2015年全国大学生电子设计竞赛（B题）低功耗电波钟的设计制作

满座衣冠胜雪

摘要
本设计以TI公司生产的低功耗微控制器MSP430G2553单片机为核心，由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，并将时间显示在玻璃片LCD上。系统选用静态电流仅有5uA的LDO芯片TPS7A1601，在休眠状态下，可以通过CSD17505关断系统中其它电路的电源，从而实现了极低的系统功耗。系统使用太阳能作为系统电源，当光照强度降低时，系统能自动进入休眠状态，降低功耗，使得系统能够长时间运行。另外，设计了秒表、倒计时器、闹钟等，并具有声音提示的功能。
关键词：MSP430G2553、低功耗、低频时码接收机、TPS7A1601。

1. 系统方案论证与比较
本设计主要包括：太阳能供电系统，时钟信号接收，单片机对时间电波译码，译码显示几部分组成，结构框图如下，下面对主要模块进行论证：

图1 系统结构图

1.1 主控芯片选择
方案一：采用51单片机
80C51系列单片机结构简单，技术成熟，价格低，但是内部资源有限，功耗高，无法实现题目低功耗、显示信号强度的要求。
方案二：采用ATMEGA48
8位AVR微处理器ATMEGA48工作于20MHZ时性能高达20MIPS，片内资源相对丰富，但相对于功耗仍旧偏高，无法满足系统需要。
方案三：采用MSP430
MSP430单片机是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16位定时器、多达24个支持触摸感测的I/O 引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力，拥有5种节能模式，非常符合本设计的要求。
基于实际测试，经过综合考虑，最终决定采用方案三。

1.2 天线模块
方案一：使用17cm长度的中波磁棒绕制天线。
这种天线可以制作得很小，且灵敏度较高。由于天线尺寸小，分部电容参数小，所以接收电场信号的能力很弱，电场干扰可以得到有效的抑制。
方案二：直径为110mm空心线圈
可用于接收中国时码，但是线圈较大，必须做屏蔽处理，且绕制比较麻烦，灵敏度比中波磁棒低。
综合以上两种方案，选择方案一。

1.3 时码接收电路
方案一：使用集成放大电路
集成放大电路可靠性高，抗干扰能力强。但是很多精密放大电路需要使用正负电源，增益带宽有限，功耗大，成本高。
方案二：使用分离元件
常见的单管放大电路，差分放大电路等，电路原理简单，成本低，但是调整复杂，易受干扰。
考虑到本系统中低功耗的要求，选择方案二。

1.4 显示模块
方案一：数码管
操作方便，亮度高，显示清晰，但是功耗过大，每段0.6mA电流。
方案二：玻璃片LCD
显示清晰，功耗低，关闭LCD省电模式下的功耗典型值仅为0.1 µA。适用范围广，符合本系统的低功耗需要
综合以上两种方案，选择方案二。

1.5 系统电路工作电源解决方案
为符合本次设计的要求，特别为单片机以及相关元器件的工作需要而制作了系统电路工作太阳能供电模块。由于选用的太阳能电池仅为5V，系统选用TI公司生产的TPS7A1601超低功耗电源LDO芯片，该芯片静态电流仅为5uA，带有电源检测引脚，光照减弱时可用该引脚作为触发引脚，让系统进入休眠状态，能够大幅度提高供电系统的续航能力。系统选用成本较低的法拉电容作为储能器件。

图2 电源电路原理图

2. 理论分析与计算
2.1 电波钟原理
授时信号的接收器（即电波钟）结构上分为三部分：接收单元，中央处理显示单元和电源部分，主要由接收天线、前级选频放大器、线路放大、自动增益电路、窄带滤波器、输出放大器、检波器组成。接收天线从空间感应接收由授时中心发射的实时授时信号，经过前级选频放大器及线路放大进行选频放大，然后进行滤波，经输出放大后再进行检波调谐，从载波中提取时间信号，该脉冲经单片机进行处理，时间还原后送到显示器显示。
其中天线的设计如下：电路的谐振频率，由于R跟C是固定的，所以f的大小与L有关，更改L的大小，可以改变天线的谐振点。在输入端输入10mv、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。                                       

图3 天线参数测试电路

图中C=4700pF，测得电感电阻r=0.2Ω，


Q值越高，接收功率越大，可获得高灵敏度，同时还可以提高选频能力，抑制噪声。
天线的效率为天线辐射功率与输入功率之比，记为：


可见，要提高辐射效率，应增大辐射电阻，减小损耗电阻

2.2 低功耗方案
MSP430系列单片机功耗极低，当其运行在LPM3下时，CPU，MCLK，SMCLK、直流发生器DCO被禁止ACLK活动，工作电流2μA。选用的六位段式玻璃片LCD，微安级工作电流，满足低功耗的要求。
系统中耗电最多的是授时信号的接收器，工作电流最大达到3mA。在设计中，当得到准确的授时后，可以通过TI公司生产的MOS电路CSD17505将其切断，进入低功耗状态，然后系统定时打开该电流校准当前时间。

3. 电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 最小系统电路
采用MSP430G2553单片机，最小系统如图4所示。

图4 MSP430G2553最小系统

3.1.2 接收电路
时钟电波接收电路前级选频放大电路的原理图如图5所示。由差分放大电路组成前级放大电路，和LC选频放大电路组成，其中AGC信号加在差分放大电路中，可以实现放大电路的自动增益控制。

图5 时钟电波接收电路

图6 AGC电路

3.2 系统软件设计
程序流程图如图3-2所示

图7 主程序流程图

4. 测试方案与测试结果
4.1 测试仪器
泰克数字存储示波器；FLUK 18B数字万用表；秒表。

4.2 测试项目及结果
用示波器测出包络信号峰峰值并记录，对比北京时间观察测试时间，用秒表来测试授时接收所需的时间，用数字万用表来测量电流，具体数值如下：

（1）性能测试

表1 系统性能测试表

（2）时间测试
表中北京时间是根据互联网查询所得，为准确时间。

表2 接收时间测试表

4.3 测试结果分析
测试显示包络清晰，从测试结果看出，电波钟显示时间与北京时间全部一致，时间误差小于1s，电波钟性能达到题目要求，各个电路工作正常，参数稳定。

5. 总结
经过团队几天不懈的努力终于将低功耗电波钟圆满制作完成。通过本次设计，我们在电子电路的设计、软件调试方面得到了很好的锻炼，动手能力有了极大的提高，深刻体会到实践与团队协作的重要性，受益匪浅，同时认识了到自身的不足，相信在以后的学习中会积极完善自我。