.元器件选择说明：

74LS10芯片内含三组三输入与非门，逻辑关系为：丫=痂，如下图9为74LS10芯

片各管脚示意图：

Vcc

图974LS10芯片各管脚示意图

74LS00芯片内含4组二输入与非门,其逻辑关系为：Y=A8,如下图10为74LS00

芯片各管脚示意图:

图1074LS00芯片各管脚示意图

C.校时电路的框图及设计说明：

当数字钟计时出现误差时，必须对时间进行校正，通常称为“校时”，校时是数字钟应

该具备的基本功能，-一般要求能对年、月、日分别进行校正。

校时电路的设计要求是：在进行“年”校正时，不影响“月”和“日”的正常计数；

在进行“月”校正时，不影响“年”和“日”的正常计数；在进行“日”校正时，不影响“月”

和“年”的正常计数。为此，可设置K3、K2、K1三个开关分别作为年、月、日校时控制

开关。

此外根据时间误差的大小，可考虑两种校时方法：一种方法是采用单脉冲进行手动校

时，拨动校时开关后，每按一次单脉冲按钮，相应计数器增1；另一种方法是利用秒计时脉冲

进行自动校时，拨动校时开关后，在秒计时脉冲作用下，相应计数器自动递增，直至增加到希

望的值后再将校时开关拨回初始状态。设计时可设置开关K0区分两种不同的校时方法。

如下表4为校时开关的功能表：

表4校时开关功能表：

K?储K。功能

0000正常计数

0010日校正（手动）

001111校正（自动）

0100月校正（手动）

0101月校正（自动）

1000年校正（手动）

1001年校正（自动）

根据功能表内容所写出的数字钟“年”、“月”、“日”计数器个位计数脉冲信号的表达

式如下：

=

^3*PJO十位进位脉冲+K3K0*P单脉冲+吗勺*跖计数脉冲

"_K*P+KK*P

「月一、2厂日十位进位脉冲十42Ao1^脉冲十八2八0厂日计数脉冲

五日=降*P日计数脉冲+降K0*P单脉冲+K]K0*电计数脉冲

=(Kj+Ko)*P日计数脉冲+&K0*尸单脉冲

据此可设计出数字钟校时电路如下图11所示：

74LS10D74LS10O

=i4LS10Os

74LS10D74L

(3)译码显示电路：

译码显示电路的功能是将年、月、日计数器输出的4位二进制码进行翻译后显示出

相应的十进制数字。通常译码器与显示器是配套使用的，选用共阴极发光二极管数码显示器

BS202,则可选择译码驱动器74LS48与之配套使用。

在此次设计中，使用了内置译码驱动器74LS48及阴极发光二极管数码显示器BS202

的数码管作为显示部分。如下图12所示：

74LS90D

图12译码显示电路

2.设计电路的原理图:

(1)计数器电路：

（2）按键校时电路:

3.单元电路设计与参数计算的小结：

本设计由计数器电路、按键校时电路、数码管显示电路等部分构成。计数器电路包含年

计数器、月计数器、日计数器、星期计数器等部分，各部分分别完成对“年”、“月”、“日”、

“星期”的计数。按键校时电路可分别对“年”、“月”、“日”、“星期”进行单独校时。数码管

显示部分能实现时钟日历的功能，能进行“年”、“月”、“日”、“星期”的显示。此设计基本上

完成了设计任务的要求。

四、protel绘制的总原理图及元器件清单:

1.总原理绘制图：

该数字钟电路的工作原理是：由方波信号发生器产生稳定的高频脉冲信号，经分频电路输

出标准的脉冲信号作为计时脉冲。日计数器计满30后向分计数器产生进位脉冲，并将其送到

月计数器的时钟端，月计数器计满12后向时计数器产生进位脉冲，并将其送到年计数器的时

钟端，年计数器按照模100的规律计数。计数器的输出经显示译码器译码后送显示器显示。当

电路计时出现误差时，可以由校时电路分别对“时”、“分"、“秒”进行校准。

在原理图的绘制中，由于芯片在元件库中无法找到，因此，对于每种类型的芯片，均绘制

b、下图为74LS04的元件绘制图:

114

1AVCC

213

1Y6A

3.2A■6Y12

4,2Y・5A11

53A.5Y10

69

3Y4A

78

GND4Y

c、下图为74LS08的元件绘制图:

d、下图为74LS10的元件绘制图:

114

1AVCC

213

IB1C

32A.1Y12

42B.3C11

52C.3B10

69

2Y3A

78

GND3Y

e、下图为74LS90的元件绘制图:

f、下图为74LS193的元件绘制图:

g、下图为内置译码器LED数码管的元件绘制图:

2.PCB制板图:

a、Top层PCB图:

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Top层板图

b、Bottom层PCB图:

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