基于PIC单片机的电波数码显示时钟的设计

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摘要：电波钟是新兴的准确计时产品，是把原子振动的频率引出来作为计时基准.设计以PIC16F873单片机为核心，由接收单元，中央处理显示单元和电源单元三个主要部分构成，用于接收原子发射台以超长波间歇性发射的信号，以获得更加准确的时间，在军事和科学实验以及人们日常生活中都有广泛的应用前景。
关键词：电波时钟；PIC单片机；原子钟
电波钟表是一种新兴的计时产品，是把原子振动的频率引出作为计时基准。目的是使世界时间同步统一。主要是为了解决目前石英钟表的精确度问题。石英钟表较机械钟表已准确很多，但日差仍有一秒半秒的误差。这种误差对于人们的日常生活没有多大的影响和更正的必要，但对于军事和科学实验，就是要解决的大问题。在一些重要场合，误差在0.01秒之间，结果也会失之千里。
电波钟的原理，是它有一个原子发射台，定期发射信号，频率每三千年只差一秒，非常准确。电波钟是以原子的精度来制造的计时产品。发射台发出的信号不是一直不断地往外发，而是间隔性的发射。所以电波钟或电波表实际是接收器，接收原子发射台的信号[4]。

无论电波钟，还是电波表，实际上都是一个接收器，它的外观与石英钟、石英表一样，结构也与石英钟、石英表一样，只是增加了一个接收装置、比较装置和修正装置。比较装置和修正装置用于守时，电波钟自己能够定期按着原子振动频率信号做比较，修正成准确的时间，正因为有了这种比较修正装置，电波钟才能达到永远准确的效果。所以，无论是电波钟还是电波表，它们都有天线。
1.基于PIC单片机的电波数码钟的工作原理：
电波钟，也称为无线控制计时钟( 英文名称为：Radio controlled timepieces)。电波钟表作为一个系统的技术原理是：首先，由标准时间授时中心将标准时间信号进行编码（商业码则进行加密），利用低频（20KHz-80KHz）载波方式将时间信号以无线电长波发播出去。电波钟表通过内置微型无线电接收系统接受该低频无线电时码信号，由专用集成芯片进行时码信号解调，再由计时装置内设的控制机构自动调节钟表的计时。通过这样一个技术过程，使得所有接收该标准时间信号的钟表（或其他计时装置）都与标准时间授时中心的标准时间保持高度同步，进而全部电波钟表显示严格一致的时间。
授时信号的接收器（即电波钟）大的结构来说分三部分：接收单元，中央处理显示单元和电源部分。详细来分主要由接收天线、前置放大器、调谐放大器、自动增益电路、滤波器、解调器、方波形成器、时间信息处理器和显示器组成，其功能原理如下：作为接收机的电波钟表的接收天线从空间感应接收由授时中心发射的实时授时信号，由于信号较弱，要经过前端放大器、发大器输出送到调谐放大器进行选频放大，然后进行滤波，经波形形成器进行整形，再经过滤波，再进行检波调谐，从载波中提取时间信号，即一串有规律的脉冲，该脉冲再到接收信号处理器进行变换处理，时间还原后分别送到显示器进行显示。
2.主要电路说明：
2.1电波接收电路
目前，标准时刻电波一般以频率为20KHz-80KHz载波方式将时间信号以无线电长波发播出去。电波信号的接收由U4226B IC芯片完成，该芯片外接收信线圈，2个40 KHz的水 晶发振器和相应的电阻电容等就能完成对电波的接收和处理.U4226B IC芯片能接收由40KHz到80KHz之间的电波信号，只是需要配以相应的外部元件即可。此处设计的是接收40KHz的信号。U4226B接收电波信号后输出时间编码信号TCO(TIME CODE OUTPUT)。电波接收电路见图2.1。目前我国采用的是68.5KHz。天线接收效果与电波强度和到来方向有密不可分的关系。当电波到来方向与天线成垂直时接收效果显著。如果信号从天线的两端到达则可能无法正确接收信号。本次设计采用接收单元和显示控制单元分开设计，二者采用电缆连接。通过观察LED即可了解正常接收与否。     
        
             图2.1 电波接收电路                                 
2.2接收信号放大电路
电波接收电路输出的TCO信号为0V到5V的脉冲信号，为了使脉冲信号具有良好的上升和下降沿，采用了三极管放大电路。具体电路见图2.2所示。电路中LED1发光二极管为TCO信号的监视器。由于天线接收单元与表示处理装置是分别放置，之间采用电缆连接。由于使用电缆会引入噪声，我们采用光电转换 PC1把接收电路与处理电路从电气上隔离。三极管Q3的基极接有电容C21用于滤除噪音，但C21的容量不能太大，否则会影响接收脉冲信号的上升和下降沿的特性。  
     
 图2.2接收信号放大电路 
                             
2.3  CLOCK时钟发振电路
在电波信号不正常或接收信号太弱使得接收失败时，我们的电波钟仍需要继续工作，因此需要设计时钟发振电路。PIC16F873采用了高稳定度的发振晶体器。它的发振频率为12.8MHz,PIC的一步执行时间为4/12.8=0.3124微秒。在电波信号能正常接收时，钟的精度与发振晶体器的精度无关。按原子钟的标准时它的精度为1E-13,即一年如为31536000秒，误差为317098年只差1秒[7]。 

