LED背光液晶電波鐘的技術開發(fā)與實現(xiàn)

漳州理工職業(yè)學院 張曉芳

富順光電科技股份有限公司 陳宇博

LED背光液晶電波鐘的技術開發(fā)與實現(xiàn)

漳州理工職業(yè)學院 張曉芳

富順光電科技股份有限公司 陳宇博

電波鐘具有自動接收標準授時信號，自動校正時間偏差等功能，與機械結構和時鐘芯片的計時裝置相比，其時間精確性顯著提高，開拓了時間計量的新里程，被稱為第五代計時器，也是目前最精確的計時工具。

電波鐘；雙頻接收；LCD驅(qū)動；LED背光

1　前言

時間控制器作為一種計時工具，在不同的領域有著不一樣的計時方式。民用領域主要采用機械結構進行計時，工業(yè)領域主要采用時鐘芯片進行計時，但此兩種計時方式均容易積累時間誤差，在時間精度控制方面并不理想。電波鐘具有自動接收標準授時信號，自動校正時間偏差等功能，與機械結構和時鐘芯片的計時裝置相比，其時間精確性顯著提高，開拓了時間計量的新里程，被稱為第五代計時器，也是目前最精確的計時工具。

在國外，電波鐘使用非常廣泛，特別是RCC技術的普及，對具有自動接收時間功能的電波鐘產(chǎn)生了很高的需求。我國于2007年建成電波發(fā)射塔，電波鐘作為革命性的計時產(chǎn)品在我國還處于發(fā)展階段。各國的電波鐘技術原理相同，但標準時間信號的碼制和發(fā)射頻率卻不同，對于長波授時編碼標準，美國為WWVB；英國為MSF；德國為DCF；日本為JJY；中國為BPC。

2　工作原理

電波鐘是在電子鐘內(nèi)部增加無線電長波信號接收裝置，數(shù)據(jù)處理模塊和自動校正功能模塊。其工作原理為：由授時中心將標準時間信號進行編碼，利用低頻（20kHz-80kHz）載波方式將時間信號以無線電長波發(fā)射出去。電波鐘通過內(nèi)置微型無線電長波信號接收裝置接收該低頻無線電時碼信號，經(jīng)專用集成芯片的數(shù)據(jù)處理模塊對時碼信號進行調(diào)制解碼，再由計時裝置內(nèi)設的控制機構自動調(diào)節(jié)電波鐘的計時。通過此技術過程，使電波鐘的走時都受統(tǒng)一精確的時碼控制，并自動校正走時誤差，從而實現(xiàn)電波鐘高精度的計量時間和顯示時間的一致性。工作原理示意圖如圖2-1。

3　功能模塊

3.1天線

微型磁棒天線作為信號接收的重要部件，采用中性磁棒和漆包線繞制而成，用于接收微弱的長波信號。線圈匝數(shù)可根據(jù)LC并聯(lián)諧振時相位角相等的原理進行調(diào)節(jié)。如果輸出波形滯后輸入波形則減少線圈匝數(shù)，反之則增大線圈匝數(shù)。微型磁棒天線如圖3-1。

圖2-1　電波鐘工作原理示意圖

圖3-1　微型磁棒天線

3.2接收模塊

電波接收模塊實際就是一臺長波定頻收音機，接收信號放大檢波濾波后輸出音頻中的包絡信號即編碼的時間信息。因選用日本JJY碼制，其包含40KHz和60KHz兩種發(fā)射頻率，故采用雙頻接收模塊，模塊型號為RCC-JJY01。接收模塊如圖3-2所示。

圖3-2　接收模塊

3.3微處理器CPU

數(shù)據(jù)處理模塊為電波鐘進行信號處理和時鐘控制的核心模塊，本項目選用恒輝達公司生產(chǎn)的HW5817微處理器CPU。芯片專為電波鐘設計，采用1.5V電池供電，靜態(tài)電流小于30uA，支持6個功能按鍵，輸出設備為LED燈和鬧鈴，顯示內(nèi)容包含年，月，日，時，分，秒，星期，月相，溫度，鬧鐘，RCC等。芯片的操作設置亦可靠方便，可進行普通模式設置，時間模式設置，響鬧報警設置，開機和復位設置，上電默認設置，RCC接收設置，溫度檢測設置，語言顯示設置等。

