基于无线控制技术的温度时间接收钟.docx

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基于无线控制技术的温度时间接收钟

目录

文献综述………………………………………………………………………………………………….….3

摘要…………………………………………………………………………………………………………..6

Abstract……………………………………………………………………………………….……………...7

第1章绪论…………………………………………………………………………………………...….8

1.1课题背景及相关知识……………………………………………………………………………..8

1.1.1课题背景…………………………………………………….……………………………...8

1.1.2相关知识………………………………………………….………………………………...8

1.2方案论证………………………………………………………….………………………………..9

第2章无线接收时钟原理…………………………………………..………………..………………..10

2.1无线授时的技术原理…………………………………………………………………………...10

2.2无线控制授时系统的授时信号发送原理……………………………………………………...10

2.3无线控制授时技术系统授时信号的接收原理…………………………………………….......11

2.4接收时钟的技术特征………………………………………………………………………..….12

2.5接收时钟性能指标与主要参数……………………………………………………………..…12

2.5.1信号接收技术性能指标……………………………………………………………….12

2.5.2解码与功能软件技术指标…………………………………………………………….12

2.5.3钟表走时（时间显示）技术指标…………………………………………………….12

2.5.4接收时钟作为一般电子产品对使用环境的要求和其它要求…………………...…..12

第3章单片机简介及方案论述…………………………..……………………………..……………..13

3.1关于单片机…………...…………………………………………………………..………………13

3.1.1MSM64164C单片机（MCU）的介绍………………………………………..……………..13

3.1.2概述…………………………………………………………………….………………….13

3.1.3MSM64164C管脚配置………………………………………………….………………..15

3.1.4MCU框图………………………………………………………….……………………....15

3.1.5引脚功能描述……………………………………………………………….………….…15

3.1.6复位功能…………………………………………………………………….………….…18

3.2时钟接收模块UE6005介绍……………………………………………………….………….…18

3.2.1基本概述…………………………………………………………………….………….…18

3.2.2基本特征………………………………………………………………..…………………18

3.2.3原理框图……………………………………………………………………..……………19

3.2.4参数的范围………………………………………………………………………..………19

3.2.5管脚功能简介及封装图……………………………………………………………..……19

3.2.6设置芯片电路………………………………………………………………………..……20

第4章系统硬件设计…………………………………..………..……………………………………..20

4.1硬件设计………………………………………………………………..………………………...20

4.2系统电源………………………………………………………………………….….…………...20

4.3超再生接收系统………………………………………………………………….…….………...22

4.3.1超再生接收电路及工作原理……………………………………………….….…………22

4.3.2天线接收及高频放大……………………………………………….……….……………24

4.3.3运算放大器………………………………………………………….……….……………24

4.3.4超再生接收优点………………………………………………………………………..…26

4.4主MCU及其外围电路………………………………………………………………………..…27

4.4.1温度测量电路……………………………………………………………………………..27

4.4.2液晶显示器LCD电路…………………………………………………..………………..28

4.4.2.1基本概述……………………………………………………………………..……..28

4.4.2.2LCD的基本结构……………………………………………..…………………….28

4.4.2.3LCD具体应用…………………………………………………..………………….28

4.5复位控制电路…………………………………………………………………..………………..30

4.6LOWBAT（低电量）显示电路…………………………………………………...…………………31

4.7多种按键声音………………………………………………………………..…………………...31

第5章软件实现简要介绍………………………………………………………..……………………32

5.1接收钟的软件流程………………………………………………………….……………………32

第6章结束语…………………………………………..…………………………………………...….34

第7章参考文献………………………………………………………………………………..………35

第8章附录..……………………………………………………………………………………………36

文献综述

一、绪论

本课题所讨论的核心技术是无线控制计时钟表（Radio controlled timepieces），学习和理解其无线控制接收和发射两部分的原理和实际电路的组成，对比不同系统的优点和不足，掌握无线发射接收系统的各种参数和性能指标。

