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电子与信息工程毕业论文:基于电力线的电子时钟设计.doc

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本 科 毕 业 设 计 基于电力线的电子时钟设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 在众多通信技术中,电力线通信受到越来越广泛的关注。电力线通信采用已有的电力线作为媒介进行通信,充分利用了已有的线路设备和网络,具有 重复建设少,设备简单,见效快,不易被破坏等诸多优点。但电力线作为传输介质,具有负载多,噪声干扰多,信道衰落和多径延迟严重等等不利因素。 电子时钟是一种用于数字电路技术实现年、月、日、时、分、秒即使的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。在数字时钟的发展上看,主要向小型化、多功能化发展。 本设计要求运用已经学过的知识,设计制作电子时钟,并可以收工和自动调整设置功能,GPS 信号做完本时钟要接收的时间数据信号,本系统能自动接收一定的时钟数据信号自动调整好时间日期的显示。 GPS 的时钟信号通过载波电力线传输到时钟系统,可以解决在一定区域范围里的各电子时钟的准确度,能达到误差在 2 秒之内。本系统很适合各工矿企业学校医院等作为准确时间使用,解决时钟的走时累计误差需要人工调整的麻烦。 关键词 单片机;电力线;电子时钟; GPS II ABSTRACT In numerous communications, electric communication gets more and more extensive attention. Using the existing electric power communication to communicate as media, making full use of the existing line equipment and network, and have redundant construction less, the equipment is simple, quick effect, not easy be destroyed, and many other advantages. But baekho lines of force transmission medium, as more noise with load, channel, decline and multipath delay serious etc handicaps. Electronic clock is a used in digital circuit technology to achieve date and time, minutes and seconds with mechanical device, even higher accuracy than a clock, and have no intuitive and mechanical device, has a longer service life, so it has been widely used. In the development of digital clock on see, mainly to miniaturization, muti_function change development. This design requirements apply have learned knowledge, design and manufacture of electronic clock, and can work and automatic adjustment functions, GPS signal finished this clock will receive time data signals, the system can automatically receive certain clock data signal automatically adjust the good time or date is displayed. GPS clock signal transmission to power by carrier, which can solve the clock system in a certain area range of various electronic clock accuracy, can achieve error in 2 seconds. This system is suitable for all mining enterprise school as accurate as time using hospital, solve the accumulative error need when the clock of manual adjustment problems. Keywords SCM; Power lines; Electronic clock; GPS III 目录 前言 ................................................................ 1 第 1 章 绪论 ........................................................ 3 1.1 系统框架设计总方案 ............................................. 3 1.2 系统组成模块方案 ............................................... 