1、本 科 毕 业 设 计基于来电显示信号的电子时钟设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要在我们日常生活中随时随地都可以看到很多使用来电显示器的装置。但是，如果我们将时针拨回到半个世纪以前，那时具有现在感觉的显示器可谓少之又少。近年来，随着广播通信技术的发展和社会信息化的不断推进，新的信息显示装置不断涌现，与半导体技术一样，对于现代社会来说，来电显示技术也是一项不可缺少的重要技术。同时，在当代繁忙的工作与生活中，时间对于我们每一个人来说都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响。为了更好的利用我们自己的时间，我们必须对时间有一个度量，因此产
2、生了钟表。从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表，数字钟已成为人们日常生活中的必需品。为了解决时钟的走时累计误差需要人工调整的麻烦，本系统能自动接收一定的时钟数据信号自动调整好时间日期的显示。本系统以单片机 STC89C54 和 STC89C58 为控制核心，由实时时钟模块、FSK 信号发生模块、解码芯片 HT9032 等构成。其中实时时钟采用 DS12887 可实现年、月、日、时、分、秒等时间信息的采集，FSK 信号发生模块、解码芯片 HT9032 可以解调来电显示信号，提取出时间信息，提供给时钟以作校时。由于 DS12887 内部采用的是晶振，因此受到温度，自身晶振精度的影响，走时
3、会产生一个固定的时差，不大于 1 分钟/月，因此需要一个信号来校准，来电显示信号中的时间信号是来自 GPS 传送的，在用来电显示信号校时的时候，尽管 FSK 解码时会有一定的时间，但这时间比较固定，可在时钟显示时加上去，因此相对而言比较精准。并且如今我国电话的普及率比较高，在家里通过来电显示信号校时比较方便，也容易实现。通过此次设计，了解到基于来电显示信号的电子时钟最难的就是来电显示信号的解调以及信号的传输。本设计反应了基于来电显示信号的电子时钟设计在实际应用中所要面临的问题以及探讨了解决这些问题的相关方法。关键词：单片机；FSK；CID 芯片；时钟芯片IIABSTRACTIn our dai
4、ly life can be seen anytime, anywhere using the phone displays a lot of devices and settings. However, if we dial back the clock to an era half a century ago, when the display has been very little sense now. In recent years, with the radio communications technology and information society progresses
5、, new information emerging display devices, and semiconductor technologies, for modern society, call display technology is also an indispensable technology. Meanwhile, in the contemporary life of the busy work, time, and each of us has a very close relationship, everyone is affected by time. In orde
6、r to make better use of our own time, we must have a measure of time, resulting in a clock. From the beginning of the mechanical watches to digital is now widely used in watches, digital clock has become essential to daily life necessities.To address the cumulative error when the clock needs to go t
7、he trouble of manual adjustments, the system can automatically receive certain data signals automatically adjust the clock time and date display.SCM STC89C52 the design for the control of the core, the real-time clock module, FSK signal module, decoder chip HT9032 and other accessories. DS12887 real
8、 time clock which can be achieved by year, month, day, hour and other time information collection, FSK signal module, decoder chip HT9032 Caller ID signal can be demodulated to extract the time information provided to the clock for timing. The DS12887 is used within the crystal, so by the temperatur
9、e, its crystal precision, travel time will have a fixed time difference, less than 1 minute / month, and therefore requires a signal to the calibration, the time signal caller signal transmitted from the GPS, the signal caller in school by the time when, although there will be some FSK decoding time
10、, but this time, relatively fixed, can be added to the clock display, it is relatively accurate. And now the telephone penetration rate in China is relatively high, at home when the school through the Caller ID signal is more convenient, but also easy to implement.With this design, understand the si
11、gnal based on Caller ID is the electronic clock is the most unique caller ID signal demodulation and signal transmission. The design reflects the Caller ID signal based on the electronic clock in the practical application of design problems to be faced and to explore the solutions to these problems
12、related methods.Keywords: SCM; FSK; CID chips; Clock chipIII目 录前言 .1第 1 章 绪论 .31.1 系统框架设计总方案 .31.2 系统组成方案 .41.2.1 来电显示格式方案 .41.2.2 FSK 制式解码方案 .41.2.3 数字时钟 方案 .4第 2 章 系统主要硬件电路设计 .62.1 实现 CID 的基本方法 .62.2 CID 硬件设计 .92.2.1 主机硬件原理及应用 .92.2.2 STC89 系列高性能单片机及应用 .92.3 CID 消息帧格式及技术要求 .102.3.1 单数据消息格式 .112.3.