在这些理论技术的支持下，认真分析各个功能模块，查阅相关资料，选择合适的关键器件和模块电路，设计和完成相关的外围电路，如单片机控制电路、LCD显示模块、时钟接收模块、温度测量电路、433M温度信息接收模块、低电显示电路、蜂鸣器闹钟电路等。

二、主体

1.无线控制计时钟表（Radio controlled timepieces）

接收钟，也称为无线控制计时钟表（Radio controlled timepieces）。

首先，由标准授时中心将标准时间信号进行编码，利用载波方式将信号以无线电长波发播出去。

接收钟通过内置微型无线电接收系统接收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走时。

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都与标准时间授时中心的标准时间同步，进而全部接收钟显示严格一致的时间。

在这个全过程中，几乎不需要使用者的操作，带来精确时间的同时也提高了使用者的生活质量。

可以说，微处理技术已渗透了家庭生活用品上的应用，是生活用具智能化的一股潮流。

世界不少国家都在应用时间接受钟（有称电波钟），各个国家的授时频率也不相同。

如：

美国，时码代号WWVB，频率为60KHz；德国，时码代号DCF，频率为77.5KHz；英国，时码代号为MSF，频率为60KHz；日本，时码代号为JJY40，频率为40KHz.。

2.单片机控制电路

在明确硬件总体需求的情况下，根据CPU处理能力、存储容量及速度，I/O端口的分配、接口要求、电平要求、特殊电路要求等，先初步确定几款单片机MCU，在通过详细阅读和分析这几款芯片的技术手册，比较充分地考虑技术的可能性、可靠性和成本控制。

主芯片MSM64164C是OKI生产的一种低功耗的4位微处理芯片，用作低功耗、高精度的体温计或温度计，具有一次性可编程序的只读存储器。

3．LCD显示模块

目前的LCD显示器因为具有完全平面、主动距阵、超薄等特点而受到人们欢迎。

LCD的历史已经有30年了，由于过去的研究和发展较慢，LCD显示器因为不能提供良好的图象质量而不受好评。

但到今天，LCD的需求日益增加并开始普及，它以美观的外观、纤细的造型、不占用空间和低能耗而受到人们欢迎，现在已经有很大部分资金充裕的用户正在使用它。

当前还有很多消费者持观望态度，他们在等待LCD显示器的价格下降并希望LCD能在亮度、锐利和对比方面提供更好的性能，他们只有在那时才能从传统的CRT过渡到LCD显示器。

早期的LCD技术响应速度慢、效率低、提供的对比度不高。

而且早期的距阵技术是被动距阵，可以提供锐利的文本显示，但显示运动物体后会留下残像。

今天，大多数黑白显示笔记本、呼机和便携电话都采用了被动距阵。

因为LCD能比CRT提供更锐利的文本和更清晰的图像。

由于本课题只涉及到一些简单的文字和图像，所以根据设计的要求和显示的需要，选用美观大方、实用性好的、满足成本预算的黑白LCD显示模块。

4．温度测量、发送、接收电路

为了使该产品更多的满足消费者的需要，给使用者带来更多的便捷，同时也是产品在同类市场上更具有竞争优势，也对该产品增加了温度的测量和显示的功能，其包括室内温度（INDOOR）和室外温度（OUTDOOR）。

通过使用适当的温度传感器（thermometer），当主机放在室内时，主机上的温度传感器将采集到的室内温度模拟信号转换成数字信号，主控制器收到后驱动LCD模块加以显示。

而室外的温度通过温度传感器采集到数据后，将数据信号调制到433MHz的载波上发送出去，主机用专用的接收模块收到后，再驱动LCD显示。

三、总结

通过查阅各种文献和技术手册，包括复习自己所学的相关教材，综合分析资料与课题设计所涉及到的技术要求和性能指标，学习新的知识和技术的同时针对课题提出可行性方案，从整体上理解和把握设计的思路，争取做到在理论上有充分而全面的论证，并能兼顾一定的产业化生产要求，使之发挥有一定的经济效益。

