CN101718967B

CN101718967B - 智能型激光束指针电子钟

Info

Publication number: CN101718967B
Application number: CN 200910191634
Authority: CN
Inventors: 仲元昌; 丁漩; 贾年龙
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: CN101718967A

Abstract

一种智能型激光束指针电子钟，属一种全电子化计时器，目的在于提高现有钟表的走时精度和延长使用寿命。采用智能化测试技术和激光技术，利用激光束模拟传统指针，从而取代了传统的机械走时机构。该电子钟表由时基信号产生装置、标准时间校准装置、走时控制装置、激光发射装置、钟表盘、语音报时装置、供电装置依次相互连接而成。红、绿、蓝三种颜色的激光束模拟时针、分针和秒针，指针向内或向外成辐射状，指示明亮清晰，行如流水，动感十足。该钟表适用于家居、学校、企事业单位及公共场所，尤其是适用于钟塔。具有广阔的市场前景。

Description

智能型激光束指针电子钟

技术领域

本发明涉及一种智能型激光束指针电子钟，尤其涉及一种用激光光束作时针、分针、秒针的智能型电子钟。

技术背景

目前，现有的钟表主要有三种类型。一种是“机械”式钟表，其走时机理是：以存储在弹性元件(如发条等)的弹性势能为动力，通过变速齿轮等一系列机械传动系统进行走时，从而达到计量和指示时间的目的，这就是最古老而传统的“机械”式钟表。这类钟表需要用人力不定期地向弹性元件(如发条等)输送能量，使用不太方便，而且机械走时系统复杂，走时误差大。另一种是“电子”式钟表，其走时机理是：以电能为动力(如电池或二次电源)，利用电子计数器和数码显示技术进行计量和显示时间，这就是人们常见的“电子表”。这类钟表调校时间不太方便，而且感觉没有机械表的指针来得直观，因此目前已很少见到。还有一种是“机电”式钟表，其走时机理是：仍以电能为动力(如电池或二次电源)，利用电子电路产生驱动脉冲以驱动电机或步进电机运动，并由此带动一系列机械传动系统进行走时，目前使用较多的石英钟表和塔钟都采用了这种原理。这种钟表由于采用了先进的电子技术，不仅解决了机械表靠上发条存储能量的问题，而且使得整个走时系统得到很大程度的简化。但最终没有能摆脱机械走时系统。因此，机械走时系统自身的问题(如能耗大、精度低、磨损大、寿命短等)未能得到根本的解决。

走时精度高、操作方便、指示明显、功能多样化一直是钟表领域研究的热点问题。上述三种类型的钟表，都有自身不可克服的弊端，由此孕育了新型钟表的出现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种走时精度高、无机械磨损、操作方便、指示明显、功能多样化的智能型激光束指针电子钟。通过轮流点亮均匀分布在钟表盘上的激光器(可见激光如红、绿、蓝)以模拟机械指针的运转，这样实现了有运转效果而无机械走时系统的全电子化设计。

本发明采用智能化测试技术和激光技术，研制了利用激光束模拟传统指针的新型计时器，称之为：智能型激光束指针电子钟，该钟不在采用传统的机械走时装置，而采用最为先进的全电子化走时技术和激光技术。这样不再存在机械磨损，从而使钟表的整体寿命延长数十倍。而激光束指针的时、分、秒针分别采用红、绿、蓝三种颜色。指针向内或向外成辐射状，指示明亮清晰，行如流水，动感十足。

为了实现上述发明的目的，其技术解决方案如下：

本发明所涉及的智能型激光束指针电子钟的基本组成框图如图1所示：由时基信号产生装置1、标准时间校准装置2、走时控制装置3、激光发射装置4、钟表盘5、语音报时装置6、供电装置7组成。走时控制装置3的时基控制信号从走时控制装置3的控制命令输出口送入时基信号产生装置1的时基控制命令输入口；走时控制装置3的校准控制信号从走时控制装置3的校准控制命令输出口送入标准时间校准装置2的控制命令输入口；走时控制装置3的语音报时控制信号从走时控制装置3的语音报时控制命令输出口送入语音报时装置6的语音报时控制命令输入口；走时控制装置3的激光发射控制信号从走时控制装置3的激光发射控制命令输出口送入激光发射装置4的激光发射控制命令输入口；激光发射装置4产生的三种颜色的激光射向钟表盘形成红、绿、蓝激光束指针；供电装置7向系统的各部分供电。

