基于PIC單片機的電波數(shù)碼顯示時鐘的設(shè)計
關(guān)鍵詞：電波時鐘；PIC單片機；原子鐘
電波鐘表是一種新興的計時產(chǎn)品，是把原子振動的頻率引出作為計時基準。目的是使世界時間同步統(tǒng)一。主要是為了解決目前石英鐘表的精確度問題。石英鐘表較機械鐘表已準確很多，但日差仍有一秒半秒的誤差。這種誤差對于人們的日常生活沒有多大的影響和更正的必要，但對于軍事和科學(xué)實驗，就是要解決的大問題。在一些重要場合，誤差在0.01秒之間，結(jié)果也會失之千里。
電波鐘的原理，是它有一個原子發(fā)射臺，定期發(fā)射信號，頻率每三千年只差一秒，非常準確。電波鐘是以原子的精度來制造的計時產(chǎn)品。發(fā)射臺發(fā)出的信號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際是接收器，接收原子發(fā)射臺的信號[4]。
無論電波鐘，還是電波表，實際上都是一個接收器，它的外觀與石英鐘、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，電波鐘自己能夠定期按著原子振動頻率信號做比較，修正成準確的時間，正因為有了這種比較修正裝置，電波鐘才能達到永遠準確的效果。所以，無論是電波鐘還是電波表，它們都有天線。
1.基于PIC單片機的電波數(shù)碼鐘的工作原理：
電波鐘，也稱為無線控制計時鐘( 英文名稱為：Radio controlled timepieces)。電波鐘表作為一個系統(tǒng)的技術(shù)原理是：首先，由標準時間授時中心將標準時間信號進行編碼（商業(yè)碼則進行加密），利用低頻（20KHz-80KHz）載波方式將時間信號以無線電長波發(fā)播出去。電波鐘表通過內(nèi)置微型無線電接收系統(tǒng)接受該低頻無線電時碼信號，由專用集成芯片進行時碼信號解調(diào)，再由計時裝置內(nèi)設(shè)的控制機構(gòu)自動調(diào)節(jié)鐘表的計時。通過這樣一個技術(shù)過程，使得所有接收該標準時間信號的鐘表（或其他計時裝置）都與標準時間授時中心的標準時間保持高度同步，進而全部電波鐘表顯示嚴格一致的時間。
授時信號的接收器（即電波鐘）大的結(jié)構(gòu)來說分三部分：接收單元，中央處理顯示單元和電源部分。詳細來分主要由接收天線、前置放大器、調(diào)諧放大器、自動增益電路、濾波器、解調(diào)器、方波形成器、時間信息處理器和顯示器組成，其功能原理如下：作為接收機的電波鐘表的接收天線從空間感應(yīng)接收由授時中心發(fā)射的實時授時信號，由于信號較弱，要經(jīng)過前端放大器、發(fā)大器輸出送到調(diào)諧放大器進行選頻放大，然后進行濾波，經(jīng)波形形成器進行整形，再經(jīng)過濾波，再進行檢波調(diào)諧，從載波中提取時間信號，即一串有規(guī)律的脈沖，該脈沖再到接收信號處理器進行變換處理，時間還原后分別送到顯示器進行顯示。
2.主要電路說明：
2.1電波接收電路
目前，標準時刻電波一般以頻率為20KHz-80KHz載波方式將時間信號以無線電長波發(fā)播出去。電波信號的接收由U4226B IC芯片完成，該芯片外接收信線圈，2個40 KHz的水 晶發(fā)振器和相應(yīng)的電阻電容等就能完成對電波的接收和處理.U4226B IC芯片能接收由40KHz到80KHz之間的電波信號，只是需要配以相應(yīng)的外部元件即可。此處設(shè)計的是接收40KHz的信號。U4226B接收電波信號后輸出時間編碼信號TCO(TIME CODE OUTPUT)。電波接收電路見圖2.1。目前我國采用的是68.5KHz。天線接收效果與電波強度和到來方向有密不可分的關(guān)系。當電波到來方向與天線成垂直時接收效果顯著。如果信號從天線的兩端到達則可能無法正確接收信號。本次設(shè)計采用接收單元和顯示控制單元分開設(shè)計，二者采用電纜連接。通過觀察LED即可了解正常接收與否。
圖2.1 電波接收電路
2.2接收信號放大電路
電波接收電路輸出的TCO信號為0V到5V的脈沖信號，為了使脈沖信號具有良好的上升和下降沿，采用了三極管放大電路。具體電路見圖2.2所示。電路中LED1發(fā)光二極管為TCO信號的監(jiān)視器。由于天線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，否則會影響接收脈沖信號的上升和下降沿的特性。
圖2.2接收信號放大電路
2.3 CLOCK時鐘發(fā)振電路
在電波信號不正?；蚪邮招盘柼跏沟媒邮帐r，我們的電波鐘仍需要繼續(xù)工作，因此需要設(shè)計時鐘發(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)行時間為4/12.8=0.3124微秒。在電波信號能正常接收時，鐘的精度與發(fā)振晶體器的精度無關(guān)。按原子鐘的標準時它的精度為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
