计时器的发展计划与应用

1. 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1092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，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。1658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。

3.6 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

1．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

图4-1 电路设计原理框图