13、2 复合 数据消息格式 .112.3.3 数据定义 .122.3.4 差错检查 .132.4 来电显示器的工作原理 .142.5 时钟硬件功能描述 .142.6 时钟电路硬 件设计 .152.6.1 键盘模块 .152.6.2 显示模 块 .152.6.3 复位电路模块 .162.6.4 时钟芯片模块 .172.6.5 主控 模块 .17第 3 章 系统 软件设计 .1931 授时主 程序 .19IV32 来电显示信号接收软件设计图 .2033 时钟模块软件 设计图 .21第 4 章 制作调试过程 .224.1 PCB 板制作 .224.2 元器件焊接 .224.3 电路调试 .224.4 硬
14、件结构组装 .224.5 软件系统编写调试 .22结 论 .23致 谢 .23参考文 献 .24附录 A 基于来电显示信号电子时钟的实物图 .24附录 B 系统 软件程序 .251前言钟表现已普及千家万户，连挂红领巾的小学童的手腕上也戴起了亮晶晶的电子手表。但远古之时，人们计时是毛估估的，昼看日头，夜观星月，日出而作，日落而息。三千多年前，我国祖先最早发明了用土和石片刻制成的“土圭” 与“日规” 两种计时器，成为世界上最早发明计时器的国家之一。到了铜器时代，计时器又有了新的发展，用青铜制的“漏壶” 取代了“土圭”与“日规”。东汉元初四年张衡发明了世界第一架“水运浑象” 。 14 世纪在欧洲的英
15、、法等国的高大建筑物上出现了报时钟，钟的动力来源于用绳索悬挂重锤，利用地心引力产生的重力作用。15 世纪末、16 世纪初出现了铁制发条，使钟有了新的动力来源，也为钟的小型化创造了条件。随着钟表业的不断发展，钟表产品也在不断更新换代。石英电子钟表是 70 年代兴起来的新型钟表产品，与机械表相比，它走时更为准确，功能更多，制作的成本电低。瑞士等国相继推出了一批新颖奇特的钟表新产品，如瑞士菲利浦公司生产的光电钟，可将光源转换成电能作能源的电子表。日本研制成具有录音、放音等功能的数字手表，还有翻译手表、电视手表等。英国的无声闹声，到了预定钟点，产生振动叫醒人，可供耳聋者使用。还有声控照明钟、气温钟、火
16、警闹钟等。钟表世界如今是算得上日新月异的了。在所有电子系统中，时钟相当于心脏，时钟的性能和稳定性直通常接决定着整个系统的性能。因此，时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展人们对时间精度的要求也越来越高系统时钟需要可靠，精确的时序参考，通常所用的就是晶体。常见的时钟源主要有晶体振荡器模块（XO）和锁相环（PLL）合成器。对于晶体振荡器和 PLL 合成器这两种主要的系统时钟源而言，它们各有其优势，典型的系统晶振时钟源通常使用的是石英晶体振荡器，它的优势包括噪声低和结构简单，并且可为客户提供精确的定制频率等方面；可是，它也有着明显的缺点，比如只能有晶体来决定其频率，一般情况
17、是特定晶体被制成客户所需的振荡器, 由此导致交货周期较长、生产成本高，最重要的是不利于客户加快产品上市时间,难以获得非标准的频率。而且其稳定性也不是很好。与晶体振荡器相比, PLL 合成器是一种更加复杂的系统时钟源。其中, 如果单从 PLL 来讲, 它通常由电荷泵、相频检测器( PFD)、压控振荡器 ( VCO)和低通滤波器( LPF)等组成。而通用的 PLL 合成器时钟产生器一般需要外部晶体以及放大反向器, 并再通过完全集成的 PLL 和逻辑电路来完成 5。大多数的高精度计时工具都使用了石英晶体振荡器，由于石英表、电子钟、石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高、使用方便、稳定性好、不需要经常
