CN112255908A - 一种指针式卫星光伏时钟 - Google Patents

一种指针式卫星光伏时钟 Download PDF

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Abstract

本发明一种指针式卫星光伏时钟涉及户外钟领域，具体涉及可以实现自校准功能的户外钟，特别涉及一种指针式卫星光伏时钟，包括壳体、表盘、表针、走时机芯及供电模块，走时机芯上连接有驱动装置，还包括设置在壳体内以下部件：北斗/GPS卫星信息接收模块，用于接收标准时间信号，并将该信号发送至钟表机芯控制MCU；本发明利用北斗/GPS卫星信息接收模块接收卫星时间信号作为标准时间，并通过钟表机芯控制MCU识别本体时间并与标准时间进行比较得出需要的补偿时间差，当时针和分针运行至零点位识别触发机构确定的校准位置后，向钟表机芯控制MCU发出电信号，钟表机芯控制MCU控制表针驱动单元动作从而实现时间的校准。

Description

一种指针式卫星光伏时钟
技术领域
本发明涉及户外钟领域，具体涉及可以实现自校准功能的户外钟，特别涉及一种指针式卫星光伏时钟。
背景技术
户外钟表作为一个独特的室外景观，兼具户外装饰及时间指示的功能，一直深受大众喜爱。随着国内近些年各地景区、广场、居住小区的等户外场所快速建设，以及全民对环境美观性需求的进一步提高，户外钟产品的市场需求日渐增加。
传统的景观户外钟表多以电池或外接电源为动力源。以电池为能源的户外钟中，电池是一个消耗品，需定期更换，在户外场合使用缺陷明显。通过外接电源方式供能的户外钟也存在以下问题：对安装条件提出要求，在不便于走线或无电源的场合无法进行安装；外接电源需要专业电工人员进行走线安装走线，安装过程有一定难度；外接电源的故障问题，增加了户外钟表故障的可能性，需要定期检修维护；外接电源走线以及专业的安装人员，增加了户外钟使用的成本。
传统景观户外钟是为了美观而设置，功能单一，时间基准不稳定,受温度等外界环境影响较大,常常出现走时不准、停摆的问题，并且随着使用时间的加长，走时准确性的问题会越加明显。传统户外钟表如果需要修正时间，需要人员定期手动校时，操作繁琐，维护成本高。户外钟表作为一个兼具计时功能的产品，时间指示不准确不仅有可能对他人产生误导，甚至还会造成不好的社会影响，走时精度直接影响用户的使用体验度，制约户外钟的使用推广。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种利用卫星时间信号作为标准时间，使用太阳能光伏发电技术以及钟表走时自校时技术，实现长时段、自校时、免维护的指针式光伏时钟。
本发明一种指针式卫星光伏时钟，包括壳体、表盘、表针、走时机芯及供电模块，走时机芯上连接有驱动装置，还包括设置在壳体内以下部件：
北斗/GPS卫星信息接收模块，用于接收标准时间信号，并将该信号发送至钟表机芯控制MCU；
钟表机芯控制MCU，用于接收北斗/GPS卫星信息接收模块发出的标准时间信号，并识别本体时间及将本体时间与标准时间对比得出时间差，并控制驱动装置驱动走时机芯动作补偿时间差；
零点位识别触发机构，用于向钟表机芯控制MCU发出零位信号；
所述北斗/GPS卫星信息接收模块通过钟表机芯控制MCU与驱动装置相连；
所述零点位识别触发机构与钟表机芯控制MCU电连接，当零点位识别触发机构向钟表机芯控制MCU发出信号，钟表机芯控制MCU收到零位信号，控制驱动装置驱动走时机芯动作，进而驱动表针走时；
所述钟表机芯控制MCU、零点位识别触发机构、驱动装置及北斗/GPS卫星信息接收模块均与供电模块相连。
优选地，零点位识别触发机构包括与分针同步转动的分针回零凸轮和与时针同步转动的时针回零凸轮，所述分针回零凸轮和时针回零凸轮重叠设置，且与同一转动轴转动相连；
