基于PIC單片機(jī)的電波數(shù)碼顯示時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘要：電波鐘是新興的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)產(chǎn)品，是把原子振動(dòng)的頻率引出來(lái)作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn).設(shè)計(jì)以PIC16F873單片機(jī)為核心，由接收單元，中央處理顯示單元和電源單元三個(gè)主要部分構(gòu)成，用于接收原子發(fā)射臺(tái)以超長(zhǎng)波間歇性發(fā)射的信號(hào)，以獲得更加準(zhǔn)確的時(shí)間，在軍事和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪卸加袕V泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電波時(shí)鐘；PIC單片機(jī)；原子鐘

電波鐘表是一種新興的計(jì)時(shí)產(chǎn)品，是把原子振動(dòng)的頻率引出作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。目的是使世界時(shí)間同步統(tǒng)一。主要是為了解決目前石英鐘表的精確度問(wèn)題。石英鐘表較機(jī)械鐘表已準(zhǔn)確很多，但日差仍有一秒半秒的誤差。這種誤差對(duì)于人們的日常生活沒(méi)有多大的影響和更正的必要，但對(duì)于軍事和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是要解決的大問(wèn)題。在一些重要場(chǎng)合，誤差在0.01秒之間，結(jié)果也會(huì)失之千里。

電波鐘的原理，是它有一個(gè)原子發(fā)射臺(tái)，定期發(fā)射信號(hào)，頻率每三千年只差一秒，非常準(zhǔn)確。電波鐘是以原子的精度來(lái)制造的計(jì)時(shí)產(chǎn)品。發(fā)射臺(tái)發(fā)出的信號(hào)不是一直不斷地往外發(fā)，而是間隔性的發(fā)射。所以電波鐘或電波表實(shí)際是接收器，接收原子發(fā)射臺(tái)的信號(hào)^[4]。

無(wú)論電波鐘，還是電波表，實(shí)際上都是一個(gè)接收器，它的外觀(guān)與石英鐘、石英表一樣，結(jié)構(gòu)也與石英鐘、石英表一樣，只是增加了一個(gè)接收裝置、比較裝置和修正裝置。比較裝置和修正裝置用于守時(shí)，電波鐘自己能夠定期按著原子振動(dòng)頻率信號(hào)做比較，修正成準(zhǔn)確的時(shí)間，正因?yàn)橛辛诉@種比較修正裝置，電波鐘才能達(dá)到永遠(yuǎn)準(zhǔn)確的效果。所以，無(wú)論是電波鐘還是電波表，它們都有天線(xiàn)。

1.基于PIC單片機(jī)的電波數(shù)碼鐘的工作原理：

電波鐘，也稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)控制計(jì)時(shí)鐘( 英文名稱(chēng)為：Radio controlled timepieces)。電波鐘表作為一個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)原理是：首先，由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間授時(shí)中心將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行編碼（商業(yè)碼則進(jìn)行加密），利用低頻（20KHz-80KHz）載波方式將時(shí)間信號(hào)以無(wú)線(xiàn)電長(zhǎng)波發(fā)播出去。電波鐘表通過(guò)內(nèi)置微型無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)接受該低頻無(wú)線(xiàn)電時(shí)碼信號(hào)，由專(zhuān)用集成芯片進(jìn)行時(shí)碼信號(hào)解調(diào)，再由計(jì)時(shí)裝置內(nèi)設(shè)的控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)鐘表的計(jì)時(shí)。通過(guò)這樣一個(gè)技術(shù)過(guò)程，使得所有接收該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的鐘表（或其他計(jì)時(shí)裝置）都與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間授時(shí)中心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持高度同步，進(jìn)而全部電波鐘表顯示嚴(yán)格一致的時(shí)間。

授時(shí)信號(hào)的接收器（即電波鐘）大的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)分三部分：接收單元，中央處理顯示單元和電源部分。詳細(xì)來(lái)分主要由接收天線(xiàn)、前置放大器、調(diào)諧放大器、自動(dòng)增益電路、濾波器、解調(diào)器、方波形成器、時(shí)間信息處理器和顯示器組成，其功能原理如下：作為接收機(jī)的電波鐘表的接收天線(xiàn)從空間感應(yīng)接收由授時(shí)中心發(fā)射的實(shí)時(shí)授時(shí)信號(hào)，由于信號(hào)較弱，要經(jīng)過(guò)前端放大器、發(fā)大器輸出送到調(diào)諧放大器進(jìn)行選頻放大，然后進(jìn)行濾波，經(jīng)波形形成器進(jìn)行整形，再經(jīng)過(guò)濾波，再進(jìn)行檢波調(diào)諧，從載波中提取時(shí)間信號(hào)，即一串有規(guī)律的脈沖，該脈沖再到接收信號(hào)處理器進(jìn)行變換處理，時(shí)間還原后分別送到顯示器進(jìn)行顯示。