18、调校。数字式电子钟的计时使用集成电路，译码器电路代替机械式传动，用 LED 显示器代替指针显示时间，减小了计时误差，这种时钟具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时、分、秒的校对，片选的灵活性好。专门的时钟芯片还可以提供高精度的准确时间。目前在授时领域，常采用的授时方式具体有如下几种。(1)脉冲对时也称硬对时，是利用脉冲的准时沿(上升沿或下降沿)来校准被授时设备。脉冲对时的优点是授时精度高、适应性强，使用无源接点时：缺点是只可以校准到秒(用 1PPS)，并且其数据必需要人工进行预置。(2)串口报文对时也称软对时，将一组时间数据(年、月、日、时、分、秒)按照一定的格式(速率和顺序等)，然后通过
19、串行通信接口发送给被授时装置，被授时装置利用这组数据预置其内 部时钟。串口报文对时的优点是数据全面、不需要人工预置；缺点是授时精度低、报2文的格式需要授时和被授时装置双方约定。(3)时间编码方式对时 为了解决前 2 种对时方式的矛盾，在实际应用中常采取 2 种对时方式结合的方 法，即串口+脉冲。时间编码方式对时的优点是数据全面、对时精度高、不需要人工预置；缺点是编码相对复杂，需要传送 2 个信号。(4)网络方式对时网络方式对时的优点是基于现有网络、物理实现方便；缺点是高精度补偿算法复杂。 本设计以单片机 STC89C54 和 STC89C58 为控制核心，由实时时钟模块、FSK 信号发生模块、
20、解码芯片 HT9032 等构成。其中实时时钟采用 DS12887 可实现年月日时分秒等时间信息的采集，FSK 信号发生模块、解码芯片 HT9032 可以解调来电显示信号，提取出时间信息，提供给时钟以作校时。本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、实时时钟模块、来电显示信号解码模块、信号采集模块等。1.单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。2.时时钟芯片采用带 RAM 的时钟芯片 DS12887。该芯片具有 100 年日历，可以进行时分秒的计数，可编程接口，还具有报警功能和掉电保存功
21、能，并且可以对其方便的进行程序控制，完全能满足设计的要求。3.来电显示信号解码模块主要采用 FSK 解码芯片 HT9032 实现。4.信号采集模块主要由单片机 STC89C54 来完成。未来发展趋势：从单片机电子时钟近年的发展趋势来看，正朝着多层次用户、多品种、多规格、高精度、小体积、低能耗等方面发展，在这种趋势下，时钟的数字化，智能化已经成为现代数字时钟的研究方向。带有时钟功能的电子产品和电子设备进年来广泛地出现在国内外市场中。例如奥运会倒计时显示屏、铁路安全显示屏、生产线看板、体育比赛记时屏、大型室外高亮度时钟等，这类产品覆盖银行、医院、地铁车站、体育运动、电视台、监控系统、高大建筑物等行
22、业。作为一种人机接口方式，语音比 LCD，鼠标键盘等设备更易于使用。而在设计里加上语音提示、音乐或者其他语音功能，还使得设计显得既人性化又有趣，不但能提高开发者的兴趣和积极性，同时也能让设计作品与众不同，从而得到了各界领域的广泛应用所以对语音的研究有很大的实际意义 4。结论：通过以上文献综述，不难发现：该电子时钟具有读取方便、显示直观、功能多样、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。近些年我国也开始重视对电子钟的开发与设计，让更多的电子时钟能够走进人民生活，跟多人能够应用到功能强大，精度高的电子时钟。但是仍然存在很多问题。中国电子钟产业发展出现的问题中，许多情况不
23、容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。中国电子钟产业发展研究报告阐述了世界电子钟产业的发展历程，分析了中国电子钟产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型电子钟产业” 及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型电子钟产业” 及替代产品的内涵。根据“新型电子钟产业” 及替代品的评价体系和3量化指标体系，从全新的角度对中国电子钟产业发展进