時間的表示和設(shè)定均在LCD顯示屏上進行。本設(shè)計使用了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)計采用4BITS模式?？刂破鱌IC側(cè)使用RB端口的高4位來作為PIC與LCD顯示屏之間的數(shù)據(jù)總線。RB端口的RB0和RB1作為對LCD的控制線。同時RB2到RB7也作為KEY鍵的輸入端口[5]。其電路設(shè)計見圖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。E為ENABLE SINAL，即為LCD顯示屏使能信號端。還有V0為CONTRAST ADJ端，用它可調(diào)整LCD顯示對比度。對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/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端口來對外部電路進行驅(qū)動。在電路中設(shè)計有顯示用LED來顯示其動作狀態(tài)。其電路設(shè)計請見圖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)計的電波顯示鐘設(shè)有4種定時控制功能。這4種定時控制裝置為獨立的控制裝置。圖2.6是其中之一的控制裝置。由PIC16F873的定時計數(shù)器輸出信號控制三極管Q5，Q6，Q7和Q8的集電極對RL1繼電器進行控制。4個控制裝置即可設(shè)置不同的時刻對4個不同的裝置進行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
電源電路圖見圖2.7所示。由變壓器輸出的交流AV電壓為12V。通過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個電容串接使用。在AV電壓停止時具有短暫備用功能。容量為4.7UF，耐壓為2.5V。對5個串接電容充電可能會使電流過大，電路中還設(shè)有限流電阻R27（200歐）。于是最大充電電流為60mA，充電時間會長一些。D2的設(shè)置是為防止AC輸入停止時從電容過來的反電流。
圖2.7 電源電路圖
3、電波數(shù)碼顯示鐘完整電路圖
整個系統(tǒng)完整電路圖見圖3.1。
4.電波顯示鐘的控制處理軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)處理控制軟件設(shè)計的流程如圖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)計流程圖
5. 信號編碼介紹：
世界各國的電波鐘表技術(shù)原理相同，但各主要國家關(guān)于標準時間信號的通過協(xié)議（簡稱碼制）卻不同。如：美國，時碼代號WWVB，頻率為60 KHz；德國，時碼代號DCF，頻率為77.5 KHz；英國，時碼代號為MSF，頻率為60 KHz；日本兩個臺，時碼代號為JJY，頻率分別為40 KHz和60 KHz；中國，時碼代號為BPC，頻率為68.5KHz.這使得一個國家的電波鐘表不能在另一個國家正常接收信號和校準時間[4]。另外，不同國家和地區(qū)的無線電通信的電波環(huán)境不同，有的國家無線通信干擾小，如德國。而中國、美國的無線電環(huán)境較差，這又使得電波鐘表是一個國家性的產(chǎn)品。目前全制式的電波鐘表產(chǎn)品還未進入市場。線SOC開發(fā)平臺499元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開發(fā)板780元 AT91SAM
6. 結(jié)論：
本系統(tǒng)以PIC16F873單片機為核心部件，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，通過鍵盤控制和液晶顯示實現(xiàn)了超長波的接收分析和處理功能、無信號時的時鐘功能、LCD控制和KEY鍵控制功能以及對修正后的準確時間的顯示功能，盡量做到硬件電路簡單穩(wěn)定，減小電磁干擾和其他環(huán)境干擾。
此項技術(shù)主要是以非常經(jīng)濟的成本，獲取標準時間信號。而標準時間是現(xiàn)代社會重要技術(shù)支撐，可以在電波鐘表產(chǎn)品基礎(chǔ)上形成一個提供的應(yīng)用標準時間的產(chǎn)業(yè)——時間技術(shù)產(chǎn)業(yè)。通過此技術(shù)人們可以十分經(jīng)濟和方便地獲取高精度的標準時間，滿足人們對標準時間的需求。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、計算機、工業(yè)控制、社會生活等領(lǐng)域。
7. 參考文獻：
1. PIC單片機入門與實戰(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-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單片機原理 http://www.teachersong.com/pic
6. PIC系列單片機接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 王有緒 許杰李拉成 北京航空航天大學(xué)出版社 2000
7. 時鐘驅(qū)動的原理和實現(xiàn) 邢群科 溫天江 微計算機信息 2005年21卷第7期
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