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

1、基于PIC單片機(jī)的電波數(shù)碼顯示時(shí)鐘的設(shè)計(jì)日期：2008-12-3 13:30:00作者：未知來源：         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          電波鐘表是一種新興的計(jì)時(shí)產(chǎn)

2、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

3、，接收原子發(fā)射臺(tái)的信號(hào)4    無論電波鐘，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，無論是電波鐘還是電波表，它們都有天線          1.基于PIC單片機(jī)的電波數(shù)碼鐘的工作原理：    

4、     電波鐘，也稱為無線控制計(jì)時(shí)鐘( 英文名稱為：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)以無線電長(zhǎng)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(shí)碼信號(hào)，由專用集成芯片進(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)通過這樣一個(gè)技術(shù)過程，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

5、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)來說分三部分：接收單元，中央處理顯示單元和電源部分詳細(xì)來分主要由接收天線、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

6、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)以無線電長(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

7、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)電波接收電路見圖2.1目前我國(guó)采用的是68.5KHz天線接收效果與電波強(qiáng)度和到來方向有密不可分的關(guān)系當(dāng)電波到來方向與天線成垂直時(shí)接收效果顯著如果信號(hào)從天線的兩端到達(dá)則可能無法正確接收信號(hào)本次設(shè)計(jì)采用接收單元和顯示控制單元分開設(shè)計(jì)，二者采用電纜連接通過觀察LED即可了解正常接收與否         

8、                  圖2.1 電波接收電路                                

9、;           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圖2.2所示電路中LED1發(fā)光二極管為TCO信號(hào)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(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

10、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.

11、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12.8MHzPIC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        

12、60;  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(duì)LCD的控制線同時(shí)RB2到RB7也作為KEY鍵的輸

13、入端口5其電路設(shè)計(jì)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(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/K端加上電源即可6     圖2.4 PIC與LCD，KEY鍵等控制電路               

14、0;                              2.5  LCD控制和輸出電路      使用RA端口和RC端口來對(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來顯示其動(dòng)作狀態(tài)其電路設(shè)計(jì)請(qǐng)見圖2.5所示LED2（RX）的使用也

15、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12 圖2.5 LED控制和輸出電路圖圖2.6 外部裝置控制電路    &#

16、160;  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)

17、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AV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)從電容過來的反電流 圖2.7 電源電路圖                       

18、0;                     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

19、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)的通過協(xié)議（簡(jiǎn)稱碼制）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

20、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)的無線電通信的電波環(huán)境不同，有的國(guó)家無線通信干擾小，如德國(guó)而中國(guó)、美國(guó)的無線電環(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SOC開發(fā)平臺(tái)499元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開發(fā)板780元 AT91SAM7S64 ARM7 單片機(jī)開發(fā)板之王ELITE-I單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)1200元 S3C2410 ARM9開發(fā)板(II

21、) 950元 EPM1270T144C CPLD開發(fā)板 480元         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，通過鍵盤控制和液晶顯示實(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)