【正文】 號，地波作用距離 10002022 公里，天地波結合，覆蓋全國陸地和近海海域，授時精度為微秒（百萬分之一秒）量級。 BPL長波授時系統(tǒng)的建立，將我國授電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 19 頁 時精度由毫秒量級提高至微秒量級，使我國授時技術邁入世界先進行列，該項目 1988年榮獲國家科技進步一等獎。 日常生活中利用短波校時的方法 在我們使用機械表進行校時時，可以把表調到某整點的 1處，如要對 20點整，就撥到 20： 00： 01，當聽到女聲停了，整點聲音出現(xiàn)，你再停半秒按下（相當于你張開嘴，再把上下兩排牙齒咬在一起的時間。）。這樣就對準了。當然你也 可以把秒針停在0秒上，但必須聽到整點前半秒的提示音后就立刻按下去，但因為這個提示音太輕了，不容易掌握。 當使用電子表進行校時的時候，把表調到 20： 01： 00，等待整點后的第一分鐘的最后一秒的到來，即 20： 00： 59后停半秒，在提示音響的同時按下去。 如果你使用秒表，從 00： 00： 00起，想做得完美有點難，這樣就要在 20： 59： 00起的摩爾斯電碼時用另一只鐘或表，數(shù)著 59下，再用上述方法停半秒按下。 這些傳統(tǒng)的校時方法是利用眼睛觀察中央電視臺發(fā)布的標準時間，或用耳朵聽中央人民廣播電臺的報時聲音，然后利用手動按 鍵來調整時鐘。這種方法既費時又費力，而且準確度也不高，不能滿足要求。另一種方法是采用純硬件的方法，但所需設備較多，花費較大，也不可取。如果用軟硬件相結合的辦法，不僅可以節(jié)約成本，實行難度減小，而且精度和自動化也得到提高。 窗口比較器 電壓比較器可將模擬信號轉換成二值信號，即輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的 離散信號。因為輸入的 BPM信號是正弦信號有正負間的變化，單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只變化一次，因此，在此次設計中我們選擇由LM339組成的雙限比較器（窗口比較器） 。當 UiUrh,且 UiUrl時 Uo=+Uom。當 UrlUiUrh時 Uo=Uom。 如圖 313。 圖 313 窗口比較器 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 20 頁 圖 314為 BPM信號經(jīng)過窗口比較器后的波形。 BPM發(fā)出的秒信號為正弦波 1KHz調 圖 314 比較器輸入輸出波形 制的 10個周期，即秒信號長 10ms,整分信號長 ，通過修改 10ms 單元的數(shù)值來達到校時的目的，同時計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)，如果計數(shù)值到 20后經(jīng)判斷無脈沖，則可知此信號為秒信號，然后在對秒單元值進行校正。 校時電 路電路圖 圖 315 校時電路電路圖 電源設計 電源電路用來為控制電路和各外圍電路提供穩(wěn)定可靠的工作電源。 穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸入電流及電壓調節(jié)范圍；另一類指標是質量指標，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內阻、紋波電壓及溫度系數(shù)等。對于穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個要求： ○ 1 穩(wěn)定性好 當輸入電壓 Usr(整流、濾波的輸出電壓 )在規(guī)定范圍內變動時，輸入電壓 Usc 的變電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 21 頁 sc srsc srUUS ???1%scscUU? ?n sr fzr U I? ??化應該很小，滿足一般要求： (32) 當 輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標，常用穩(wěn)定系數(shù) S表示： (33) 注： S 的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下， S 越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常 S 約為 ～ ○ 2 輸出電阻小 負載變化時 (從空載到滿載 )，輸出電壓 Usr，應基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可 用輸出電阻表征。 (34) 輸出電阻 (又叫等效內阻 )用 rn表示，它等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比： rn 反應負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力， m 越小，則 Ifz變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到 1 歐，甚至 歐。 ○ 3 電壓溫度系數(shù)小 當環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應在環(huán)境溫度變化時，有效的抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓的穩(wěn)定。 ○ 4 輸出電壓文波小 所謂紋波電壓，是指輸出電壓中 50Hz 或者 100Hz 的交流分量，通常用有效值或者峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓左右，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù) S。 穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。 變壓器把市交流電壓轉變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟姟＝?jīng)過濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。 典型的穩(wěn)壓電路主要有： ○ 1 帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源 輸出電壓的變化量 △ Usc 是很微弱的，它對調整管的控制作用也很弱，因此穩(wěn)壓效果不夠好，帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源 ，就是在電路中增加一個直流放大器，把微弱的輸電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 22 頁 出電壓變化量先加以放大 ,再去控制調整管，從而提高對調整管的控制作用，使穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性能得到改善。圖 316帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路。 圖 316 帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路 ○ 2 輸出電壓可調的穩(wěn)壓電源 從上面電路可以看到，輸出電壓與基準電壓之間的關系，是由分壓電路來 “調配 ”的。在基準電壓一定的情況下，改變分壓比，就可以在一定范圍里改變輸出電壓。在R1 與 R2 之間加接一個電位器，便可以實現(xiàn)輸出電壓在一定范圍內連續(xù)可調。 ○ 3 用復合管做調整管的穩(wěn)壓電源 在穩(wěn)壓電源中，負載電 流 Ifz要流過調整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調整管，這就要求有足夠大的電流供給調整管的基極，而比較放大電路供不出所需要的大電流，另一方面，調整管需要有較高的電流放大倍數(shù)，才能有效地提高穩(wěn)壓性能，但是大功率管一般電流放大倍數(shù)都不高。解決這些矛盾的辦法，是給原有的調整管再配上一個或幾個 “助手 ”，組成復合管。用復合管做調整管的穩(wěn)壓電源電路如圖 317 示。 圖 317 復合管做調整管穩(wěn)壓電源電路 ○ 4 帶有 保護電路的穩(wěn)壓電源 在穩(wěn)壓電路中，要采取短路保護措施，才能保證安全可靠地工作。普通保險絲熔斷較慢，用加保險絲的辦法達不到保護作用，而必須加裝保護電路。 保護電路的作用是保護碉整管在電路短路、電流增大時不被燒毀。其基本方法是，當輸出電流超過某一致值時，使調整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動切斷電路電流。保護電路的形式很多。圖 318 二 管保護電路 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 23 頁 圖 318 二 管保護電路 在本設計中，由于 AT89C2051 通常有 12 和 24 兩種型號，對應的時鐘頻率分別為12MHz 和 24MHz，前者的工作電壓是 2～ 6V，后 者的工作電壓是 4～ 6V?？紤]到本設計目標電源交直流兩用的要求和三端穩(wěn)壓電路選用的方便（通常的系列為 5V， 6V%?），選擇工作電壓為 5V。電源系統(tǒng)設計如圖 319 示。 圖 319 系統(tǒng)電源原理圖 應當說明的是，盡管有很多型號的 7805 三端穩(wěn)壓集成芯片，但標稱最大輸出電流均為 ，但在實際應用中，該最大輸出電流值往往取決于兩個方面：（ 1）足夠的散熱面積；（ 2）不同的生產廠家。其中，比較好的有 ST 公司的 7805 三端穩(wěn)壓塊，它能接近標稱值。