基于PIC單片機的電波數(shù)碼顯示時鐘的設(shè)計
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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(zhǔn)。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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(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。
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(biāo)準(zhǔn)時間授時中心將標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間信號的鐘表（或其他計時裝置）都與標(biāo)準(zhǔn)時間授時中心的標(biāo)準(zhǔn)時間保持高度同步，進而全部電波鐘表顯示嚴(yán)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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
2.3CLOCK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(biāo)準(zhǔn)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
2.4LCD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
2.5LCD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2.5LED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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間信號。而標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間，滿足人們對標(biāo)準(zhǔn)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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