本发明所涉及的智能型激光束指针电子钟的激光束指针分布在钟表盘上，如图2所示。由红色激光时针7；绿色激光分针8，蓝色激光秒针9构成。

时基信号产生装置如图3所示：主要由时钟芯片DS12C887与单片机AT89C52构建而成，由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用；此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。

单片机AT89C52的P₀口与时钟芯片DS12C887的8位数据口相连，实现单片机与时钟芯片的数据传输。DS12C887的AS(时脉冲信号)、DS(分脉冲信号)端与AT89C52的读、写端相连，完成读写操作。同时DS12C887的AS、DS、PS(秒脉冲信号)端与后续电路的走时控制装置相连(参见图1)。

标准时间校准装置：本发明采用GPS卫星校时和广播校时的双校时机制。因此，标准时间校准装置由GPS卫星校时电路与收音机校时电路构成。

GPS卫星校时电路如图4所示。由GPS接收模块与单片机AT89C52构成。GPS接收模块的时间基准信号，送入单片机AT89C52的RXD、TXD端，在设定时间内由单片机进行GPS时间基准信号的采集，并刷新时钟芯片DS12C887的时间信息，从而达到GPS卫星校时的目的。

GPS是Global Positioning System的简称，是利用导航卫星进行测时和测距的全球定位系统。它具有精度高、全天候和全球覆盖能力。将GPS应用于时钟倒计时系统中能实现高精度时间显示功能。因此，GPS卫星校时装置是卫星测时技术、计算机技术及通信技术三者的有机结合。从功能模块上看，GPS测时接收装置，它主要完成：定时接收GPS卫星发送的数据并进行识别和缓存；对GPS测时数据进行格式转换，以使编码格式适于接收；在给定时间内刷新DS12C887型时钟的时间；读DS12C887时间并显示。

AT89C51型单片机是控制系统的核心，完成对串行口控制器的初始化和数据读写，还要对接收的各种数据进行识别、转储及显示。选用GSV-15型OEM GPS接收模块，该GPS接收模块传输的数据以串行方式输出一帧10位、波特率为4800bit，与MCS-51型单片机串口输入输出格式匹配，所以利用单片机串行口直接从OEM接收数据。

为了提高该电子钟校时的可靠性，除了采用上述的GPS卫星校时方式外，还增设了收音机校时机制。通过标准时钟源对系统进行校时，时间误差每年控制在2秒内。每天对系统校时1次，这样与标准时间不存在长时间积累误差。而且实现简捷，造价低，采用普通调频收音机接收电台整点信号，通过单片机及其外围电路实现控制。

收音机校时电路如图5所示：由收音机与单片机AT89C52构建，收音机的音频输出端与音频锁相环(LM567)的输入端相连，而音频锁相环(LM567)的输出端与相连单片机AT89C52的RXD、TXD相连，以实现单片机对广播电台整点校时信号的采集。

广播电台每到一个整点都会发出“嘟…、嘟…”的声音，前5响是预备整点，最后一响为整点信号。信号接收部分直接用一个普通收音机接收广播电台的整点信号。信号处理部分将收音机接收过来的整点信号进行滤波、放大、整形，输出到单片机进行识别处理端口。单片机AT89C52，对整点信号进行识别处理。从捕捉整点信号，到记录标准时间对时钟芯片进行校准，校准时间保持在1秒之内。

走时控制装置如图6所示：由3个60进制的移位寄存器和3个60单元的驱动器构成。60进制的移位寄存器由常用带输出锁存的8位串入并出的移位寄存器构成。3个60单元的驱动器采用常用的LM324运算放大器构成。

时钟芯片DS12C887的AS、DS、PS端送来的时、分、秒信号(参见图3)，分别经60进制的移位寄存器后送经时分秒驱动器得到时分秒驱动信号，时分秒驱动信号送后续电路的激光发射装置。

激光发射装置如图7所示：由红、绿、蓝3种颜色的激光器和开关器件场效应管组成。来自走时控制装置的时分秒驱动信号，驱动各自的场效应管工作，从而驱动各自的激光器发光，激光束在钟表盘上产生漫反射或透射形成光迹，模拟出各自指针。图7为1个时、分、秒激光束指针单元，60个这样的激光束指针单元均匀地分布在钟表盘上(参见图2)，在时、分、秒脉冲信号的控制下，轮流点亮，模拟出时、分、秒指针的运行状态。

语音报时装置如图8所示：由语音录放电路、音频功率放大器、高保真音箱组成。由语音录放电路完成语音的录制和重放，重放的语音信号送入音频功率放大器进行功率放大，以推动高保真音箱的喇叭发声。

供电装置如图9所示：由稳压器、双路UPS电源组成。本发明采用双路UPS允余掉电保护技术，确保停电48小时系统能稳定工作。

本发明所涉及的智能型激光束指针电子钟，其基本工作原理是：时钟芯片DS12C887在单片机AT89C52的监控下，产生时、分、秒时钟信号，该时、分、秒时钟信号分别经60进制的移位寄存器后送如60个激光束指针走时单元，分别轮流点亮当前的时、分、秒激光束指针，实现走时；标准时间校准装置由GPS卫星校时电路与收音机校时电路构成，通过接收GPS的时间基准信号和接收广播电台的整点信号，刷新时钟芯片DS12C887的时间信息，从而达到GPS卫星校时和广播校时的双校时目的；语音报时装置在整点或设定的时间点上进行报时，报时语音或音乐可根据需要录制。

综上所述，本发明所涉及的智能型激光束指针电子钟，其优点在于：(1)没有传统的机械走时装置，而采用最为先进的全电子化走时技术和激光束指针，这样不再存在机械磨损，从而钟表寿命长；(2)由于采用最为先进的激光束指针和全电子化走时技术，无传动系统误差，走时精度高；(3)激光束指针的时、分、秒针分别采用红、绿、蓝三种颜色，指针向内或向外成辐射状，指示明亮清晰，行如流水，动感十足；(4)由于专用的实时时钟芯片DS12C887，能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，具有很高的走时精度；(5)GPS卫星校时和广播校时的双校时机制，使钟表的运行与标准时间同步，做到无积累误差；(6)双路UPS允余掉电保护技术，确保停电48小时系统能稳定工作，解决了因停电造成的走时混乱；(7)把定点报时和语音报时融为一体，能产生很好的广告效益。

该智能型激光束指针电子钟适用于家居、学校、企事业单位及公共场所，尤其是适用于钟塔。具有广阔的市场前景。

附图说明

图1智能型激光束指针电子钟的组成原理框图。

图2智能型激光束指针电子钟的激光束指针示意图。

图3时基信号产生装置

图4GPS卫星校时电路

图5收音机校时电路

图6收音机校时电路

图7走时控制装置

图8语音报时装置

图9供电装置

在图1中。1为时基信号产生装置，其具体电路如图3所示；2为标准时间校准装置，由GPS卫星校时电路与收音机校时电路两部分构成，GPS卫星校时电路如图4所示，而收音机校时电路如图5所示；3为走时控制装置，其具体电路如图6所示；4为激光发射装置，其具体电路如图7所示；5为钟表盘，其具体结构如图2所示；6为语音报时装置，其具体结构如图8所示；7为供电装置，其具体结构如图9所示。

在图2中。8为由红色激光时针，9为绿色激光分针，10蓝色激光秒针。

具体实施方式

作为电子钟，时基信号的性能直接影响整机的性能，本发明采用DS12C887实时时钟(RTC)芯片，该芯片内嵌有世纪寄存器，可以硬件化地解决千年虫问题(Y2K)。DS12C887内嵌一个锂电池和32.768石英晶振，可以保证在没有电源系统的情况下做到非易挥发性计时。通过对相应管脚电平的简单设置，就可以轻松地适应Intel处理器或Motorola处理器的总线时序。DS12C887可精确计时到2100年，同时包含113字节的通用存储器。智能控制电路能监控系统电源，在系统掉电后，使能Memory写保护，从而保证计时正确性。内嵌锂电池可以保证在系统掉电的情况下，正确计时10年以上。

激光发射装置是本发明的主要创新点，采用LED或其它可见激光器，分别产生三种不同颜色的激光光束，激光束在钟表盘面上产生漫反射或透射而形成时针、分针、秒针。

激光束指针走时同步装置和走时控制装置是本发明的重要创新点，采用电子开关轮流点亮分布在钟表盘上的激光器(可见激光如红、绿、蓝)以模拟机械指针的运转，从而实现了有运转效果而无机械走时系统的全电子化设计。

本发明提出了GPS卫星校时和广播校时的双校时机制：采用微机和卫星信号接收设备、收音机连接，将分离出来的标准时间和当前的运行时间进行比较、校对，以保证钟表的运行与标准时间同步，做到无积累误差。