所述分针回零凸轮和时针回零凸轮为圆盘状，所述分针回零凸轮和时针回零凸轮的圆周面上均设置有一凹槽，所述旋转轴的中心轴线与分针回零凸轮和时针回零凸轮的中心轴线位于同一直线上；
还包括旋转臂及与旋转臂接触并向钟表机芯控制MCU发出电信号的触点，所述旋转臂一端为滑动端，滑动端的端部与凹槽相匹配，另一端为触发端，所述旋转臂的中部与壳体转动相连，旋转臂的滑动端通过回复弹簧抵靠在分针回零凸轮和时针回零凸轮的圆周面上，且旋转臂的滑动端位于分针回零凸轮和时针回零凸轮与回复弹簧之间，所述回复弹簧远离旋转臂上滑动端的一端与壳体固定相连；
分针回零凸轮和时针回零凸轮上的凹槽重叠，形成回零槽，当旋转臂的滑动端滑入回零槽，旋转臂上的触发端与触点相接触，触点向钟表机芯控制MCU发出零位信号。
优选地，所述驱动装置包括步进马达，所述步进马达包括定子和转子及线圈，所述定子上设置有一转子安装槽，所述转子设置在转子安装槽内；
所述定子包括若干层相互重叠的定子片，相邻定子片均固定相连，同一层定子片包括第一定子片和第二定子片，第一定子片和第二定子片相连后形成矩形框状，且第一定子片的总长度大于第二定子片的总长度；
所述转子安装槽设置在第一定子片和第二定子片相互靠近端之间的区域内；
相邻层定子片的第一定子片和第二定子片交错排布。
优选地，定子片为0.5mm厚的矽钢片50JN250软磁材料制成的定子片，所述转子为一对永磁铁，直径为5.1mm，励磁线圈为单相，线圈为线径0.15mm的高温漆包线，匝数为2300，阻值为120Ω。
优选地，步进马达工作电压U为3.4VDC-5.5VDC，脉宽τ=50ms，分针输出力矩ML=240gmm，步进角180°，每半分转动一次t=30s。
优选地，定子片通过螺栓固定相连。
优选地，供电模块包括太阳能光伏面板，所述太阳能光伏板通过稳压电路连接有充电控制电路，所述充电控制电路上连接有超级电容，超级电容与所述钟表机芯控制MCU相连。
优选地，北斗/GPS卫星信息接收模块为QUECTEL移远GNSS芯片。
优选地，钟表机芯控制MCU为微芯PIC16F芯片。
本发明利用北斗/GPS卫星信息接收模块接收卫星时间信号作为标准时间，并通过钟表机芯控制MCU识别本体时间并与标准时间进行比较得出需要的补偿时间差，当时针和分针运行至零点位识别触发机构确定的校准位置后，向钟表机芯控制MCU发出电信号，钟表机芯控制MCU控制表针驱动单元动作从而实现时间的校准。
附图说明
图1为本发明自校准原理图。
图2为零点位识别触发机构未回零状态示意图。
图3为零点位识别触发机构回零状态示意图。
图4为步进马达示意图。
图5为定子和转子安装示意图。
图6为定子片排列示意图。
图7为太阳能面板和充电控制电路连接示意图。
图8为充电电路连接关系示意图。
附图标记：1-分针回零凸轮，2-时针回零凸轮，3-凹槽，4-触点，5-旋转臂，6-回复弹簧，7-转子，8-定子，9-线圈，10-定子片，11-螺栓，12-太阳能光伏面板接线端，13-过压过流保护与输入滤波电路，14-稳压输出电路，21-超级电容额定电压切换开关，22-充电电流限制电路。
具体实施方式
本发明一种指针式卫星光伏时钟，包括壳体、表盘、表针、走时机芯及供电模块，走时机芯上连接有驱动装置，还包括设置在壳体内以下部件：
北斗/GPS卫星信息接收模块，用于接收标准时间信号，并将该信号发送至钟表机芯控制MCU；
钟表机芯控制MCU，用于接收北斗/GPS卫星信息接收模块发出的标准时间信号，并识别本体时间及将本体时间与标准时间对比得出时间差，并控制驱动装置驱动走时机芯动作补偿时间差；
零点位识别触发机构，用于向钟表机芯控制MCU发出零位信号；
所述北斗/GPS卫星信息接收模块通过钟表机芯控制MCU与驱动装置相连；