四、参考文献

[1]钟表技术回顾与展望，商表网科技2004.3.25

[2]无线控制授时技术及其应用天津大学电信学院（300072）杜志赵雅兴

[3]肖景和赵健，《实用遥控电路》，人民邮电出版社，北京，1998

[4]高吉祥，《高频电子线路》，电子工业出版社，北京，2003.3

[5]佚名，胜华科技公司LCD一部，2003.8

[6]李丽娜，LCD（液晶显示板）的设计：

【学士学位论文】，哈尔滨工业大学电子信息系，2003

[7]张清宝，温度投影接收时钟：

【学士学位论文】，华北工学院电子工程系，2004

[8]方慧生，《PADS使用指南》，电子工业出版社，北京，1993.3

[9]黄元海，《PADS/LOGIC实务操作手册》，志宇电脑图书公司，台湾

[10]万威科技有限公司PCB设计规范2004.4.19　

[11]万威科技有限公司LCDDivisionPCBLayoutDesignGuide

[12]万威科技有限公司SpecificationofRMR182Aversion1.0

[13]OKISemiconductorMSM64164C（4-birMicrocontrollerwithBuilt-inRCOscillationTypeA/DConverterandLCDDriver）

[14]UE6005（RCReceiverIC）Description

[15]InstructionManualofRadioControlledProjectionClockwithThermometer,OREGONSCIENTIFICRMR182A,2002

[16]SunplusSPMC01AMicrocontroller,version1.4sep,2001

基于无线控制技术的温度时间接收钟设计

学生：

俞炎物理与信息工程学院

指导老师：

操长茂，江汉大学物理与信息工程学院

陈喻军，深圳万威科研有限公司

摘要

现今，时间发射接收钟在许多欧美等发达国家已经非常流行，它不仅计时准确，而且无需使用者自己设置时间，即可自动接收和校准显示时间，实现与官方时间完全一致。

本课题从用微电子技术获得比传统计时工具更精确更方便的无线接收钟入手，并分析和比较这一领域现今国内外发展现状和发展趋势，通过研究理解无线控制计时钟表（Radio Controlled Timepieces）的工作原理和相关知识，选择一款单片机作为主控制器，选用相关芯片和功能模块，设计其外围电路，使设计的系统在完成接收时间的同时，还具有其他实用的扩展功能。

关键词：

无线控制技术；温度；时间接收钟；单片机

第一章绪论

1.1课题背景及相关知识

1.1.1课题背景

随着电子技术这些年的迅猛发展，微电子的处理能力及集成度的大大提高，技术更新也越来越快，许多以前军用技术已经转为民用，特别是电子、无线电通信行业，这也使人们的生活有了很大变化，与此同时，微处理技术已渗透一家庭生活用品上的应用，是生活用具智能化的一股潮流。

在这方面，一些欧美发达国家已经将无线电技术运用到钟表行业，推出了一系列的产品，并以其相对传统钟表无法比拟的优势深受人们喜爱。

我们似乎可以预见到这将是这个行业的一种发展趋势。

然而放眼国内钟表行业，虽然我国已经制定出了相应的标准，但是目前还只是处于测试阶段，市场上这类民用产品还处于一种空白状态。

随着国内人们生活质量的日益增长和消费观念的转变，随着不久以后我国相关标准的正式出台，国内钟表行业正蕴涵着巨大的商机。

同时，从某种意义上说，这对国内的整个钟表行业也是一种很大的挑战。

我们是否能顺应此潮流，寻找其结合点，提高钟表行业产品的性能价格比，满足人们多层次多方位的需要，这正是摆在广大科技工作者及企业家面前的重要议体。

当然，我们将微处理技术引入钟表产品领域，要有一个艰难开发的过程，需要有一定的投入。

    展望钟表未来，必然是多方位多品种的钟表世界，既有能满足一部分人的怀旧心理的高档机械钟表，又有显示高新技术、信息化、智能化的钟表类产品。

一个充满个性化、多样化的钟表产品世界，必将呈现在我们面前。

[1]