4 1.2.1 授时方案 ................................................... 4 1.2.2 时间信号传输方案 ........................................... 4 1.2.3 时钟方案 ................................................... 4 第 2 章 发送与接受装置的电路设计 .................................... 6 2.1 GPS 的接收模块设计 ............................................. 6 2.1.1 GPS 信号接收原理 ........................................... 6 2.1.2 GPS 信号接收硬件设计 ....................................... 8 2.2 电力线收发模块设计 ............................................. 9 2.2.1 电力线传输模块原理 ......................................... 9 2.2.1 电力线传输模块原理 ........................................ 10 第 3 章 数字电子时钟的设计 ......................................... 14 3.1 数字电子时钟设计原理 .......................................... 14 3.2 数字电子时钟显示电路 .......................................... 16 3.3 数字电子时钟按键开关电路 ...................................... 18 3.4 数字电子时驱动电路 ............................................ 18 3.5 数字电子时钟主控模块 .......................................... 18 第 4 章 软件设计 ................................................... 20 4.1 GPS 接收软件设计 .............................................. 20 4.1 数字电子时钟软件设计 ......................................... 22 第五章 实物的制作与调试过程 ........................................ 24 5.1 PCB 板制作 .................................................... 24 5.2 元器件焊接 .................................................... 24 IV 5.3 电路调试 ...................................................... 24 5.4 硬件结构组装 .................................................. 24 5.5 软件系统编写调试 .............................................. 24 总 结 ............................................................. 25 致 谢 .............................................. 错误 未定义书签。 [参考文献 ] ......................................................... 26 附录 A 基于电力线的电子时钟设计实物图 ............................... 27 附录 B 部分程序代码 ................................................. 29 1 前言 电子时钟是一种用于数字电路技术实现年、月、日、时、分、秒即使的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。在数字时钟的发展上看,主要向小型化、多功能化发展。 数字时钟从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。传统的设计方法有两种,一是利 用组合逻辑电路和时序电路等中小规模集成电路来设计;一是利用单片机编程技术来设计。这两种设计都存在硬件复杂,设计周期长,成本高等缺点。 今日的社会,单片机的使用已超脱我们的想象,平凡到我们的生活中,给我们的生活带来了巨大的变革,用单片机来控制家用电器已经成为了主流。 1、什么是电力线通讯 电力线通信( Power Line Communication,英文简称 PLC)技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并传送到 计算机或电话以实现信息传递。 该技术最大的优势是不需要重新布线在现有电线上实现数据语音和视频等多业务的承载实现四网合一终端用户只需要插上电源插头就可以实现因特网接入电视频道接收节目打电话或者是可视电话。 [2] 2、电力线作为通讯载体的特点和优势 无需敷设信号电缆,减少建设投资,即插即用,减 少大量的工程。通讯线路和电力线路为一体,减少维护量,不另设专用通讯线路。运行费用很低,因此如何运用电力线 wangluo资源潜力,在不影响传输电能的基础上,实现窄带或 是带宽通信,使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的 有一通信网,是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标,使电力网又成为一个新的通讯技术手段。 3、电力线通讯业的现状 电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的。它同电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前,它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础;是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段;是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网对通信的可靠性、保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求,并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势, 因此,世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网 4、电力通讯的已经取得的辉煌成就 我国的电力通信网经过几十年风风雨雨的建设,已经初具规模,通过卫星、微波、载波、光缆等多种通信手段构建而成了一个以北京为中心覆盖全国 30 个省(市、区)的立体交叉通信网。整个中国电力通信的发展,从无到有,从小到大,从简单技术到当今先进技术,从较为单一的通信电缆和电力线载波通信手段到包含光纤、数字微波、卫星等多种通信手段并用,从局部点线通信方式到覆盖全国的干线通信网和以程控交换为2 主的全国电话网、移动电话网 、数字数据网,无不展现出电力通信发展的辉煌成就。随着通信行业在社会发展中作用的提高,以电力通信网为基础的业务不再仅仅是最初的程控语音联网、调度时时控制信息传输等窄带业务,逐渐发展到同时承载客户服务中心、营销系统、地理信息系统( GIS)、人力资源管理系统、办公自动化系统( OA)、视频会议、 IP 电话等多种数据业务。电力通信在协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用,并有利的保障了电力生产、基建、行政、防汛、电力调度、水库调度、燃料调度、继电保 护、安全自动装置、远动、计算机通信、电网调度自动化等通信需要。虽然电力通信的自身经济效益目前不能得以直接体现出来,但它所产生并隐含在电力生产及管理中的经济效益是巨大的。 [1] 国内外电力线通信发展现状 最早的 PLC 实用技术是一种称之为“脉冲控制”的通信系统,该系统提供速率极低的单向通信,发射机功率为数十千瓦,主要用于路灯及负荷控制。 20世纪 50 年代以来,人们开始研究电力线 主要为高压 通道的高频特性 5kHz~ 500kHz,并在此基础上开发了电力系统调度通信及保护广泛使用的电力线载波机。 20世纪 90年代国 外开始研究电力线 主要为低压及中压 的高频特性 2MHz~ 80MHz,并在此基础上开发了实用的高速PLCPLT产品及系统。在高压输电网 35kV 以上 、中压输电网 10kv-35kV以及低压10kV 以下 的各个领域,数据传输的通讯数率不断提高。英国联合电力公司的子公司Norweb 通讯公司于 1990 年开始电力线载波通信的研究, 1995 年与加拿大北电网络合作共同开发该项技术。 1997 年这两家公司声称解决了电力线噪声等问题,取得了电力线载波技术的重大突破,利用新开发的数字电力线载波技术 DPLDigitalPower Line实现了在低压配电网上进行 IMbit/ s 的远程通信。 [2]从此以后,许多国家的研究机构开展了高速 PLC的研究和开发,如美国的 Intellon、 Inari公司,以色列的 ITRAN、 Main. Net公司,韩国的 Xeline 公司,西班牙的 DS2,法国的 SPiDCOM 等公司开始了高速 PLC 专用芯片及应用产品的研究开发,产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品。现阶段,在低压配电网上传输数率已由 1Mbps 发展到 2Mbps、 14Mbps、 24Mbps、 45Mbps 甚至达到lOOMbps 和 200Mbps 的高速率,传输距离可达 300 米。在中压配电网传输技术方面,高于 lOMbps 数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开发成功。中国电力科学研究院自 1999 年开始从事高速 PLC 的研究工作,开发了 2Mbps、 14Mbps 和 45Mbps 等高速PLC 系列产品,并于 2001 年 8 月起在沈阳电业新村小区建立了中国大陆第一个高速 PLC实验网络,开通了基于该网络的数字化社区。福建电力试验研究院基于 HomePlugVl. 0标准,研制了 lOM[bps 电力线调制解调器。 [2]‘从 2001 年 12 月起,国电通信中心开始组织国内外 厂商在北京的一些小区开展电力线上网实验。到 2004 年 8 月全国已有 297个住宅小区,约 13, 009 户家庭通过电力线上网。截止到 2005 年 5 月,在北京,上海,武汉,广州,南京等城市相续开通 PLC 业务,全国已有 1200 个住宅小区,约 43000 户家庭通过电力线上网。 [1] 总结 基于电力线自动授时电子时钟的设计要求运用已经学过的知识,设计制作电子时钟,并可以收工和自动调整设置功能, GPS 信号做完本时钟要接收的时间数据信号,本系统能自动接收一定的时钟数据信号自动调整好时间日期的显示。 