劉兆亮 , 黃盼璐 , 羅春瀟

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院, 浙江 湖州 313000)

時(shí)鐘的應(yīng)用遍及每一個(gè)角落，現(xiàn)階段家庭廣泛應(yīng)用的時(shí)鐘大多只具有時(shí)間、日歷顯示功能，無(wú)法具有溫濕度顯示、時(shí)間同步、無(wú)線控制等功能。由于數(shù)字時(shí)鐘采用石英晶體起振，各晶振間存在的誤差導(dǎo)致了時(shí)間差的累積，所以即使同樣的數(shù)字時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后顯示的時(shí)間也不相同。

本設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字時(shí)鐘中的具體應(yīng)用。通過(guò)時(shí)鐘間的無(wú)線通訊可以對(duì)家庭或辦公室所在的任何一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間、日期、溫濕度顯示等校正，還可進(jìn)行無(wú)線控制來(lái)進(jìn)行鬧鐘設(shè)定、語(yǔ)音報(bào)時(shí)等功能，甚至可以進(jìn)行溫度異常報(bào)警。

1 國(guó)內(nèi)外時(shí)鐘研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于時(shí)鐘的研究主要表現(xiàn)在個(gè)性、便捷等功能上。時(shí)鐘產(chǎn)品多以這幾類為主：指針式時(shí)鐘、數(shù)碼管顯示時(shí)鐘、點(diǎn)陣時(shí)鐘，液晶顯示時(shí)鐘。由于現(xiàn)在的時(shí)鐘多采用電子線路，因此在時(shí)間的精確度上有很大的提高，并且隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)論是時(shí)鐘的外型還是內(nèi)部線路都有很大的改進(jìn)。

有一種新型時(shí)鐘能產(chǎn)生多點(diǎn)信號(hào)，它是在時(shí)鐘上加裝集成電路為基礎(chǔ)的中央控制電路，再分別與鍵盤(pán)控制器、語(yǔ)音錄放器和液晶顯示器聯(lián)接組裝而成，是一種新穎的多段提醒點(diǎn)智能鬧鐘，使用者可以多次設(shè)定響鬧時(shí)間，并提前錄好該時(shí)間要做的事，到指點(diǎn)時(shí)間就會(huì)分別按時(shí)用語(yǔ)音提醒并在液晶顯示器上作出明顯指示。

還有一種新型時(shí)鐘，它的作用是“在最佳被喚醒的時(shí)候”叫醒使用者，也就是最淺睡眠狀態(tài)下叫醒。與鬧鐘配套的有個(gè)類似護(hù)腕的傳感器，使用者只需將其佩戴在手腕處便能監(jiān)測(cè)使用者的身體活動(dòng)狀態(tài)，還可以通過(guò)測(cè)試使用者在睡眠時(shí)有多少次翻身來(lái)判定熟睡程度，最后傳感器將信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給鬧鐘，由鬧鐘來(lái)計(jì)算出叫醒使用者的最佳時(shí)間。微軟也推出了一種智能鬧鐘，這種智能時(shí)鐘可以接入互連網(wǎng)獲取信息。臺(tái)灣推出了一種可投影的多功能電子時(shí)鐘，它可以將時(shí)間和溫度信息通過(guò)投影的方式來(lái)顯示，造型非常獨(dú)特。利用這些智能時(shí)鐘將使大家能夠在將來(lái)更方便，更及時(shí)地獲得個(gè)人信息。

2 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)主要由一個(gè)主機(jī)和若干從機(jī)構(gòu)成，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主機(jī)的時(shí)間、日期、鬧鐘等信息通過(guò)紅外遙控模塊進(jìn)行設(shè)定，此外主機(jī)還包括液晶顯示模塊、語(yǔ)音模塊、報(bào)警模塊、無(wú)線通訊模塊等。從機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從機(jī)主要由液晶顯示模塊、語(yǔ)音模塊、異常報(bào)警模塊、無(wú)線通訊模塊和溫度傳感器模塊等。從機(jī)無(wú)法進(jìn)行時(shí)間設(shè)定、鬧鐘設(shè)定等，主機(jī)和從機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊SM31進(jìn)行通訊，從機(jī)的參數(shù)設(shè)定可以通過(guò)主機(jī)進(jìn)行，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了多個(gè)功能模塊，如：控制模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、溫濕度模塊、無(wú)線通訊模塊、紅外控制模塊、語(yǔ)音模塊等。

3.1 控制模塊

系統(tǒng)的控制模塊主芯片采用了美國(guó)ATMEL公司的8位低功耗單片機(jī)Atmega8，該單片機(jī)是基于增強(qiáng)型的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘指令執(zhí)行時(shí)間，Atmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，這極大的提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[1]。

3.2 顯示模塊

顯示模塊采用的是128×64液晶顯示屏，它具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)，二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。

顯示模塊在顯示內(nèi)容上有時(shí)間、日期、溫度、濕度等內(nèi)容。顯示模塊與單片機(jī)通過(guò)串行模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用動(dòng)態(tài)的顯示方式，實(shí)時(shí)顯示傳感器中的數(shù)據(jù)。