1.1.2相关知识

由于课题从理解和分析无线电波钟的原理和它目前在欧美国家的发展现状入手，综合讨论各国的不同情况，因此涉及到许多专业知识和相关标准，而且设计主要是应用单片机控制各种功能的外围电路，其所用知识包括《微机原理与接口技术》、《单片机原理与应用》、《传感器技术和应用》等，该设计主要是在软件工程师把软件程序代码烧录好的基础上完成整机的硬件设计，因此《电路分析基础》、《数字电子技术基础》、《模拟电子线路基础》、《线性电子线路》等知识也是必不可少的，由于包含RF接收装置还需要《高频电子线路》方面的基础知识等，另外还翻阅了大量的外文资料，以及从INTERNET上参考了些许典型应用电路。

此外设计中含有显示设备因此还要应用有关LCD显示模块的知识。

因为是电子线路等方面的硬件设计，在设计的过程中我们还要学习并应用各种计算机辅助设计软件PADS、POWERLOGIC4.0、POWERPCB4.0等。

1.2方案论证

本设计课题是：

基于无线控制技术的温度时间接收钟设计（wirelesstemperatureandRTCreceivingclock）。

它采用超再生接收技术，具有无线接收时间功能，可以记录和显示室内外温度，摄氏温度与华氏温度自由选择，多种时区选择，多种按键声音等。

由于考虑到在保证系统功能的稳定性的同时，尽量根据系统的需要采用集成更多功能的芯片。

经过合理的分析和考虑，系统选用了两块OKI公司的MSM64164C型号的单片机芯片，其中，一块主要负责无线时钟的接收并显示，另一块负责处理和显示接收室内外温度以及其他功能电路，再利用超再生接收线路作为室外温度接收模块，采用LCD液晶显示片作为显示设备等辅以外围电路设计而成。

虽然使用了两块单片机芯片，但这使系统的稳定性和可靠性大大增加，并具有良好的扩展性，给其后续新产品留下一定的预留空间。

系统框图如图1-1所示。

图1-1系统主要的组成部分

下面对整机的原理做简要介绍：

系统可以按照单片机处理的对象分为两部分，一部分是以单片机和无线时钟接收芯片UE6005组成的无线时钟接收部分和蜂鸣器闹钟电路，另一部分是以单片机和温度测量电路、温度433M无线接收电路、低电显示电路等外围电路。

当无线时钟接收芯片UE6005收到时钟信号，在单片机的控制下将其解调，单片机获得有用的数据后，通过其自带的驱动电路驱动LCD模块显示其相应的时间。

超再生接收系统将远端发射器的温度调制信号匹配放大后，然后再进行解调，使单片机获得远处的温度信息。

蜂鸣器闹钟电路是利用单片机自带的蜂鸣器驱动端（BD）驱动蜂鸣器，并通过设置蜂鸣器回路中不同的工作电流Frequency实现不同的按键声音。

低电检测是检测当前的电池状态，通过其分压电路来控制Transistoron/off，从而确定其供电电压是否满足系统电压的最低要求，并输出为指示的0,1信号，主MCU收到信号控制LCD显示信息。

整个方案基本思想就是这样,主要参数像精度等信息早已被软件工程师们设计编译好存入MCU中，对与软件方面会有简要介绍。

第二章无线接收时钟原理

2.1无线授时的技术原理

接收时钟，也称为无线控制计时钟表（Radio Controlled Timepieces）。

其技术原理是：

首先，由标准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）载波方式将信号以无线电长波发播出去。

接收钟通过内置微型无线电接收系统接收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走时。

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（或其它计时装置）都与标准时间授时中心的标准时间同步，进而全部接收时钟显示严格一致的时间。

低频时码授时信号发射台的建立和信号发射是接收钟工作所必需的技术前提，发射台与接收时钟共同构成了接收钟技术系统。

2.2无线控制授时系统的授时信号发送原理

授时信号的发射部分由原子钟、时间信号处理器、调制器、载波振荡器、激励级、强放级和发射天线组成。

首先，通过在标准授时中心内的铯（或铷）原子钟产生标准时间。

例如，铯原子钟利用铯133原子在真空下每秒震动9，192，631，770次，通过对此时钟源进行分频产生实时的标准时间信息，如年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等。