GPS 的时钟信号通过3 载波电力线传 输到时钟系统,可以解决在一定区域范围里的各电子时钟的准确度,能达到误差在 2 秒之内。本系统很适合各工矿企业学校医院等作为准确时间使用,解决时钟的走时累计误差需要人工调整的麻烦。 第 1 章 绪论 1.1 系统框架设计总方案 考虑到本次设计是为了方便时钟的准确授予,并且为了保持时间的精确程度。故该设计采用了电力线信号传输的方式来精确授予时间,该设计可以解决在一定区域范围里的各电子时钟的准确度,将时间误差缩小到 2 秒之内,本系统可以让时间精确误差更小,更方便解决时钟的走时累计误差需要人工调整的麻烦。本系统用 GPS 给接 收装置发送信号 GPS OEM板上收到信号后发送到 STC89C54单片机然后用电力线传播给芯片 LM1893进行调制,接着芯片再将信号利用电力线发送给时钟装置的 LM1893 解调再传送给STC89C58 单片机实现信号接收。时钟模块是有一块由 1 块 STC89C54 单片机作为 CPU 的,用来处理和驱动时钟模块的现实。本设计的框图如下 图 1.1 总框架图 GPS OEM接收板 STC89C54 STC89C58 LCD 显示 电力线载波通信系统 数码管显示 数据处理农历星期等计 算 按键系统 4 1.2 系统组成模块方案 1.2.1 授时方案 根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网和电话授时等 。这几种授时方案有以下特点 1.短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号(简称时号),用户用无线接收机接收时号,然后进行本地对时。 2.长波授时利用长波(低频)进行时间频 率 传递与校准,是一种覆盖能力比短波强,校准的准确度更高的授时方法。 3.卫星授时可以实现发播信号大面积的覆盖,而且比起前两种授时方法,它的精度更高。根据卫星在授时中所起的作用卫星授时分为主动式和中转式。主动式卫星有精密时钟,可发播标准时间信号;中转式仅转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号。 4.网络授时和电话授时 ,采用用户询问方式向用户提供标准时间信号 。卫星授时技术因其独特的优势成为了实现远距离时间同步的最佳方法。 [3] 此次设计是采用卫星无线授时方式。其主要原因是结合成本与实用方便性的考虑,GPS 不仅普及率高而且授时精准,已成功运用到商业中数年,有着较高的评价。 1.2.2 时间信号传输方案 在时间的传送方式上也有多种方式有有线传输,电话线传输,电力线传输等等。本设计采用了电力线的时间信号传输方式主要原因是因为电力线传输相较与其他几种传输方式都比较准确,其误差可以精确到 2 秒之内,是其他传输方式无法比拟的,电力线如 今又运用广泛,所以我们选择了此方法。 本设计我们确定使用电力线传输方式,所以我们有必要对目前电力线的一些基本特性了解一下。 电力线作为通讯载体的特点和优势。无需敷设信号电缆,减少建设投资,即插即用,减少大量的工程。通讯线路和电力线路为一体,减少维护量,不另设专用通讯线路。运行费用很低,因此如何运用电力线 wangluo 资源潜力,在不影响传输电能的基础上,实现窄带或是带宽通信,使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的有一通信网,是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标,使电力网又成为一个新的通讯技术手段。 [3] 电力线在生活中到处都有,所以此设计可以说更贴近生活,对运用这方面应该会更加广泛。 1.2.3 时钟方案 本设计的电子时钟主要运用到 DS12887 时钟芯片。 DSl2887 是 DALLAS 公司推出的 8位并行实时时钟芯片,工作电压为 5V。该芯片具有的并行控制功能使其在与徽处理器接口时能大大提高 CPU 的工作效率。并且,此芯片的计时精度非常高。在 25℃的工作5 环境中误差约为 4-1 分钟/月。当外部电源电压小于 3V时,内监控系统将自动切断外部电源,改由内部锂电池供电。为了防止电池能量的不必要浪费,厂家通常关闭芯片的内部 振荡器,用户在使用时要注意通过控制寄存器将其打开。 DS12887 的主要特点有 [4] ( 1)可作为个人计算机的时钟和日历; ( 2)与 MCl46818B 和 DS1287 的管脚兼容; ( 3)在没有外部电源的情况下可工作 10年; ( 4)自带晶体振荡器及锂电池; ( 5)可计算到 2100 年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七种日历信息并带闰年补偿; ( 6)有二进制码或 BCD 码代表日历和闹钟信息; ( 7)有 12 和 24小时两种制式, 12 小时制时有 AM 和 PM提示; ( 8)可选用夏令时模式; ( 9)可以应用于 Motorola 和 Intel 两种总线; ( 10)数据 /地址总线复用; ( 11)内建 128 字节 RAM; ( 12) 14字节时钟控制寄存器; ( 13) 114 字节通用 RAM; ( 14)可编程方波输出; ( 15)总线兼容中断( /IRQ); ( 16)三种可编程中断,时间性中断可产生每秒一次直到每天一次中断,周期性中断 122500ms,时钟更新结束中断。 本设计过程可分为四部分 ( 1)单片机部分,包括电源、警惕振荡器、复位电路、通讯电路。 ( 2)时钟芯片和温度传感器,包括时钟芯片和单片机之间进行数据和命令的传输电路,温度传感器电路。 ( 3) 8255 扩展芯片部分,可分为显示和键盘两部分。 8255 的数据线按控制字与单片机相连。 8255 的 PA口和 PB口联合控制 8 哥 8 位数码管显示。 PC口是键盘借口,单片机通过 PC口以键盘扫描的方式获得键值。
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