          2.3 CLOCK发振电路图
2.4  LCD控制电路和KEY键的输入电路
时间的表示和设定均在LCD显示屏上进行。本设计使用了SC1602BSLB液晶显示屏。数据输入输出可采用4BITS或8BITS宽度。本设计采用4BITS模式。控制器PIC侧使用RB端口的高4位来作为PIC与LCD显示屏之间的数据总线。RB端口的RB0和RB1作为对LCD的控制线。同时RB2到RB7也作为KEY键的输入端口[5]。其电路设计见图2.4所示。其中RS为REGISTER SELECT，即为命令寄存器和数据寄存器的切换信号。E为ENABLE SINAL，即为LCD显示屏使能信号端。还有V0为CONTRAST ADJ端，用它可调整LCD显示对比度。对不使用的端子全部接地。另外SC1602BSLB显示屏还具有背光显示， 只要在A/K端加上电源即可[6]。 
 
图2.4 PIC与LCD，KEY键等控制电路                                       
2.5  LCD控制和输出电路
使用RA端口和RC端口来对外部电路进行驱动。在电路中设计有显示用LED来显示其动作状态。其电路设计请见图2.5所示。LED2（RX）的使用也可抑制PIC的使用电流大小。
2.6外部装置控制电路
本次设计的电波显示钟设有4种定时控制功能。这4种定时控制装置为独立的控制装置。图2.6是其中之一的控制装置。由PIC16F873的定时计数器输出信号控制三极管Q5，Q6，Q7和Q8的集电极对RL1继电器进行控制。4个控制装置即可设置不同的时刻对4个不同的装置进行ON/OFF控制[1][2]。

图2.5 LED控制和输出电路图

图2.6 外部装置控制电路
2.6 外部装置控制电路              
2.7电源电路
电源电路图见图2.7所示。由变压器输出的交流AV电压为12V。通过桥式整流输出它的峰值电压16.8V。由于损耗输出约16V左右。电路后接三端稳压变换器
输出稳定的12V直流电压。电路中使用了C28至C32 5个电容串接使用。在AV电压停止时具有短暂备用功能。容量为4.7UF，耐压为2.5V。对5个串接电容充电可能会使电流过大，电路中还设有限流电阻R27（200欧）。于是最大充电电流为60mA，充电时间会长一些。D2的设置是为防止AC输入停止时从电容过来的反电流。

 图2.7 电源电路图            
                        
                                                 
 3、电波数码显示钟完整电路图
整个系统完整电路图见图3.1。
4.电波显示钟的控制处理软件设计
整个系统处理控制软件设计的流程如图4.1。

图3.1 电波数码显示钟电路图        

 图4.1电波钟的软件设计流程图

5. 信号编码介绍：
   世界各国的电波钟表技术原理相同，但各主要国家关于标准时间信号的通过协议（简称码制）却不同。如：美国，时码代号WWVB，频率为60 KHz；德国，时码代号DCF，频率为77.5 KHz；英国，时码代号为MSF，频率为60 KHz；日本两个台，时码代号为JJY，频率分别为40 KHz和60 KHz；中国，时码代号为BPC，频率为68.5KHz.这使得一个国家的电波钟表不能在另一个国家正常接收信号和校准时间[4]。另外，不同国家和地区的无线电通信的电波环境不同，有的国家无线通信干扰小，如德国。而中国、美国的无线电环境较差，这又使得电波钟表是一个国家性的产品。目前全制式的电波钟表产品还未进入市场。线SOC开发平台499元 S3C44B0 ARM7开发板378元 S3C2410 ARM9开发板780元 AT91SAM
6. 结论：
本系统以PIC16F873单片机为核心部件，包括接收单元，中央处理显示单元和电源部分。利用软件编程，通过键盘控制和液晶显示实现了超长波的接收分析和处理功能、无信号时的时钟功能、LCD控制和KEY键控制功能以及对修正后的准确时间的显示功能，尽量做到硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其他环境干扰。
此项技术主要是以非常经济的成本，获取标准时间信号。而标准时间是现代社会重要技术支撑，可以在电波钟表产品基础上形成一个提供的应用标准时间的产业——时间技术产业。通过此技术人们可以十分经济和方便地获取高精度的标准时间，满足人们对标准时间的需求。除应用于日常生活外，电波钟表技术还可广泛应用于军事、科研、通讯、交通、邮电、计算机、工业控制、社会生活等领域。
7. 参考文献：
  1. PIC单片机入门与实战  张明峰 北京航空航天大学出版社 2004
  2. PIC16F87x Data Sheet   http://www.microchip.com/
  3. PIC软硬件系统设计-基于PIC16F87X系列 刘笃仁 电子工业出版社2005 
  4. 电波钟介绍   http://www.icsky.cn 
  5. PIC单片机原理   http://www.teachersong.com/pic
  6. PIC系列单片机接口技术及应用系统设计 王有绪 许杰李拉成 北京航空航天大学出版社 2000
  7. 时钟驱动的原理和实现  邢群科 温天江 微计算机信息 2005年21卷第7期