3.3 時(shí)鐘模塊

由美國(guó)DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302是時(shí)鐘模塊的主要組成部分。該芯片可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能[2]。

控制器傳送控制命令給時(shí)鐘模塊，待時(shí)鐘模塊準(zhǔn)備好后控制器將發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)到時(shí)鐘模塊，這些數(shù)據(jù)就是當(dāng)前的時(shí)間數(shù)據(jù)?？刂破鹘Y(jié)束了對(duì)時(shí)鐘模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后將會(huì)在規(guī)律的時(shí)間內(nèi)讀取時(shí)鐘模塊發(fā)送來(lái)的時(shí)間數(shù)據(jù)。

3.4 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用的是瑞士Sensirion公司的SHT11溫濕度傳感器。該芯片具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT11是基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用[3]。

3.5 無(wú)線通訊模塊

無(wú)線通訊模塊采用的是SM311無(wú)線模塊。SM31型微功率無(wú)線數(shù)傳模塊采用Chipcon公司 高接收靈敏度無(wú)線集成芯片CC1020 RF芯片，Atmel 公司的微功耗，低噪音，高速8位單片機(jī)，也內(nèi)置多種高糾錯(cuò)信道編碼通信技術(shù)，用戶使用時(shí)，無(wú)需任何編碼，具有更高的抗干擾性強(qiáng)，通信穩(wěn)定的特點(diǎn)。

在本設(shè)計(jì)中有多個(gè)時(shí)鐘終端，它們相互之間都是通過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行通訊。通過(guò)軟件方式可以將多個(gè)無(wú)線模塊中的一個(gè)設(shè)置為主機(jī)，其它的都設(shè)置為從機(jī)。主機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間，日歷等數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)送到各個(gè)從機(jī)，以達(dá)到實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)的目的。

3.6 紅外控制模塊

紅外控制模塊是由紅外發(fā)射器與紅外接收器組成。紅外控制模塊在設(shè)計(jì)中所起的作用是輸入和在線修改時(shí)間、鬧鐘的數(shù)據(jù)?？稍诰€開(kāi)啟觀看鬧鐘時(shí)間，可開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)鐘報(bào)時(shí)功能，可關(guān)閉鬧鐘等功能。

3.7 語(yǔ)音模塊

本設(shè)計(jì)具有貪睡功能。勞累了一天的人們?cè)诿悦院褋?lái)的時(shí)候，想知道現(xiàn)在的時(shí)間和溫度等信息，但卻不愿意睜開(kāi)自己的睡眼去看，怎么辦呢？本設(shè)計(jì)中的數(shù)字時(shí)鐘可以通過(guò)觸摸發(fā)出聲音來(lái)告訴人們這些信息，并播放柔和悅耳的音樂(lè)，或者一些有趣的話，這樣可展現(xiàn)給人們更多的人性化。可以達(dá)到這些功能就要?dú)w功與語(yǔ)音模塊。通過(guò)紅外控制模塊開(kāi)啟和關(guān)閉語(yǔ)音模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用SM31無(wú)線模塊組建一個(gè)無(wú)線時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式對(duì)各個(gè)時(shí)鐘終端進(jìn)行通訊。通過(guò)主控時(shí)鐘與若干時(shí)鐘終端的無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的時(shí)鐘終端進(jìn)行時(shí)間、日期上的校準(zhǔn)，并通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示。也能設(shè)置所有的時(shí)鐘進(jìn)行精確的語(yǔ)音報(bào)時(shí)。通過(guò)通訊可以把某個(gè)終端的室外溫度、濕度傳輸?shù)剿械臅r(shí)鐘終端進(jìn)行顯示，并根據(jù)要求可以語(yǔ)音播放。通過(guò)紅外線遙控器的控制，可以使語(yǔ)音播放功能關(guān)閉和開(kāi)啟。

本設(shè)計(jì)中主控時(shí)鐘的主控制器采用低功耗的AVR Mega8單片機(jī),它是主控時(shí)鐘系統(tǒng)的核心。將時(shí)鐘芯片DS1302和瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器SHT11相連，將這些數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。利用SM31通訊模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間數(shù)據(jù)到各個(gè)時(shí)鐘終端。通過(guò)紅外線遙控器的控制，可以使語(yǔ)音播放功能關(guān)閉和開(kāi)啟。主控時(shí)鐘的軟件控制程序流程圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘終端控制器采用的是低功耗的AVR Mega8單片機(jī)，每個(gè)時(shí)鐘終端都連有時(shí)鐘芯片、溫濕度芯片，主控制器在采集到信號(hào)經(jīng)處理后顯示在顯示模塊上。同時(shí)通過(guò)SM311無(wú)線通訊模塊，按時(shí)接收主控時(shí)鐘發(fā)送過(guò)來(lái)的精確時(shí)間數(shù)據(jù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)校準(zhǔn)時(shí)間的目的。

參考文獻(xiàn)：

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