3.4顯示模塊

根據(jù)技術開發(fā)要求，電波鐘必需具備以下顯示功能：

①精確顯示時間與日期，并可12/24小時制切換；

②具有接收電波和校準功能；

③具有RCC功能；

④可顯示此時的電波信號強度；

⑤可顯示此時當?shù)氐臏囟龋?/p>

⑥可顯示萬年歷。

綜合顯示所有內(nèi)容，宜采用分區(qū)域顯示更為合理，故電波鐘的顯示模塊采用液晶顯示屏。液晶顯示屏規(guī)格選用5COM*28SEG。液晶顯示與傳統(tǒng)顯示相比，具有顯示質(zhì)量高、無電磁輻射、可視面積大、應用范圍廣等眾多優(yōu)點。

3.5背光選擇

由于液晶顯示屏屬于被動發(fā)光型顯示器，液晶必須在外界光源的作用下才會顯示，因此必須考慮其背光問題。按照液晶的分類，可分為透射式、反射式、半反半透式這三類。其中，透射式必須加上背景光，反射式需要較強的環(huán)境光線，半反半透式要求環(huán)境光線較強或加背光。根據(jù)電波鐘實際使用的環(huán)境，決定選用透射式液晶，并基于節(jié)約電能考慮，本項目采用LED作為背光源。

3.6LCD驅(qū)動

液晶顯示屏（LCD）根據(jù)電壓的有無，控制液晶分子排列方向，使面板達到顯示效果。通常情況下，都是設置為加電時液晶不透光，因為正常狀態(tài)下液晶顯示器都是亮著的，設置加電不透光更節(jié)約能源。LCD按照顯示方式分為段式、點字符式、點陣式。LCD驅(qū)動時，需在公共電極和段電極上施加交流電壓。若只在電極上施加直流電壓時，液晶本身發(fā)生劣化。LCD液晶驅(qū)動方式包括兩種，一種為靜態(tài)驅(qū)動，另一種為動態(tài)驅(qū)動。

（1）靜態(tài)驅(qū)動

所有的段都有獨立的驅(qū)動電路，表示公共電極與段電極之間連續(xù)施加電壓。這種方式適用于簡單控制的LCD。

（2）動態(tài)驅(qū)動

公共電極與段電極共同構成矩陣電極，公共端數(shù)為N，按照1/ N的時序分別依次驅(qū)動公共端，與該驅(qū)動時序相對應，對所有的段信號電極作選擇性驅(qū)動。這種方式適用于復雜控制的LCD。

在動態(tài)驅(qū)動方式中，像素可分為選通像素、半選通像素和非選通像素。為了提高顯示的對比度和降低串擾，應合理選擇占空比（duty）和偏壓（bias）。占空比（duty）：高出點亮的閥值電壓的部分在一個周期中所占的比率，通常占空比D等于公共端數(shù)N的倒數(shù)，即D=1/N。偏壓（bias）：用于控制液晶偏轉角度的電壓，通常Bias=1/a=1/（+1），其中a=+1為偏壓比。因電波鐘顯示內(nèi)容的復雜性，本項目的驅(qū)動方式采用動態(tài)驅(qū)動。LCD相關參數(shù)為：1/3Bias，1/5Duty，4.5V，5COM*28SEG。

［1］王正謀，朱力恒.Protel 99se電路設計與仿真技術［M］.福建科學技術出版社，2006，1.

［2］高鵬，安濤，寇懷成.電路設計與制版 protel 99se 入門與提高［M］.人民郵電出版社，2001，7.

［3］邱關源.電路［M］.高等教育出版社，1999，6（第四版）.

［4］康華光.電子技術基礎（數(shù)字部分）［M］.高等教育出版社，2000，6（第四版）.

［5］HW5817芯片規(guī)格書［S］.深圳市恒輝達電子有限公司，Jun 10 2010.

［6］http：//www.cnblogs.com/aceheart/articles/2834480.html.

［7］http：//www.doc88.com/p-099909517264.html.

附圖：原理圖

項目來源：2015年福建省中青年教師教育科研項目（項目編號：JA15915）；項目名稱：LED背光液晶電波鐘的技術開發(fā)與實現(xiàn)；項目負責人：張曉芳。