在設計中，必須保證 7805 的輸入電壓 Vi 和輸出電壓 Vo的壓差大于 ，即 ViVo≥ ，否則失去穩(wěn)壓能力。同時考慮到功耗問題，此壓差又不易太大，太大則增加 7805 本身的功率消耗，增加芯片的溫升，不利于安全。因此，選用 9V。當交流電源失電或時效時，電壓為 6V 的直流電源（電池組或蓄電池）通過二極管投入工作，硅二極管的導通電壓降約為 ，因此滿足系統(tǒng)的電源要求。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 24 頁 第 4章 程序設計 軟件設計的重點在于秒信號的產生，顯示的實現(xiàn)及按鍵的處理等方面?；谲浖拿朊}沖信號通常有延時法和定時中斷法。延時法一般采用查詢方式，在延時子程序前后必然需要查詢和處理的程序，導致誤差 的產生，因此其秒脈沖的產生，因此秒脈沖的精度不高。中斷法的原理是利用單片機內部的定時器溢出中斷來實現(xiàn)。例如，設定某定時器每 100ms 中斷 1 次，這 10 次的周期為 1s，這種實現(xiàn)法的特點是精度高，秒脈沖的發(fā)生和其他處理可以并行進行。 [10]本系統(tǒng)即采用這種方式，實現(xiàn)的關鍵是定時器的工作方式的選擇和定時參數(shù)的計算確定。具體內容將在原程序中給于說明。本系統(tǒng)設計中使用的晶振頻率為 12MHz。 主控模塊設計 主模塊是系統(tǒng)軟件的主框架。結構化程序設計一般有“自上而下”和“自下而上”兩種方式，“自上而下”法的核心就是 主框架的構建。它的合理與否關系到程序最終功能的多少和性能的好壞。本系統(tǒng)主模塊的程序框圖如圖 41。 N Y CPU 系統(tǒng)初始化 定時器 0 初始化 開始 定時器 0 初始化 串口初始化 顯示待機指示符 設定鬧鈴時間 顯示刷新 設定鬧鈴？ 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 25 頁 圖 41 主模塊的程序框圖 基本現(xiàn)實模塊設計 基本現(xiàn)實模塊設計的重點是有顯示代碼取得相應的段碼，顯示段碼數(shù)據(jù)的串行發(fā)送 ,其程序流程如圖 42 所示。其中，時個位、分個位、秒個位的段碼必須加上小數(shù)點，即帶小數(shù)點顯示時 各位、分個位、秒個位，目的是以小數(shù)點符號代替時間分割符“ :”，（一般的數(shù)碼管無法顯示字符“ :”）。 Y N Y N Y N 有關變量初始化 刷新顯示 秒指示 鬧鈴 延時 判斷時和分變化？ 判 1 秒到否？ 是否到鬧鈴時間？ 啟動走時 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 26 頁 當前編輯位閃爍功能的實現(xiàn) 當前編輯位閃爍功能能使時間設定編輯模塊的人機環(huán)境更加友善，其實現(xiàn)的原理是：利用定時器 1每 100ms 的溢出中斷，實現(xiàn)每 滅交替效果，即閃爍。用程序框圖表示就是如圖 43： 時間設定模塊設計 時間設定模塊的設計要點是按鍵的去抖與“一鍵多態(tài)”的處理。 即只涉及兩個鍵完成了 8 位時間參數(shù)的設定。軟件發(fā)去抖動的實質是軟件延時，即檢測到某一鍵狀態(tài)變化后延時一段時間，再檢測該按鍵的狀態(tài)是否還保持著，如果是，則作為按鍵處理，否關顯示，以免顯示抖動 通過串口將時十位段碼送入對應的 74LS164 將十個位段碼送入對應的 74LS164（以小數(shù)點代替：） 將分十位和個位段碼送入相應的 74LS164 將百分秒十位 和個位段碼送入相應的 74LS164 打開顯示 圖 42 基本顯示模塊的程序流程圖 開 始 閃爍標志為真 將顯示全滅段碼送顯示緩沖區(qū) 將目前設定的時間參數(shù)送顯示 調用基本顯示程序模塊 圖 43 當前編輯位閃爍功能實現(xiàn)的程序流程圖 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 27 頁 則，視為抖動，不予理睬。去抖的延時時間一般應大于 20ms，否則會導致按一次鍵做多次處理，影響程序正常執(zhí)行?！耙绘I多態(tài)”即多功能鍵的實現(xiàn)理想是，根據(jù)按鍵時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，決定按鍵采取何種動作，即何種功能。其實現(xiàn)流程如圖 44。 脈沖發(fā)生器原理與走時處理 軟件秒脈沖發(fā)生器的實質是定時器 T0 的定時溢出中斷。此設計中由于校時秒信號為 10ms，所 以內部電子鐘以 10ms 為最小計時單位，故我們將定時器 T0 定時為 10ms.單片機時鐘頻率為 12MHz,用 T1模式產生 10ms定時， T1的初值為： T1的初值 =216 10*12*106/12=60536=FC18H Y Y N Y N 設置模塊初始化 將在編參數(shù)送顯示緩沖區(qū) 將當前位的顯示代碼置暗代碼 調基本顯示模塊刷新顯示 當前編輯位下移一位 結束設定 根據(jù)當前位的性質分別進行 +1 處理 (含上下限判斷 ) N Y N返回 N 圖 44 時間設定模塊 流程圖 閃爍標志為真？嗎？ +1 鍵嗎？ 設置鍵？ 當前的編輯是分個位嗎 設置鍵 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 28 頁 有了秒脈沖發(fā)生器， 10 次中斷為 1s，秒指示燈閃亮一次，秒變量單元加 1，到 60s后分變量單元加 1，如果為 60min 則時變量單元加 1。任何一個變量的變化，則顯示刷新一次（更新）。其流程如圖 45： 鬧鈴功能的實現(xiàn) 鬧鈴功能的實現(xiàn)設計到兩個方面：鬧鈴時間設定和是否鬧鈴判別和處理。鬧鈴時 間設定模塊的設計可參照時間設計模塊，這里著重闡述鬧鈴判別與處理模塊的設計問題。鬧鈴判別與鬧鈴處理的關鍵在于判別何時要進行鬧鈴判別。鬧鈴判別與處理的代碼包含在定時器 0的中斷子程序中，其程序設計思想如圖 46： N Y Y N N Y N Y 重裝定時時間常數(shù) 中斷次數(shù)加 1 中斷返回 秒變量 +1 中斷返回 秒變量回 00，分 +1 分變量回 00，時 +1 鬧鈴判別 鬧鈴判別 時變量回 00 鬧鈴判別 中斷返回 中斷返回 圖 45 T0 的中斷子程序流程圖 到 10次了嗎 到 60 秒否 到 60 分否 到 24h 否 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 29 頁 N 鬧鈴判別處理 時十位、個位，分十位、個位改變了 鬧鈴響 中斷返 回 設置鬧鈴 圖 46 包含在 T0 中斷程序中的鬧鈴判別與處理程序流程圖 是否設置了鬧鈴 Y Y N 判當前時間是設定的時間否 中斷返回 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 30 頁 第 5 章 系統(tǒng)的調試及結果 系統(tǒng)調試環(huán)境 本系統(tǒng)所有的電路都設計在一塊電路板上，整個電路板結構緊湊、分布合理，便于加工和調試，并且降低了相互間以及監(jiān)控器與其他儀器間的干擾。電路焊接好過后進行簡單的調試、定標過后，系統(tǒng)便能正確、可靠的運行。系統(tǒng) PCB 圖如圖附錄 3 所示。 軟件調試 本設計的軟件部分，全部采用匯編語言編寫，軟件模塊較多，程序代碼段很長，因此采用分塊調試的方法來調試程序。首先用單片機匯編程序編譯器（ WAVE6000）調試，無誤后，再通過編程器燒到單片機用裝置實驗調試，采用了自下到上的調試方法，即先單獨調試好每一項功能，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調試。根據(jù)實驗結果和指標對照，若有不符，再修改，直到程序完全正確為止。這樣保證了軟件編寫的正確性和可行性。 硬件調試 將燒入程序的 89C2051 安裝在硬件電路中 ，然后通電 。先調節(jié)看按鍵工作是否正常， LED 是否能正常顯示。將時 鐘調至 12： 59： 00，一分鐘之后看其是否變化為 1：00： 00。最后設置好鬧鐘時間，看其到時間是否響鈴。 在調試過程中遇到了很多的問題： ○ 1 LED 不顯示。由于沒有買到 PCB 板中那種封裝的 LED，所以在焊接的時候采用另外一種封裝的 LED 來代替，采用將從 PCB 板上的每個管腳連線出來與另外一塊板子上的 LED 管腳對應相連，由于連線過多，有一些線連錯或者虛焊，在檢查出錯誤后改正。 ○2發(fā)光二極管不亮。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管正負極接反。 ○3 按下按鍵無動作。檢查后發(fā)現(xiàn)在焊接過程中輕觸按鍵的內部結構被破壞，不能正常的起到左右，后將其換掉。 調試 結果 基本實現(xiàn)了設計的要求，長時間運行容易有誤差，在穩(wěn)定性方面還有待改進。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020224 第 31 頁 結 論 單片機智能 數(shù)字鐘理論上能很好的達到了學校教學要求，發(fā)揮了單片機在智能化方面的應用。該系設計很好的滿足當前學校教學的需要，是一個理想的智能化的設計。它具有一個走時精確的實時鐘，可以任意設置時間，時鐘的顯示功能，校時等?？梢酝ㄟ^按鍵操作和數(shù)字顯示。其中利用短波自動校時是這個設計最大的特點之 一。本設計規(guī)模小，但是功能較多，操作簡單，造價低，應用非常廣泛。 通過兩個月的學習和調試過程，終于完成了單片機 多功能 數(shù)字鐘的工作。并且使數(shù)字鐘夠順利運行，完成了預期的目標。從單片機 多功能 數(shù)字鐘的設計過程中也找到了一些單片機開發(fā)的規(guī)律：先了解所有元件的具體內容，從而畫出其電路圖，使數(shù)字鐘從簡易變成多功能的方式，雖沒有做多功能數(shù)字鐘，卻知曉了其方法。從而讓我踏入了單片機應用領域的第一步。然而在調試過程中有也有許多的不足之處：例如編寫調試程序有點不足。希望能夠在以后