所述零点位识别触发机构与钟表机芯控制MCU电连接，当零点位识别触发机构向钟表机芯控制MCU发出信号，钟表机芯控制MCU收到零位信号，控制驱动装置驱动走时机芯动作，进而驱动表针走时；
所述钟表机芯控制MCU、零点位识别触发机构、驱动装置及北斗/GPS卫星信息接收模块均与供电模块相连。
零点位识别触发机构包括与分针同步转动的分针回零凸轮1和与时针同步转动的时针回零凸轮2，所述分针回零凸轮1和时针回零凸轮2重叠设置，且与同一转动轴转动相连；
所述分针回零凸轮1和时针回零凸轮2为圆盘状，所述分针回零凸轮1和时针回零凸轮2的圆周面上均设置有一凹槽3，所述旋转轴的中心轴线与分针回零凸轮1和时针回零凸轮2的中心轴线位于同一直线上；
还包括旋转臂5及与旋转臂5接触并向钟表机芯控制MCU发出电信号的触点4，所述旋转臂5一端为滑动端，滑动端的端部与凹槽3相匹配，另一端为触发端，所述旋转臂5的中部与壳体转动相连，旋转臂5的滑动端通过回复弹簧6抵靠在分针回零凸轮1和时针回零凸轮2的圆周面上，且旋转臂5的滑动端位于分针回零凸轮1和时针回零凸轮2与回复弹簧6之间，所述回复弹簧6远离旋转臂5上滑动端的一端与壳体固定相连；
分针回零凸轮1和时针回零凸轮2上的凹槽3重叠，形成回零槽，当旋转臂5的滑动端滑入回零槽，旋转臂5上的触发端与触点4相接触，触点4向钟表机芯控制MCU发出零位信号。
所述驱动装置包括步进马达，所述步进马达包括定子8和转子7及线圈9，所述定子8上设置有一转子7安装槽，所述转子7设置在转子7安装槽内；
所述定子8包括若干层相互重叠的定子片10，相邻定子片10均固定相连，同一层定子片10包括第一定子片10和第二定子片10，第一定子片10和第二定子片10相连后形成矩形框状，且第一定子片10的总长度大于第二定子片10的总长度；
所述转子7安装槽设置在第一定子片10和第二定子片10相互靠近端之间的区域内；
相邻层定子片10的第一定子片10和第二定子片10交错排布。
定子片10为0.5mm厚的矽钢片50JN250软磁材料制成的定子片10，所述转子7为一对永磁铁，直径为5.1mm，励磁线圈9为单相，线圈9为线径0.15mm的高温漆包线，匝数为2300，阻值为120Ω。
步进马达工作电压U为3.4VDC-5.5VDC，脉宽τ=50ms，分针输出力矩ML=240gmm，步进角180°，每半分转动一次t=30s。
定子片10通过螺栓11固定相连。
供电模块包括太阳能光伏面板，所述太阳能光伏板通过稳压电路连接有充电控制电路，所述充电控制电路上连接有超级电容，超级电容与所述钟表机芯控制MCU相连。
北斗/GPS卫星信息接收模块为QUECTEL移远GNSS芯片。
钟表机芯控制MCU为微芯PIC16F芯片。
参照附图7、8所示，供电模块包括太阳能光伏面板，所述太阳能光伏板通过稳压电路连接有充电控制电路，所述充电控制电路上连接有超级电容，超级电容与所述钟表机芯控制MCU相连。
如图7所示：太阳能光伏面板接线端12上连接有过压过流保护与输入滤波电路13，过压过流保护与输入滤波电路13通过稳压芯片U1连接有稳压输出电路14。
如图8所示，充电控制芯片U2上连接有超级电容额定电压切换开关21和充电电流限制电路22。
所述超级电容额定电压切换开关21，其3、1端分别连接高低电平，2端输出不同电平设置指示不同的超级电容额定电压。
充电电流限制电路22中，根据电阻R6的阻值设置超级电容充电最大电流。
当日光强度不足或在灰暗环境条件下，太阳能光伏板输出电压低于稳压电路的启动工作电压阈值，稳压芯片的EN端电压为低电平，稳压芯片U1关闭未工作，电压POWER为0V，充电控制芯片U2同样处于关闭状态，为钟表机芯控制MCU供电的Vout直接由超级电容提供。
当日光强度充足时，太阳能光伏板的输出电流经过过压、过流保护与输入滤波电路后，进入稳压芯片，使输入在波动范围内时输出电压恒定，该电压值由电阻R1和R2确定。经过稳压输出电路14后，得到充电电压POWER。
POWER经过滤波电容C5后进入充电控制芯片U2。充电控制芯片U2由超级电容额定电压切换开关21电路21设定对超级电容充电的最大限定电压值，可以设定为单节超级电容2.5V或2.7V，如此，充电控制芯片U2的1、2管脚的Vout输出电压最大可则分别为5V或5.4V。充电控制芯片U2通过选用不同的电阻R6的阻值，可以设定对超级电容的最大充电电流，用于平衡充电效率和对超级电容的保护。电阻R4和R5用于设定充电控制芯片U2的失效电压值。
充电控制芯片U2的1、2管脚Vout连接两只串联超级电容的正极，10管脚Vmid连接至两只串联超级电容的中间串接处。充电控制芯片U2内部集成电池平衡器，平衡两只超级电容的电压值，使其在充电时保持电压同步上升。此外，充电控制芯片U2在对超级电容进行充电的同时，也为钟表机芯控制MCU进行供电。
在正常走时状态下，钟表机芯控制MCU每经过30秒发送控制指令驱动走时机芯进而带动表针走时，其余时间处于休眠状态以降低能耗。
当零点位识别触发机构向钟表机芯控制MCU发出零位信号，即指针处于0时0分的情况下，如若与上一次卫星时间校准已相差10日，则钟表机芯控制MCU接收北斗/GPS卫星信息接收模块发出的标准时间信号，将该时间信息更新为钟表机芯控制MCU内部运行时间，即RTC实时时钟。此后，每当机心走时至0时0分，钟表机芯控制MCU查看内部运行时间是否同样为0时0分时，相同则继续正常走时工作，否则进行时间补偿。
当走时机芯的指针时间与内部运行时间RTC时间不同时，需进行同步操作，此时机心指针时间为0时0分，将RTC时间换算为30秒的时间倍数值，钟表机芯控制MCU控制走时机芯顺时针前进该数值的走时步数，即完成同步操作。
本发明利用北斗/GPS卫星信息接收模块接收卫星时间信号作为标准时间，并通过钟表机芯控制MCU识别本体时间并与标准时间进行比较得出需要的补偿时间差，当时针和分针运行至零点位识别触发机构确定的校准位置后，向钟表机芯控制MCU发出电信号，钟表机芯控制MCU控制表针驱动单元动作从而实现时间的校准。

Claims (9)

1.一种指针式卫星光伏时钟，包括壳体、表盘、表针、走时机芯及供电模块，走时机芯上连接有驱动装置，其特征在于，还包括设置在壳体内以下部件：
北斗/GPS卫星信息接收模块，用于接收标准时间信号，并将该信号发送至钟表机芯控制MCU；
钟表机芯控制MCU，用于接收北斗/GPS卫星信息接收模块发出的标准时间信号，并识别本体时间及将本体时间与标准时间对比得出时间差，并控制驱动装置驱动走时机芯动作补偿时间差；
零点位识别触发机构，用于向钟表机芯控制MCU发出零位信号；
所述北斗/GPS卫星信息接收模块通过钟表机芯控制MCU与驱动装置相连；
所述零点位识别触发机构与钟表机芯控制MCU电连接，当零点位识别触发机构向钟表机芯控制MCU发出信号，钟表机芯控制MCU收到零位信号，控制驱动装置驱动走时机芯动作，进而驱动表针走时；
所述钟表机芯控制MCU、零点位识别触发机构、驱动装置及北斗/GPS卫星信息接收模块均与供电模块相连。
2.如权利要求1所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述零点位识别触发机构包括与分针同步转动的分针回零凸轮（1）和与时针同步转动的时针回零凸轮（2），所述分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）重叠设置，且与同一转动轴转动相连；
所述分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）为圆盘状，所述分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）的圆周面上均设置有一凹槽（3），所述旋转轴的中心轴线与分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）的中心轴线位于同一直线上；
还包括旋转臂（5）及与旋转臂（5）接触并向钟表机芯控制MCU发出电信号的触点（4），所述旋转臂（5）一端为滑动端，滑动端的端部与凹槽（3）相匹配，另一端为触发端，所述旋转臂（5）的中部与壳体转动相连，旋转臂（5）的滑动端通过回复弹簧（6）抵靠在分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）的圆周面上，且旋转臂（5）的滑动端位于分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）与回复弹簧（6）之间，所述回复弹簧（6）远离旋转臂（5）上滑动端的一端与壳体固定相连；
分针回零凸轮（1）和时针回零凸轮（2）上的凹槽（3）重叠，形成回零槽，当旋转臂（5）的滑动端滑入回零槽，旋转臂（5）上的触发端与触点（4）相接触，触点（4）向钟表机芯控制MCU发出零位信号。
3.如权利要求1所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述驱动装置包括步进马达，所述步进马达包括定子（8）和转子（7）及线圈（9），所述定子（8）上设置有一转子（7）安装槽，所述转子（7）设置在转子（7）安装槽内；
所述定子（8）包括若干层相互重叠的定子片（10），相邻定子片（10）均固定相连，同一层定子片（10）包括第一定子片（10）和第二定子片（10），第一定子片（10）和第二定子片（10）相连后形成矩形框状，且第一定子片（10）的总长度大于第二定子片（10）的总长度；
所述转子（7）安装槽设置在第一定子片（10）和第二定子片（10）相互靠近端之间的区域内；
相邻层定子片（10）的第一定子片（10）和第二定子片（10）交错排布。
4.如权利要求3所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述定子片（10）为0.5mm厚的矽钢片50JN250软磁材料制成的定子片（10），所述转子（7）为一对永磁铁，直径为5.1mm，线圈（9）为线径0.15mm的高温漆包线，匝数为2300，阻值为120Ω。
5.如权利要求4所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述步进马达工作电压U为3.4VDC-5.5VDC，脉宽τ=50ms，分针输出力矩ML=240gmm，步进角180°，每半分转动一次t=30s。
6.如权利要求5所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述定子片（10）通过螺栓（11）固定相连。
7.如权利要求1所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述供电模块包括太阳能光伏面板，所述太阳能光伏板通过稳压电路连接有充电控制电路，所述充电控制电路上连接有超级电容，超级电容与所述钟表机芯控制MCU相连。
8.如权利要求1所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述北斗/GPS卫星信息接收模块为QUECTEL移远GNSS芯片。
9.如权利要求1所述一种指针式卫星光伏时钟，其特征在于，所述钟表机芯控制MCU为微芯PIC16F芯片。
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