GPS卫星校时信号的提取：采用通用GPS接收板传输的数据，以串行方式输出，一帧10位、波特率为4800bit，与单片机串口输入输出格式匹配，可以利用单片机串行口直接从GPS接收板接收数据，从而得到GPS卫星校时信号。

广播校时信号的提取：采用通用的调频立体声收音机，接收广播台的校时信号，通过校时信号判别电路，分离出校时信号，以实现校时。

根据具体的应用场所，可以设计出大、中、小三种类型的智能型激光束指针电子钟。

实施例1

对于在家庭客厅、办公室、会议室、教室等室内场所，激光器的功率选用小型的，由此整个系统的功率得到大大减小，体积和重量也可以减小很多，但基本工作原理相同。

实施例2

对于在比较小型的广场、车站、码头室外场所，激光器的功率选用中型的，由此整个系统的功率、体积和重量处于中等水平，基本工作原理相同。

实施例3

对于在比较大型的广场、车站、码头和高大建筑物顶，可以制作大型塔钟，激光器的功率选用大型的，由此整个系统的功耗增加、体积和重量也会增加，基本工作原理相同。

Claims

1.一种智能型激光束指针电子钟，其特征在于，具有：

A、时基信号产生装置，能产生时、分、秒信号，主要由时钟芯片DS12C887与单片机AT89C52构成，单片机AT89C52的P₀口与时钟芯片DS12C887的8位数据口相连，实现单片机与时钟芯片的数据传输，时钟芯片的时脉冲信号端、分脉冲信号端分别与单片机的读、写端相连，完成读写操作，且时钟芯片的时脉冲信号端、分脉冲信号端、秒脉冲信号端与后续电路的走时控制装置相连；

B、标准时间校准装置，能产生时、分、秒校时信号，由GPS卫星校时电路与收音机校时电路构成，GPS卫星校时电路由GPS接收模块与单片机AT89C52构成，GPS接收模块的时间基准信号，送入单片机AT89C52的RXD、TXD端，在设定时间内由单片机进行GPS时间基准信号的采集，并刷新时钟芯片DS12C887的时间信息，从而达到GPS卫星校时的目的，收音机校时电路由收音机与单片机AT89C52构成，收音机的音频输出端与音频锁相环LM567的输入端相连，而音频锁相环LM567的输出端与单片机AT89C52的RXD、TXD相连，以实现单片机对广播电台整点校时信号的采集，并刷新时钟芯片DS12C887的时间信息，从而达到收音机校时的目的；

C、走时控制装置，由单片机构成，在程序的作用下，控制各组成部分的协调工作；

D、激光发射装置，能分别发射红、绿、蓝三种颜色的激光，红色激光束为时针、绿色激光束为分针、蓝色激光束为秒针，60个这样的激光发射装置，均匀的分布在钟表盘上，在时、分、秒信号的作用下，轮流发光，以模拟时、分、秒指针的运转；

E、钟表盘；

F、语音报时装置，用于提供语音报时；

G、供电装置，采用电池供电或市电220伏供电。

2.根据权利要求1所述的智能型激光束指针电子钟，所述的走时控制装置由3个60进制的移位寄存器和3个60单元的驱动器构成，60进制的移位寄存器由常用带输出锁存的8位串入并出的移位寄存器构成，3个60单元的驱动器采用常用的LM324运算放大器构成，时钟芯片DS12C887的AS、DS、PS端送来的时、分、秒信号，分别经60进制的移位寄存器后送经时分秒驱动器得到时分秒驱动信号，时分秒驱动信号送后续电路的激光发射装置。

3.根据权利要求1所述的智能型激光束指针电子钟，所述的激光发射装置由红、绿、蓝3种颜色的激光器和开关器件场效应管组成，来自走时控制装置的时分秒驱动信号，驱动各自的场效应管工作，从而驱动各自的激光器发光，激光束在钟表盘上产生漫反射形成光迹，模拟出各自指针，60个这样的激光发射装置均匀地分布在钟表盘上，在时、分、秒脉冲信号的控制下，轮流点亮，模拟出时、分、秒指针的运行状态。

4.根据权利要求1所述的智能型激光束指针电子钟，所述的语音报时装置由语音录放电路、音频功率放大器、高保真音箱组成，由语音录放电路完成语音的录制和重放，重放的语音信号送入音频功率放大器进行功率放大，以推动高保真音箱的喇叭发声。

5.根据权利要求1所述的智能型激光束指针电子钟，所述的供电装置由稳压器、双路UPS电源组成，采用双路UPS冗余掉电保护技术，确保停电48小时系统能稳定工作。