2.主要電路說(shuō)明：

2.1電波接收電路

目前，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻電波一般以頻率為20KHz-80KHz載波方式將時(shí)間信號(hào)以無(wú)線(xiàn)電長(zhǎng)波發(fā)播出去。電波信號(hào)的接收由U4226B IC芯片完成，該芯片外接收信線(xiàn)圈，2個(gè)40 KHz的水 晶發(fā)振器和相應(yīng)的電阻電容等就能完成對(duì)電波的接收和處理.U4226B IC芯片能接收由40KHz到80KHz之間的電波信號(hào)，只是需要配以相應(yīng)的外部元件即可。此處設(shè)計(jì)的是接收40KHz的信號(hào)。U4226B接收電波信號(hào)后輸出時(shí)間編碼信號(hào)TCO(TIME CODE OUTPUT)。電波接收電路見(jiàn)圖2.1。目前我國(guó)采用的是68.5KHz。天線(xiàn)接收效果與電波強(qiáng)度和到來(lái)方向有密不可分的關(guān)系。當(dāng)電波到來(lái)方向與天線(xiàn)成垂直時(shí)接收效果顯著。如果信號(hào)從天線(xiàn)的兩端到達(dá)則可能無(wú)法正確接收信號(hào)。本次設(shè)計(jì)采用接收單元和顯示控制單元分開(kāi)設(shè)計(jì)，二者采用電纜連接。通過(guò)觀(guān)察LED即可了解正常接收與否。     

        

             圖2.1 電波接收電路                                 

2.2接收信號(hào)放大電路

電波接收電路輸出的TCO信號(hào)為0V到5V的脈沖信號(hào)，為了使脈沖信號(hào)具有良好的上升和下降沿，采用了三極管放大電路。具體電路見(jiàn)圖2.2所示。電路中LED1發(fā)光二極管為T(mén)CO信號(hào)的監(jiān)視器。由于天線(xiàn)接收單元與表示處理裝置是分別放置，之間采用電纜連接。由于使用電纜會(huì)引入噪聲，我們采用光電轉(zhuǎn)換 PC1把接收電路與處理電路從電氣上隔離。三極管Q3的基極接有電容C21用于濾除噪音，但C21的容量不能太大，否則會(huì)影響接收脈沖信號(hào)的上升和下降沿的特性。  

     

 圖2.2接收信號(hào)放大電路 
                             
2.3  CLOCK時(shí)鐘發(fā)振電路

在電波信號(hào)不正?；蚪邮招盘?hào)太弱使得接收失敗時(shí)，我們的電波鐘仍需要繼續(xù)工作，因此需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘發(fā)振電路。PIC16F873采用了高穩(wěn)定度的發(fā)振晶體器。它的發(fā)振頻率為12.8MHz,PIC的一步執(zhí)行時(shí)間為4/12.8=0.3124微秒。在電波信號(hào)能正常接收時(shí)，鐘的精度與發(fā)振晶體器的精度無(wú)關(guān)。按原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)它的精度為1E-13,即一年如為31536000秒，誤差為317098年只差1秒^[7]。 

          2.3 CLOCK發(fā)振電路圖

2.4  LCD控制電路和KEY鍵的輸入電路

時(shí)間的表示和設(shè)定均在LCD顯示屏上進(jìn)行。本設(shè)計(jì)使用了SC1602BSLB液晶顯示屏。數(shù)據(jù)輸入輸出可采用4BITS或8BITS寬度。本設(shè)計(jì)采用4BITS模式。控制器PIC側(cè)使用RB端口的高4位來(lái)作為PIC與LCD顯示屏之間的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。RB端口的RB0和RB1作為對(duì)LCD的控制線(xiàn)。同時(shí)RB2到RB7也作為KEY鍵的輸入端口^[5]。其電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2.4所示。其中RS為REGISTER SELECT，即為命令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的切換信號(hào)。E為ENABLE SINAL，即為L(zhǎng)CD顯示屏使能信號(hào)端。還有V0為CONTRAST ADJ端，用它可調(diào)整LCD顯示對(duì)比度。對(duì)不使用的端子全部接地。另外SC1602BSLB顯示屏還具有背光顯示， 只要在A(yíng)/K端加上電源即可^[6]。 

 

圖2.4 PIC與LCD，KEY鍵等控制電路                                       

2.5  LCD控制和輸出電路

使用RA端口和RC端口來(lái)對(duì)外部電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在電路中設(shè)計(jì)有顯示用LED來(lái)顯示其動(dòng)作狀態(tài)。其電路設(shè)計(jì)請(qǐng)見(jiàn)圖2.5所示。LED2（RX）的使用也可抑制PIC的使用電流大小。

2.6外部裝置控制電路

本次設(shè)計(jì)的電波顯示鐘設(shè)有4種定時(shí)控制功能。這4種定時(shí)控制裝置為獨(dú)立的控制裝置。圖2.6是其中之一的控制裝置。由PIC16F873的定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)控制三極管Q5，Q6，Q7和Q8的集電極對(duì)RL1繼電器進(jìn)行控制。4個(gè)控制裝置即可設(shè)置不同的時(shí)刻對(duì)4個(gè)不同的裝置進(jìn)行ON/OFF控制^[1][2]。

圖2.5 LED控制和輸出電路圖

圖2.6 外部裝置控制電路

2.6 外部裝置控制電路              

2.7電源電路

電源電路圖見(jiàn)圖2.7所示。由變壓器輸出的交流AV電壓為12V。通過(guò)橋式整流輸出它的峰值電壓16.8V。由于損耗輸出約16V左右。電路后接三端穩(wěn)壓變換器

輸出穩(wěn)定的12V直流電壓。電路中使用了C28至C32 5個(gè)電容串接使用。在A(yíng)V電壓停止時(shí)具有短暫備用功能。容量為4.7UF，耐壓為2.5V。對(duì)5個(gè)串接電容充電可能會(huì)使電流過(guò)大，電路中還設(shè)有限流電阻R27（200歐）。于是最大充電電流為60mA，充電時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些。D2的設(shè)置是為防止AC輸入停止時(shí)從電容過(guò)來(lái)的反電流。

 圖2.7 電源電路圖            

                        
                                                 

 3、電波數(shù)碼顯示鐘完整電路圖

整個(gè)系統(tǒng)完整電路圖見(jiàn)圖3.1。

4.電波顯示鐘的控制處理軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)處理控制軟件設(shè)計(jì)的流程如圖4.1。

圖3.1 電波數(shù)碼顯示鐘電路圖        

 圖4.1電波鐘的軟件設(shè)計(jì)流程圖

5. 信號(hào)編碼介紹：

   世界各國(guó)的電波鐘表技術(shù)原理相同，但各主要國(guó)家關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的通過(guò)協(xié)議（簡(jiǎn)稱(chēng)碼制）卻不同。如：美國(guó)，時(shí)碼代號(hào)WWVB，頻率為60 KHz；德國(guó)，時(shí)碼代號(hào)DCF，頻率為77.5 KHz；英國(guó)，時(shí)碼代號(hào)為MSF，頻率為60 KHz；日本兩個(gè)臺(tái)，時(shí)碼代號(hào)為JJY，頻率分別為40 KHz和60 KHz；中國(guó)，時(shí)碼代號(hào)為BPC，頻率為68.5KHz.這使得一個(gè)國(guó)家的電波鐘表不能在另一個(gè)國(guó)家正常接收信號(hào)和校準(zhǔn)時(shí)間^[4]。另外，不同國(guó)家和地區(qū)的無(wú)線(xiàn)電通信的電波環(huán)境不同，有的國(guó)家無(wú)線(xiàn)通信干擾小，如德國(guó)。而中國(guó)、美國(guó)的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境較差，這又使得電波鐘表是一個(gè)國(guó)家性的產(chǎn)品。目前全制式的電波鐘表產(chǎn)品還未進(jìn)入市場(chǎng)。線(xiàn)SOC開(kāi)發(fā)平臺(tái)499元 S3C44B0 ARM7開(kāi)發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開(kāi)發(fā)板780元 AT91SAM
6. 結(jié)論：

本系統(tǒng)以PIC16F873單片機(jī)為核心部件，包括接收單元，中央處理顯示單元和電源部分。利用軟件編程，通過(guò)鍵盤(pán)控制和液晶顯示實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)波的接收分析和處理功能、無(wú)信號(hào)時(shí)的時(shí)鐘功能、LCD控制和KEY鍵控制功能以及對(duì)修正后的準(zhǔn)確時(shí)間的顯示功能，盡量做到硬件電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定，減小電磁干擾和其他環(huán)境干擾。

此項(xiàng)技術(shù)主要是以非常經(jīng)濟(jì)的成本，獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。而標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是現(xiàn)代社會(huì)重要技術(shù)支撐，可以在電波鐘表產(chǎn)品基礎(chǔ)上形成一個(gè)提供的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)業(yè)——時(shí)間技術(shù)產(chǎn)業(yè)。通過(guò)此技術(shù)人們可以十分經(jīng)濟(jì)和方便地獲取高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，滿(mǎn)足人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的需求。除應(yīng)用于日常生活外，電波鐘表技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于軍事、科研、通訊、交通、郵電、計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制、社會(huì)生活等領(lǐng)域。

7. 參考文獻(xiàn)：

  1. PIC單片機(jī)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)  張明峰 北京航空航天大學(xué)出版社 2004
  2. PIC16F87x Data Sheet   http://www.microchip.com/
  3. PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)-基于PIC16F87X系列 劉篤仁 電子工業(yè)出版社2005 
  4. 電波鐘介紹   http://www.icsky.cn 
  5. PIC單片機(jī)原理   http://www.teachersong.com/pic
  6. PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 王有緒 許杰李拉成 北京航空航天大學(xué)出版社 2000
  7. 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的原理和實(shí)現(xiàn)  邢群科 溫天江 微計(jì)算機(jī)信息 2005年21卷第7期