LED背光液晶电波钟的技术开发与实现

漳州理工职业学院 张晓芳

富顺光电科技股份有限公司 陈宇博

LED背光液晶电波钟的技术开发与实现

漳州理工职业学院 张晓芳

富顺光电科技股份有限公司 陈宇博

电波钟具有自动接收标准授时信号，自动校正时间偏差等功能，与机械结构和时钟芯片的计时装置相比，其时间精确性显著提高，开拓了时间计量的新里程，被称为第五代计时器，也是目前最精确的计时工具。

电波钟；双频接收；LCD驱动；LED背光

1　前言

时间控制器作为一种计时工具，在不同的领域有着不一样的计时方式。民用领域主要采用机械结构进行计时，工业领域主要采用时钟芯片进行计时，但此两种计时方式均容易积累时间误差，在时间精度控制方面并不理想。电波钟具有自动接收标准授时信号，自动校正时间偏差等功能，与机械结构和时钟芯片的计时装置相比，其时间精确性显著提高，开拓了时间计量的新里程，被称为第五代计时器，也是目前最精确的计时工具。

在国外，电波钟使用非常广泛，特别是RCC技术的普及，对具有自动接收时间功能的电波钟产生了很高的需求。我国于2007年建成电波发射塔，电波钟作为革命性的计时产品在我国还处于发展阶段。各国的电波钟技术原理相同，但标准时间信号的码制和发射频率却不同，对于长波授时编码标准，美国为WWVB；英国为MSF；德国为DCF；日本为JJY；中国为BPC。

2　工作原理

电波钟是在电子钟内部增加无线电长波信号接收装置，数据处理模块和自动校正功能模块。其工作原理为：由授时中心将标准时间信号进行编码，利用低频（20kHz-80kHz）载波方式将时间信号以无线电长波发射出去。电波钟通过内置微型无线电长波信号接收装置接收该低频无线电时码信号，经专用集成芯片的数据处理模块对时码信号进行调制解码，再由计时装置内设的控制机构自动调节电波钟的计时。通过此技术过程，使电波钟的走时都受统一精确的时码控制，并自动校正走时误差，从而实现电波钟高精度的计量时间和显示时间的一致性。工作原理示意图如图2-1。

3　功能模块

3.1天线

微型磁棒天线作为信号接收的重要部件，采用中性磁棒和漆包线绕制而成，用于接收微弱的长波信号。线圈匝数可根据LC并联谐振时相位角相等的原理进行调节。如果输出波形滞后输入波形则减少线圈匝数，反之则增大线圈匝数。微型磁棒天线如图3-1。

图2-1　电波钟工作原理示意图

图3-1　微型磁棒天线

3.2接收模块

电波接收模块实际就是一台长波定频收音机，接收信号放大检波滤波后输出音频中的包络信号即编码的时间信息。因选用日本JJY码制，其包含40KHz和60KHz两种发射频率，故采用双频接收模块，模块型号为RCC-JJY01。接收模块如图3-2所示。

图3-2　接收模块

3.3微处理器CPU

数据处理模块为电波钟进行信号处理和时钟控制的核心模块，本项目选用恒辉达公司生产的HW5817微处理器CPU。芯片专为电波钟设计，采用1.5V电池供电，静态电流小于30uA，支持6个功能按键，输出设备为LED灯和闹铃，显示内容包含年，月，日，时，分，秒，星期，月相，温度，闹钟，RCC等。芯片的操作设置亦可靠方便，可进行普通模式设置，时间模式设置，响闹报警设置，开机和复位设置，上电默认设置，RCC接收设置，温度检测设置，语言显示设置等。

3.4显示模块

根据技术开发要求，电波钟必需具备以下显示功能：

①精确显示时间与日期，并可12/24小时制切换；

②具有接收电波和校准功能；

③具有RCC功能；

④可显示此时的电波信号强度；

⑤可显示此时当地的温度；

⑥可显示万年历。

综合显示所有内容，宜采用分区域显示更为合理，故电波钟的显示模块采用液晶显示屏。液晶显示屏规格选用5COM*28SEG。液晶显示与传统显示相比，具有显示质量高、无电磁辐射、可视面积大、应用范围广等众多优点。

3.5背光选择

由于液晶显示屏属于被动发光型显示器，液晶必须在外界光源的作用下才会显示，因此必须考虑其背光问题。按照液晶的分类，可分为透射式、反射式、半反半透式这三类。其中，透射式必须加上背景光，反射式需要较强的环境光线，半反半透式要求环境光线较强或加背光。根据电波钟实际使用的环境，决定选用透射式液晶，并基于节约电能考虑，本项目采用LED作为背光源。

3.6LCD驱动

液晶显示屏（LCD）根据电压的有无，控制液晶分子排列方向，使面板达到显示效果。通常情况下，都是设置为加电时液晶不透光，因为正常状态下液晶显示器都是亮着的，设置加电不透光更节约能源。LCD按照显示方式分为段式、点字符式、点阵式。LCD驱动时，需在公共电极和段电极上施加交流电压。若只在电极上施加直流电压时，液晶本身发生劣化。LCD液晶驱动方式包括两种，一种为静态驱动，另一种为动态驱动。

（1）静态驱动

所有的段都有独立的驱动电路，表示公共电极与段电极之间连续施加电压。这种方式适用于简单控制的LCD。

（2）动态驱动

公共电极与段电极共同构成矩阵电极，公共端数为N，按照1/ N的时序分别依次驱动公共端，与该驱动时序相对应，对所有的段信号电极作选择性驱动。这种方式适用于复杂控制的LCD。

在动态驱动方式中，像素可分为选通像素、半选通像素和非选通像素。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比（duty）和偏压（bias）。占空比（duty）：高出点亮的阀值电压的部分在一个周期中所占的比率，通常占空比D等于公共端数N的倒数，即D=1/N。偏压（bias）：用于控制液晶偏转角度的电压，通常Bias=1/a=1/（+1），其中a=+1为偏压比。因电波钟显示内容的复杂性，本项目的驱动方式采用动态驱动。LCD相关参数为：1/3Bias，1/5Duty，4.5V，5COM*28SEG。

［1］王正谋，朱力恒.Protel 99se电路设计与仿真技术［M］.福建科学技术出版社，2006，1.

［2］高鹏，安涛，寇怀成.电路设计与制版 protel 99se 入门与提高［M］.人民邮电出版社，2001，7.

［3］邱关源.电路［M］.高等教育出版社，1999，6（第四版）.

［4］康华光.电子技术基础（数字部分）［M］.高等教育出版社，2000，6（第四版）.

［5］HW5817芯片规格书［S］.深圳市恒辉达电子有限公司，Jun 10 2010.

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

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

附图：原理图

项目来源：2015年福建省中青年教师教育科研项目（项目编号：JA15915）；项目名称：LED背光液晶电波钟的技术开发与实现；项目负责人：张晓芳。