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电波钟

专家
2013-01-24 15:55:11     打赏

作者:山东交通学院 姜福广 王奇 黄国镇
指导教师:王常顺 饶中洋

  作品简介

  世界背景:五十年代末,德国就在法兰克福建台,发射频率为77.5千赫的长波时间信号。第一只作为商业用途的电波钟诞生于1986年。除法兰克福外,德国和法国又各建一个长波发射台,发播信号已可覆盖全欧洲,这为整个欧洲提高时间计量精度和时间显示的统一创造了先决条件。德国荣汉斯公司生产的电波钟已经上市并畅销欧洲市场,电波钟在欧洲钟表市场占有率已达30%。一些发达国家如美国、英国、法国、瑞士和日本等已先后建立了自己的发射台,而美国和日本最近更将发射台的发射功率提高了几倍。泰国、马来西亚也在酝酿建设长波信号发播台。
  国内背景:国家授时中心(陕西天文台)和国内外有关企业合作,致力推动中国电波钟的发展。1994年完成可行性论证;1999年建成每天可工作5小时的试验台(100KW全固态发射机,发射频率68.5千赫);2000年完成试播和部分外场测试,证明设计正确;同年,接收芯片研制成功,电波钟样机问世。
  结构说明:①接收模块:即时码接收机,它包括天线、功率放大电路(包括前级选项放大、线路放大、窄带滤波、输出放大)、检波、比较器和AGC控制部分。3V供电电压。其中天线我们采用自制的,接收天线能够接收68.5KHz的频段信号。由于电波钟接收信号为微弱的长波信号。因此采用中性磁棒天线做为接收天线。接收天线采用17cm长度的中性磁棒和0.6mm的漆包线绕制。人工绕制150匝之后,根据LC并联谐振时相位角相等调节线圈匝数。如果输入波形超前输出波形则减少线圈匝数,反之,增大线圈匝数。
  ②处理模块:即单片机开发板(以STC15F2K60S2芯片为控制核心)
  ③显示模块:12864液晶显示屏
  功能:①可以显示时间和日期;②可以接收中国授时台发射出的电波来校准电波钟的时间和日期;③可以显示当地此时的电波信号强度;④可以测量此时当地的温度;⑤有倒计时时功能。
  使用说明:首先打开电源开关,单片机上电工作,正常显示后,按SL16键
  可切换到倒计时状态,按SL16、15、14可进行时分秒的调整,调整后按SL13键可使倒计时工作。  

 

  平台选型说明

  1. 接收模块:方案一:网上有售成品模块,买来就可以用,很简便方案二:自制天线,焊接电路板。我们本着锻炼自己的目的选择第二种方案
  2. 处理模块:根据本次大赛要求选用以STC15F2K60S2芯片为控制核心的51单片机
  3. 显示模块:方案一:数码管显示。只能输出数字,通过对应数字进行人机交流,成本低廉,操作性差。方案二:使用12864液晶显示屏显示模块。,不仅能显示数字,而且能显示汉字,符合人机交流特点。由于方案二更直接,因而我们选方案二。
  根据上面的论证,系统总体结构框图如图所示:  

 

  设计说明

  一.设计原理
  1. 电波钟原理
  电波钟表利用长波无线授时技术,原理过程是:①由标准时间授时中心将标准时间信号进行编码。②利用低频载波方式(68.5kHz)将时间信号以无线电长波发射出去。③电波钟表通过自置微型低功耗无线电接收系统接收并放大该低频无线电时码信号。④由单片机解码时钟信号。⑤再由计时装置自动调节钟表的计时。这样就让所有接收该信号的钟表都与标准时间授时中心的标准时间一致,所以,全部电波钟表显示的时间一致。
  时码信号帧周期为20秒,每分钟包含三帧;以秒脉冲宽度表示四进制数的0,1,2,3,以四进制数表示相应的“分”, “时”,“日”,“月”,“年”,“星期”等时间信息;以帧标志表示帧所在的时间段,以缺少秒脉冲作为帧间隔和帧预告标志;采用码位复用技术。  

 

  图1将一分钟的三个时间段折叠在一起,其包含的三帧所表示的时间信息是相同的。帧周期为20秒。
  方波秒脉冲有0.1S,0.2S,0.3S,0.4S四种脉冲宽度状态,分别表示四进制的0, 1, 2, 3, 采用四进制数表示时间信息增加了每位码位的信息容量。现有的时间编码都以二进制表示时间信息,是为了采用微处理器解码方便。
  2.天线制作原理
  天线上连接着振荡电路,天线是通过“共振”来接收信号的,由于我们中国授时台发出是电磁波的频率68.5kHz,因而我们通过计算,来做出共振频率是68.5kHz的振荡电路,然后连接在天线,就可接收到我国授时台发出的电波。

  二.设计方案
  1.硬件电路设计
  1.1码接收机电路设计
  时码接收机包括天线、放大电路、检波电路、比较器和AGC控制部分放大电路放大功率。  

 

  图4为AGC控制电路,该电路能够根据当前信号大小来控制前级放大器的基极偏置电流,从而控制放大电路的放大倍数,提高系统信噪比。
  1.2天线制作设计
  如图所示自行制作天线测试电路,根据更改L的大小,由于r为天线电阻,电容C=4700pF有一定误差,所以f的大小与L有关,输入端输入1v、68.5KHz的正弦波信号,检测L1两端输出波形,调节输出端波形相位角与输入端一致为止。如果输入波形超前输出波形则减少线圈匝数,反之,增大线圈匝数。  

 

  2. 软件设计
  2.1处理接收信号
  经接收模块处理后,输入给单片机的信号是一组周期都为1秒而占空比不同的方波,通过识别占空比翻译出电波中的时间和日期信息,然后赋给定时器,在通过定时器来来计时。从而使电波钟能够像普通钟表一样计时,再通过液晶显示屏显示出时间和日期。
  2.2显示信号强度
  由AGC控制电路使出端输出信号强度给单片机,单片机对其输入信号先经AD转换,然后由液晶屏显示。由于接收到的信号都是方波信号,且当没有信号时,AGC控制电路输出电压约为其供电电压3V,所以信号越好,AGC控制电路输出电压就越小。
  2.3显示温度
  用18B20模块测温度,并传输给单片机,单片机处理后经液晶显示屏显示。
  2.4倒计时
  由按键切换模式进入倒计时模式,由于液晶显示屏太小,倒计时显示只能覆盖信号强度的显示。先通过按键来调节所要倒计时的时长,然后按确认键,开始倒计时

  作品特色

  电波钟表是在普通电子钟表内增加了接收无线电长波信号、数据处理、自动校正的功能结构,这样就能接收地面发射站以长波发送的标准时间信号,每只电波钟表在接收到这一精确的时码后,经数据处理器处理,即可自动校正电子钟表的走时误差,使每只电波钟的走时都受统一精确的时码控制,从而实现了所有电波钟高精度的计量时间和显示时间的一致性。
  与普通钟表相比,它的优点是基本上不会有误差,更不会有误差积累。普通钟表不论多么精确,或多或少都有误差,而且有误差积累,这种误差一天两天看不出来,但时间长了误差就会积累的很大。电波钟每天除上午5:00—8:00之外,都会收到由国家授时中心低频时码授时台发出的电波,即使有一点误差,也被校准了。
  电波钟可用于时间要求非常苛刻的场合,比如2012年电波钟以应用于高考考场。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2641




关键词: 电波     时间     信号     显示     钟表     接收     模块     天线         

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