低功耗电波钟的设计制作

低功耗电波钟的设计制作摘要：为实现低功耗电波钟要求，经过系统方案各方面比较，最终确定本系统采用低功耗STM32L152单片机做为主控制器，用自制的低频时码接收机接收信号，通过单片机进行解码处理，并将其显示在LCD玻璃片段码显示器上，以太阳能电池通过自制转换电路（TPS7330做稳压电路）供电。从而实现了低功耗电波钟的设计。系统不仅能接受长波无线信号、显示时间、日期、星期、信号强度，而且能够后台运行秒表倒计时功能。在实现所有基本要求和发挥部分要求之后系统实现闹钟的设计以及实时温度状态显示和整点报时功能。最后对系统做了性能测试，测试结果表明，系统能达到要求。关键词：STM32L152 低功耗 电波钟 LCD玻璃片一、 系统方案与论证1.1 实现方法本实验要求设计低功耗电波钟。为完成系统设计我们从稳定性、成本以及性能和可操作方面入手进行多方位比较，以下为方案论证。1.2 方案论证1.2.1主控制器芯片的选择及比较方案一：采用80c51作为控制核心。优点：技术成熟、成本低廉，所以在生活中应用比较广泛。缺点：系统运行较慢，性能较低。另外功能比较单、扩展复杂、能耗大工作电流为4mA-20mA等缺点比较明显。方案二：采用ST公司生产的STM32L152R8T6系列单片机作为控制核心。优点：超低功耗，控制器在待机模式时电流可低至为0.27 uA，电压为3.3V；高数据安全性；采用高效能的ARM Cortex-M3微控制器系列芯片，处理迅速。综上所述，为达到低功耗要求选择方案二。将STM32L152R8T6作为主控制器。1.2.2数据采集模块信号采集选用自制的接收模块，主要包括自制接收天线、放大电路、检波电路、比较器及AGC控制电路。通过天线接收时码信号后经过放大、滤波等处理后送给单片机。 时码接收机设计时码接收机包括天线、功率放大电路（包括前级选项放大、线路放大、窄带滤波、输出放大）、检波、比较器和AGC控制部分。3V供电电压，功耗低。接收天线设计 接收天线能够接收68.5KHz的频段信号。由于低功耗电波钟接收信号为微弱的长波信号。因此采用中性磁棒天线做为接收天线。接收天线采用17cm长度的中性磁棒和0.6mm的漆包线绕制。人工绕制150匝之后，根据LC并联谐振时相位角相等调节线圈匝数。如果输入波形超前输出波形则减少线圈匝数，反之，增大线圈匝数。 可见光唤醒方案选择及比较方案一：光敏传感器。光谱响应范围比较宽，可从紫外光扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较强的响应。但是，工作电流较大，强光下光电转换特性较差，频率响应很低。方案二：太阳能电池板。太阳能电池两端的电压与光照强度成正比，通过比较器比较太阳能电池两端电压与预设电压的关系，当光线强度达到一定数值之后太阳能电池两端电压超过预设值比较器输出高电平，反之，输出低电平。方便、简单、成本低、功耗小。综上所属，我们选择方案二作为光强信号的传感器。1.2.3 信息输出模块方案一：数码管显示。只能输出数字，通过对应数字进行人机交流，成本低廉，操作性差，功耗大一般为30mA。方案二：使用LCD段码显示模块。，不仅能显示数字，而且显示清晰，符合人机交流特点，超低功耗，响应时间0.001ms，可视角度150。随着技术不断发展性价比比较高。综上所述，我们选择方案二，将LCD玻璃片段码显示屏作为显示模块，超低功耗符合低功耗的要求，操作方便。1.2.4电压源设计根据大赛要求，电压源采用太阳能电池。因为系统功耗比较低，太阳能电池产能的能量足够系统使用，另外太阳能电池具有环保、经济的特点。 采用TPS7330做稳压电源，静态电流为2uA。 1.3 总体设计方案经过上述分析和论证，决定了系统各模块最终的采用方案：（1）主控制模块：STM32L152单片机。（2）电源：太阳能电池（TPS7330做稳压电路）。（3）信息采集器：自制晶体管低频时码接收机（包含AGC电路）。（4）显示模块： LCD段码显示模块。根据上面的论证，系统总体结构框图如图所示：主控制器STM32L152单片机太 阳 能 电 池三极管时码接收机LCD段码显示+3.3v+3v电源转换电路可见光唤醒 图1 系统框图二、 理论分析与计算2.1 电波钟原理电波钟表利用长波无线授时技术，原理过程是：由标准时间授时中心将标准时间信号进行编码。利用低频载波方式（68.5kHz）将时间信号以无线电长波发射出去。电波钟表通过自置微型低功耗无线电接收系统接收并放大该低频无线电时码信号。由单片机解码时钟信号。再由计时装置自动调节钟表的计时。这样就让所有接收该信号的钟表都与标准时间授时中心的标准时间一致，所以，全部电波钟表显示的时间一致。时码信号帧周期为20秒，每分钟包含三帧；以秒脉冲宽度表示四进制数的0，1，2，3，以四进制数表示相应的“分”， “时”，“日”，“月”，“年”，“星期”等时间信息；以帧标志表示帧所在的时间段，以缺少秒脉冲作为帧间隔和帧预告标志；采用码位复用技术。图2 帧周期图中将一分钟的三个时间段折叠在一起，其包含的三帧所表示的时间信息是相同的。帧周期为20秒。方波秒脉冲有0.1S，0.2S，0.3S，0.4S四种脉冲宽度状态，分别表示四进制的0, 1, 2, 3, 采用四进制数表示时间信息增加了每位码位的信息容量。现有的时间编码都以二进制表示时间信息，是为了采用微处理器解码方便。2.2 低功耗实现 系统低功耗主要由所选用的单片机决定，单片机工作频率和工作电压决定单片机内部功耗。在工作电压确定的情况下，STM32L152单片机在低功耗模式下运行频率只有32KHz。另外STM32L152具有超低漏电流工艺，时钟门控技术，降低运行功耗等技术。低功耗的其他方面表现在LCD段码显示器的选择和接受机的制作上面。自动状态下当光照强度低于预设值时电波钟处于休眠状态以降低功耗。手动状态下可手动按键进入休眠状态。STM32L152R8T6通过超低功耗模式能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。（睡眠模式，低功耗运行(10.4 uA 、32 kHz), 低功耗休眠(5.1 uA),停止模式(0.5 uA),待机 (0.27 uA)）该控制器低功耗运行模式工作电压为1.83.6V，片上模拟功能的最低工作电压为1.8V，数字功能的最低工作电压为1.65V。 显示器采用2片LCD段码数码显示，功耗低，供电电源为3V。自制接收机，采用太阳能供电，当系统处于休眠状态和不受光情况时，关闭外围电路以降低功耗。电源转换采用TPS7330作为稳压电路，功耗低至2uA。2.3天线制作设计如图所示自行制作天线测试电路，根据更改L的大小，由于r为天线电阻，电容C=4700pF有一定误差，所以f的大小与L有关，输入端输入1v、68.5KHz的正弦波信号，检测L1两端输出波形，调节输出端波形相位角与输入端一致为止。如果输入波形超前输出波形则减少线圈匝数，反之，增大线圈匝数。 因为，所以，带入数值计算得L=1.15mH.实际测的L=1.097mH。因为，又因为，f=68.5KHz，C=4700微法，r=0.185欧姆，所以计算得到Q=2673.5。 图3 LC并联谐振电路三、 电路与程序设计3.1 硬件电路设计3.1.1码接收机电路设计时码接收机包括天线、放大电路、检波电路、比较器和AGC控制部分放大电路放大功率。 图4 为比较器电路 图5 为AGC控制电路图 6 太阳能电池转换电路 3.1.2AGC自动增益控制电路设计图4为AGC控制电路，该电路能够根据当前信号大小来控制前级放大器的基极偏置电流，从而控制放大电路的放大倍数，提高系统信噪比。3.2 软件设计与工作流程图3.2.1 软件设计软件实现的功能如下：处理接收机接收到的授时信号；处理接收机收到的授时信号；将时间信息显示到LCD段码显示器上；接收并处理光敏电阻传感器的信号；低功耗模式的转换。3.2.3工作流程图显示否是否否是否是否是否启动系统初始化捕获时间信息解码校准时间休眠授时是否更换档位是是否授时是是否自动授时档位是是否唤醒是否休眠是否进入秒表秒表是是否进入闹钟否闹钟光强超过预设图7 工作流程图四、结果分析 4.1 系统测试本系统设计完成后，进行了系统性能测试，经测试本系统实现了所有功能和技术指标。4.1.1测试方案（1）启动电路，用秒表测出授时速度即上电到显示正确时间的耗时并记录。（2）用示波器测试包络信号，读出包络信号峰峰值并记录。（3）观察显示内容时间、日期、星期以及信号强度的显示情况。（4）测量整机运行功耗电流和整机休眠电流并记录。（5）手动授时操作。反复测试5次并记录相关数据。4.1.2测试结果经过测试，系统完成基本要求和发挥部分的同时，系统增加音乐闹钟功能以及整点报时和显示实时温度功能。以下为测试结果：基本功能：（1）通过自行设计制作的天线、选频放大，能接受中国码(BPC)电波授时数据、并输出包络。（2）作品上电后能在21s左右完成授时信号的接受、处理。并显示时间（精确到秒）、日期和星期。（3）能够以休眠方式降低整机功耗，支持键唤醒。（4）支持自动、手动授时。发挥部分：（1）太阳能供电系统，采用TPS7330做稳压电路。（2）系统在不受光情况下关闭输出，整机休眠，可见光唤醒。（3）使用AGC电路，并可以显示当前信号强度。（4）可在后台同时运行秒表计时、倒数计时功能。创新部分：支持闹钟功能，整点报时功能，显示实时温度。表1 授时时间耗时次数12345平均时间（s）212222212221.6表2 休眠电流次数12345平均休眠电流（uA）111212131111.8表3 包络电压峰峰值次数12345平均峰峰值（V）1.41.31.31.41.51.384.2系统测试总结 系统启动自行制作的电路后，平均能在 25s显示正确时间。包络信号清晰可见，包络信号峰峰值为 1.38V。能清晰显示内容时间、日期、星期以及信号强度。系统能够实现自动/手动自由切换，支持手动休眠是、手动唤醒。支持可见光唤醒。而且整机休眠电流平均为 75.8uA到达低功耗要求。系统在达到基本要求和发挥部分的同时还增加秒表和闹钟的功能。 五、结语在这四天三夜的比赛中，我们努力从多方面、新角度解决遇到的问题。这对我们不仅仅是毅力的考研，我们的思维也得到了很大的开发。通过本次电子设计大赛，不仅锻炼了我们的动手能力，更巩固了我们理论实力。懂得了团队的重要