然后将标准时间信号传送给时间编码发生器编码，编码后的时间信号通过调制器调制到长波载波信号（40～80kHz）上，经过功率放大器将信号沿传输线传送到天线塔发射出去。

由于授时信号属于长波信号，以地波形式沿地球表面传播。

各国RCT技术使用的时间编码及发射频率见表2-1。

表2-1.各国RCT技术使用的时间编码及发射频率。

2.3无线控制授时技术系统授时信号的接收原理

RCT接收机通过内置微型无线接收系统接收长波时间编码信号，由专用芯片（ASIC）对其进行解调，获得解调后的时间编码信号，然后由接收装置内的显示电路将标准时间显示在LED或LCD上，或由此标准时间控制其它装置（如机械式走时钟表）。

通过RCT技术，使得所有接收该标准时间编码信号的接收计时装置都可以与授时中心的标准时间同步，确保了时间的准确性。

通常授时信号的接收装置主要由RCT专用接收芯片、接收天线及外围器件构成，其中RCT专用接收芯片是整个接收系统的核心。

目前RCT专用接收芯片的制造商及其产品如表2-2所示。

表2-2.RCT专用接收芯片。

RCT专用接收芯片内部包括输入信号放大器、调谐放大器、自动增益电路、滤波器、解调器等。

它通过接收天线接收授时中心发射的实时授时信号，由于信号较弱，在RCT专用接收芯片内要经过信号放大器对小信号进行放大，然后输出到调谐放大器进行选频放大、滤波。

滤波后的信号由解调器进行信号解调，从载波中提取基带时间编码信号，最后输出到外部显示。

2.4接收时钟的技术特征

接收时钟能自动接收标准时码信号授时源（长波时码信号发射台）发射的长波低频时码授时信号，对计时装置进行自动校准，不需要人为校准，时间精度一般为MS级且与国家授时中心的标准时间同步，从而达到计时装置时间显示的精确性（与授时源的标准时间同步）与统一性（所有接收该时间信号的装置显示同一时间）。

RCT技术及产品综合运用了无线电技术、时频技术、微电子技术、计算机技术及精密机械制造技术，除应用于人们的一般日常生活外，还可广泛应用于交通、通讯、计算机、自动控制、网络系统、大型公共场所及国防、军事等广泛领域。

低频时间授时技术的应用可为现代社会提供标准、统一的时间技术支撑。

2.5接收时钟性能指标与主要参数

2.5.1信号接收技术性能指标

以接收到长波无线电时间信号时的最低场强值（不同的测试方式和方法和不同的接收时钟产品可以规定不同的场强计算方法和相应的场强值）作为装置的信号接收灵敏度指标。

信号接收灵敏度是接收时钟的最关键和最主要的指标。

该项指标由时码信号特性、接收时钟电路性能和解码软件等多项因素综合决定。

信号接收灵敏度的数值范围一般在20-120μv/m之内。

2.5.2解码与功能软件技术指标

校时时间（接收、解调时码信号并校准钟表时间显示的时间），校时次数（每天接收和校准时间的次数）；占用CPU空间；信号接收同步性；抗干扰能力等。

2.5.3钟表走时（时间显示）技术指标

接收时钟的走时指标选择指标为：

时间显示的一致性；工作可靠性；各功能操作的方便性与灵活性。

2.5.4接收时钟作为一般电子产品对使用环境的要求和其它要求

    低频授时信号频率变换与波动的适应性；信号接收、校时和走时功耗等。

[2]

第三章单片机简介及方案论证

3.1关于单片机

单片微型计算机（简称单片机：

MCU）作为微型计算机的一个很重要的分支，自70年代问世以来，以极其高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。

随着集成电路技术的发展，单片机的功能越变越强，涉及到各个电子应用领域，目前单片机系列也十分多。

单片机有着体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、易扩展、开发较为容易等优点。

广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的经济效益。

单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、内存（RAM，ROM，EPROM）和各种输入、输出接口（定时器，计数器，并行I/O口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。

由于