24、行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的电子钟产业发展进行了全面的研究。4第 1 章 绪论1.1 系统框架设计总方案键盘输入与控制STC89C58 STC89C54HT9032 FSK 解码芯片LCD1602电话线水晶母头市电输入电源滤波变压器降压稳压滤波74LS164DS12887实时时钟芯片数码管显示串 口 传 送图 1.1 基于来电显示信号的电子时钟设计总框图本时钟的基本设计思想是接受一个来电显示信号，通过 FSK 解码，获取其中的时间数据信号，然后对时钟进行校时，使其可以自动调整好时间日期的显示，能达到误差在 1 分钟之内1.2 系统组成方案1.2.1 来电显示格
25、式方案美国贝尔通信研究所最先采用语音频带数据通信的调制与解调技术,利用连续的频移键控(即 FSK)方式传送主叫用户的姓名,呼叫日期和时间等信息.后来部分欧洲国家则采用双音多频(即 DTMF)方式传送.从而形成了目前来电显示的 FSK 和 DTMF 两种制式。FSK 制式采用相位连续二进制频移键控的编码方法,将呼叫识别信息转换成 FSK 编码传输.其特点是传输格式5较复杂,但传送信息多,除电话号码外,还能传送时间,日期及姓名等信息. (2)DTMF 制式利用双音多频信号传送电话号码.其特点是传输格式简单,传送信息少,只能传送电话号码。由于此次设计需要的时间信号，所以选择使用 FSK 制式。1.2
26、.2 FSK 制式解码方案对于 FSK 的解码，主要有基于锁相解调、专用电路和基于 DSP 的 3 种解调方式。基于专用电路的解调方式实用简单、成本低廉、性能可靠，比较适合小型来电显示机的设计。绝大部分来电显示产品都采用此种方式。锁相环解码方式基于硬件 FSK 解调，一般通信解调电路都采用这种方式，其优点是灵敏度很高，尤其在信噪比低的情况下性能突出，缺点是电路相对来说比较复杂，调试不便，而且对于大部分数字锁相环集成电路，当 VCO 工作在高频(6 MHz)时受温度影响很大，一定要加个温度补偿电路方才可以正常工作。基于 DSP 的解码是纯软件解调方式，优点是设计灵活，修改方便，但是相对于专用电路
27、解调方式来说成本过高，在信噪比差的情况下，算法要做相应的调整。所以此次设计主要由 HT9032 和单片机STC89C54 组成。1.2.3 数字时钟方案在设计电子时钟电路时，有两个可选方案：方案一：电子时钟不设本机时间电路，完全依赖来电显示信号模块发出的时间信息，接收到后显示出来。方案二：电子时钟具有本机时钟的电路，当接收到来电显示信号后，校正本机时钟集成电路数据。第一个方案太过依赖于来电显示信号，如果没有来电显示信号进来，电子时钟将无法正常工作。方案二可以让时钟有自己的时间系统，在没有来电显示信号的时候也可以进行计时。考虑到授时时钟的稳定性，选用第二方案。电子时钟的本机时钟电路也有两种方案可
28、选：方案一：可直接用软件实现数字时钟，在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现 1 秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加 1；若秒值达到 60，则将其清零，并将相应的分字节值加 1；若分值达到 60，则清零分字节，并将时字节值加 1；若时值达到 24，则将十字节清零。具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。方案二：也可以使用时钟芯片 DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于 10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间 12。DS12887 还有以下几个特点:
