Электромеханические часы

Электромеханические часы

Реферат

Изобретение относится к приборостроению, а именно, к электронным счетчикам времени с шаговым двигателем и может использоваться в качестве уличных часов в городах и крупных населенных пунктах.

Известны электронно-механические часы (Авт. свид. СССР №1282070, кл. G 04 С 3/14, 1981 г.), содержащие генератор временных импульсов, подключенный к обмотке управления шагового двигателя, ротор которого через делитель и коммутационное устройство с выходной переключающей контактной группой, подключенной к источнику питания, связан с обмоткой управления второго шагового двигателя, вал которого соединен с индикатором времени.

В известных часах уменьшение погрешности счета, возникающей из-за прерывания питания, достигается тем, что коммутационное устройство дополнительно содержит управляющий кулачок, конденсатор и реле с замыкающим контактом, при этом управляющий кулачок через делитель кинематически связан с ротором первого шагового двигателя, а переключающий контакт контактной группы через конденсатор подключен к первой клемме источника питания, размыкающий контакт контактной группы подключен к обмотке реле, второй конец которой соединен с первой клеммой источника питания, а замыкающий контакт реле - к обмотке управления второго шагового двигателя, второй конец которой подключен к первой клемме источника питания.

Однако в таком устройстве не осуществляется автоматическая самоустановка показаний с учетом часовых поясов.

Известно устройство, в котором формирование временных поправок шкал времени осуществляется по сигналам спутниковой радионавигационной системы, например, описанное в патенте РФ №2133489, G 04 C 13/00, 1999 г. Такое устройство содержит опорный генератор, формирователь шкалы времени и связанное с ними устройство синхронизации (УС), которое связано, в свою очередь, навигационным радиоканалом с подсистемой космических аппаратов спутниковой радионавигационной системы (СРНС) и содержит блок связи с устройствами синхронизации других пунктов. УС содержит приемоизмеритель СРНС, блоки управления, памяти, экстраполяции поправок, контроля качества синхронизации, осреднения координат, усреднения ансамбля поправок, сглаживания временных поправок и блок сравнения с опорными значениями. Система обеспечивает повышение точности определения и оперативный контроль качества системной и относительной поправок к местной шкале времени каждого из N пунктов.

Однако это устройство требует использования дополнительного оборудования и дополнительных средств и не может быть использовано для синхронизации уличных городских часов.

Известны уличные электронные часы с автоматической коррекцией показаний с помощью блока коррекции по сигналам проверки времени, передаваемым центральной службой времени. Блок коррекции первичных часов состоит из генератора электрических колебаний с частотой 12-13 кГц, соединенного с главными городскими часами, формирующими импульсы постоянного тока длительностью порядка 10 сек, и с радиотрансляционной сетью, генератора ускоренных импульсов, схемы запрета, контрольных часов, выходы которых соответственно подключены к приемнику и одному из входов схемы запрета, и корреляционного реле, подключенного к указанному приемнику, Корреляционное реле имеет три входа, один из которых соединен через схему запрета с генератором ускоренных импульсов, а другие - соответственно с обмоткой шагового двигателя и осциллятора первичных часов, при этом приемник может быть выполнен в виде фильтра-выпрямителя (Авт. св. СССР №535548, G 04 C 13/00, 1974 г.).

Известное устройство является сложным, так как требует использования дополнительного оборудования и протяженных линий связи, что не обеспечивает высокую надежность и осложняет эксплуатацию часов.

Технической задачей данного изобретения является упрощение обслуживания уличных городских электромеханических часов за счет обеспечения самоустановки часов в местное время, самокоррекции часовых механизмов, самовосстановления текущего местного времени в случае сбоя, диагностки состояния элементов схемы, продления срока службы и своевременной замены аккумулятора за счет индикации результата анализа его состояния.

Поставленная задача достигается тем, что в электромеханические часы, содержащие микроконтроллер, блок питания, усилители мощности, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами микроконтроллера, а выходы - с шаговыми двигателями, связанными соответственно с часовыми механизмами, вход блока питания подключен к сети городского освещения, а его первый и второй выходы подсоединены соответственно к входам питания усилителей мощности и к входу питания микроконтроллера, микроконтроллер включает кварцевый генератор, счетчик времени и вычислитель, связанные через общую магистраль с счетчиком времени, параллельным портом ввода, последовательным портом ввода-вывода и параллельным портом вывода, при этом выход кварцевого генератора соединен с синхронизирующими входами счетчика времени и вычислителя, входы параллельного порта ввода являются входами микроконтроллера, а выходы параллельного порта вывода являются его выходами согласно изобретению, введен приемник спутниковой навигационной системы (СНС), выход которого соединен с входом последовательного порта ввода-вывода микроконтроллера, датчики положения минутных стрелок на нулевых отметках, закрепленные на циферблатах часовых механизмов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам параллельного порта ввода, в микроконтроллер дополнительно введены постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) данных о границах часовых поясов, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является аналоговым входом микроконтроллера, при этом ПЗУ данных о границах часовых поясов и АЦП связаны с общей магистралью обмена информацией.

Блок питания содержит выпрямитель, соединенный со схемой контроля наличия напряжения в сети городского освещения и ключом, аккумулятор, а также делитель напряжения и стабилизатор, входы которых подсоединены к выходу ключа и аккумулятору, являющемуся первым выходом блока питания, выход стабилизатора является вторым выходом блока питания, выход схемы контроля является третьим выходом блока питания, а выход делителя напряжения является его четвертым выходом, при этом третий выход блока питания соединен с третьим входом микроконтроллера, а четвертый выход блока питания подсоединен к аналоговому входу микроконтроллера, пятый выход которого соединен с управляющим входом ключа блока питания.

Дополнительно в устройство введен приемопередатчик для подсоединения к компьютеру, при этом первый выход и вход приемопередатчика соединены соответственно с входом и выходом последовательного порта ввода-вывода, второй выход - с четвертым входом параллельного порта ввода, управляющий вход - с четвертым выходом параллельного порта вывода, а вход питания подключен к второму выходу блока питания.

На чертеже приведена структурная электрическая схема электромеханических часов.

Электромеханические часы содержат микроконтроллер 1, блок питания 2, усилители мощности 3, 4, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами микроконтроллера 1, а выходы - с шаговыми двигателями 5 и 6, связанными с часовыми механизмами 7 и 8, а также приемник спутниковой навигационной системы (СНС) 9 и приемопередатчик 10 для подключения внешнего компьютера, выходы которых объединены и соединены с входом последовательного порта ввода-вывода микроконтроллера 1. На циферблатах часовых механизмов 7, 8 закреплены датчики 11 и 12 положения минутных стрелок на нулевых отметках, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера 1. Вход блока питания 2 подключен к сети городского освещения, его первый выход подсоединен к входам питания усилителей мощности 3 и 4, а второй выход - к входам питания микроконтроллера 1, датчиков 11, 12 положения минутных стрелок, приемника СНС 9 и приемопередатчика 10.

Микроконтроллер 1 включает вычислитель 13 (процессор, ОЗУ, ПЗУ), кварцевый генератор 14, выход которого соединен с входом синхронизации вычислителя 13 и счетным входом счетчика 15 времени, последовательный порт 16 ввода-вывода, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом микроконтроллера 1, параллельный порт 17 ввода, входы которого являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами микроконтроллера 1, параллельный порт 18 вывода, выводы которого являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами микроконтроллера 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19, вход которого является аналоговым входом микроконтроллера 1, и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 20 данных о границах часовых поясов, при этом вычислитель 13, счетчик времени 15, последовательный порт 16 ввода-вывода, ПЗУ 20 данных о границах часовых поясов, АЦП 19, параллельный порт 17 ввода и параллельный порт 18 вывода объединены общей магистралью 21 обмена информацией.

Блок питания 2 содержит выпрямитель 22, соединенный со схемой контроля 23 наличия напряжения в сети городского освещения и ключом 24, аккумулятор 25, а также делитель напряжения 26 и стабилизатор 27, входы которых подсоединены к выходу ключа 24 и аккумулятору 25, являющемуся первым выходом блока питания 2, выход стабилизатора 27 является вторым выходом блока питания 2, выход схемы контроля 23 является третьим выходом блока питания 2, а выход делителя напряжения 26 является его четвертым выходом, при этом третий выход блока питания 2 соединен с третьим входом микроконтроллера 1, а четвертый выход блока питания 2 подсоединен к аналоговому входу микроконтроллера 1, пятый выход которого соединен с управляющим входом ключа 24 блока питания 2, а его шестой выход подсоединен к входу приемопередатчика 10, причем второй выход приемопередатчика 10 подключен к четвертому входу микроконтроллера 1.

В качестве микроконтроллера 1 может быть использован любой современный микроконтроллер с гарвардской архитектурой с полным набором инструкций (CISC), имеющий в своем составе указанные выше блоки и вычислитель которого имеет необходимые для реализации системной программы объемы ПЗУ и ОЗУ и быстродействие, например, микроконтроллеры 87C51GB фирмы Intel и ADUC812 или ADUC832 фирмы Analog Devices Inc.

В качестве приемника 9 СНС можно использовать такие устройства, как Lassen SQ фирмы Trimble Navigation Europe Ltd., обеспечивающие прямую стыковку с последовательным портом современных микроконтроллеров и позволяющие выводить информацию в соответствии с протоколом NMEA-0183 (международный морской навигационный протокол). При этом при приобретении данный приемник программируется на выдачу кадров UTC и GGA (всемирное время по Гринвичу и дата, географические координаты места нахождения приемной антенны).

Датчики 11 и 12 могут быть выполнены, например, на основе датчиков Холла, в этом случае на конце минутных стрелок должны быть укреплены небольшие магниты, или с использованием разомкнутых оптронов на отражение, при этом на концах минутных стрелок с внутренней стороны должны быть приклеены отражательные полоски.

В качестве шаговых двигателей 5 и 6 и часовых механизмов 7 и 8 могут быть использованы часовые механизмы со встроенными шаговыми двигателями, например NU90 фирмы Burk Zeitsysteme GmbH.

В качестве приемопередатчика может быть использован стандартный приемопередатчик со входом выключения, например ADM242 фирмы Analog Devices Inc.

Блок питания 2 выполнен из стандартных и широко известных элементов.

Электромеханические часы работают следующим образом. Вычислитель 13 выполняет системную программу, запрограммированную в него заранее. В процессе исполнения программы вычислитель 13 обменивается данными с устройствами 15, 16, 17, 18, 19 и 20 по магистрали 21. Счетчик 15 времени считает секунды, минуты и часы местного текущего времени и каждую минуту вызывает прерывание программы, выполняемой вычислителем 13, для реализации подпрограммы формирования импульсов на первом и втором выходах микроконтроллера 1, которые, будучи усиленными усилителями 3 и 4, вызывают поворот валов шаговых двигателей 5 и 6 на угол, соответствующий перемещению минутной стрелки на одно деление. Каждую секунду приемник 9 СНС, если его выход активен благодаря разрешающему логическому уровню на управляющем входе, при этом на управляющем входе приемопередатчика 10 должен быть запрещающий логический уровень, выдает кадры информации о времени и координатах, которые через последовательный порт 16 принимаются вычислителем 13. Вычислитель 13 выполняет подпрограмму обработки этой информации и оценки ее достоверности по соответствующим словам и битам в кадрах. Если информация достоверна, то вычислитель 13 сравнивает полученные координаты со считываемыми из ПЗУ 20 границами часовых поясов, пока не определит номер часового пояса места расположения электромеханических часов, после чего вычисляет местное точное время по формуле:

T=W+N,

где Т - часы местного времени, W - часы всемирного времени по Гринвичу, N - номер часового пояса. Далее вычислитель 13 считывает местное время со счетчика 15 времени и сравнивает его с полученным по формуле и, если обнаруживает расхождение, записывает код полученного по формуле времени в счетчик 15. Таким образом, происходит коррекция местного счетчика времени.

При установке электромеханических часов на мачту городского освещения стрелки механизмов 7 и 8 устанавливаются на нулевую отметку вручную. Далее подключаются аккумулятор и сеть, в результате чего происходит запуск вычислителя 13 микроконтроллера 1 и запуск приемника 9 СНС, с выхода которого через некоторое время начинают поступать кадры всемирного времени и географических координат и вычислитель 13 выполняет указанную выше подпрограмму коррекции местного счетчика 15 времени, но в этом случае в вычислителе 13 запоминается местное время, которое затем убавляется на минуту каждую секунду с выполнением подпрограммы формирования и выдачи на усилители 3 и 4 через параллельный порт вывода 18 управляющих импульсов до тех пор, пока запомненное время не станет равным нулю, при этом управляющие импульсы также формируются и в каждую минуту в результате прерывания программы вычислителя 13 от счетчика 15. Таким образом, происходит самоустановка стрелок механизмов 7 и 8 на точное местное время.

В конце каждого часа вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 17 опрашивает состояние первого и второго входов микроконтроллера 1, то есть выходов датчиков 11 и 12 положения минутных стрелок на отметке 0. Если после формирования управляющего импульса на усилитель мощности 3 или 4 сигнал с соответствующего датчика 11 или 12 не появляется, вычислитель 13 начинает формировать и выдавать каждую секунду управляющие импульсы на соответствующий усилитель 3 или 4 до тех пор, пока минутная стрелка не окажется в положении 0. Если этого не происходит в течение 59 секунд, вычислитель 13 запоминает код неисправности данного привода (усилитель - шаговый двигатель - часовой механизм - датчик) и в дальнейшем перестает формировать на него управляющие импульсы. Таким образом, осуществляется коррекция работы механизмов при возможных невыполненных шагах вследствие вибраций или обледенения и диагностика неисправностей приводов.

В течение всего времени работы часов каждую секунду вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 17 опрашивает третий вход микроконтроллера 1 на наличие напряжения сети с выхода схемы 23 контроля блока 2 питания и АЦП 19, который измеряет напряжение с выхода делителя 26, пропорциональное напряжению аккумулятора 25. При наличии напряжения сети и если код, соответствующий напряжению на выходе делителя 26, не превышает заранее запрограммированной в ПЗУ вычислителя 13 величины, вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 18 подает отпирающее напряжение на пятый выход микроконтроллера 1, то есть на управляющий вход ключа 24, вследствие чего аккумулятор 25 начинает заряжаться от выпрямителя 22 через ключ 24 до необходимого напряжения. Когда напряжение аккумулятора 25 достигнет заданного значения или напряжение сети пропадет, вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 18 выключает ключ 24, после чего аккумулятор 25 разряжается током питания усилителей 3 и 4 мощности и входным током стабилизатора 27 до заданного напряжения, величина которого определяется величиной, заранее запрограммированной в ПЗУ вычислителя 13, и коэффициентом деления делителя 26, после чего ключ 24 включается и процесс повторяется. Если в течение всего времени наличия напряжения в сети напряжение аккумулятора 25 не достигает заданной величины, вычислитель 13 делает вывод о неисправности аккумулятора 25 и запоминает код неисправности аккумулятора 25 или ключа 24. Если в течение суток не появляется напряжение сети, вычислитель 13 запоминает код неисправности сети или выпрямителя 22. Таким образом, происходит управление работой блока питания 2 и диагностика состояния его элементов.

При подключении внешнего компьютера к приемопередатчику 10 на его третьем выходе возникает сигнал, который опрашивается вычислителем 13 через магистраль 21 и порт 17 с высокой частотой. При появлении этого сигнала вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 18 выдает запрещающий сигнал на управляющий вход приемника 9 СНС и разрешающий сигнал на управляющий вход приемопередатчика 10, что обеспечивает обмен информацией между внешним компьютером и микроконтроллером 1. По запросу с внешнего компьютера вычислитель 13 через магистраль 21, порт 16 и приемопередатчик 10 выдает на компьютер код текущего местного времени, статистику коррекций счетчика времени 15 и механизмов 7 и 8, а также коды неисправностей элементов схемы часов.

При отключении кабеля внешнего компьютера от приемопередатчика 10 сигнал на его третьем выходе пропадает и вычислитель 13 через магистраль 21 и порт 18 выдает на управляющий вход приемопередатчика 10 запрещающий сигнал, а на управляющий вход приемника 9 - разрешающий сигнал, вследствие чего часы продолжают функционировать в обычном режиме счета и коррекции местного времени.

Таким образом, данные городские электромеханические часы позволяют существенно упростить и удешевить их обслуживание за счет обеспечения самоустановки с учетом часового пояса места размещения часов, а также осуществлять самодиагностику состояния элементов схемы часов. Это достигается за счет использования данных, получаемых с СНС, использования датчиков положения минутных стрелок, например, Холла, инфракрасных или оптических; за счет набора статистики самокоррекции; за счет слежения за напряжением аккумулятора, а также за счет организации вывода статистической информации на внешний компьютер и самостоятельного принятия решений о режиме работы по заложенным в программе алгоритмам.

1. Электромеханические часы, содержащие микроконтроллер, блок питания, усилители мощности, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами микроконтроллера, а выходы - с шаговыми двигателями, связанными соответственно с часовыми механизмами, вход блока питания подключен к сети городского освещения, а его первый и второй выходы подсоединены соответственно к входам питания усилителей мощности и к входу питания микроконтроллера, микроконтроллер включает кварцевый генератор, счетчик времени и вычислитель, связанные через общую магистраль с счетчиком времени, параллельным портом ввода, последовательным портом ввода-вывода и параллельным портом вывода, при этом выход кварцевого генератора соединен с синхронизирующими входами счетчика времени и вычислителя, входы параллельного порта ввода являются входами микроконтроллера, а выходы параллельного порта вывода - его выходами, отличающиеся тем, что введены приемник спутниковой навигационной системы (СНС), выход которого соединен с входом последовательного порта ввода-вывода микроконтроллера, датчики положения минутных стрелок на нулевых отметках, закрепленные на циферблатах часовых механизмов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, в микроконтроллер дополнительно введены постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) данных о границах часовых поясов и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является аналоговым входом

микроконтроллера, при этом ПЗУ данных о границах часовых поясов, АЦП соединены с общей магистралью обмена информацией.

2. Электромеханические часы по п.1, отличающиеся тем, что блок питания содержит выпрямитель, соединенный со схемой контроля наличия напряжения в сети городского освещения и ключом, аккумулятор, а также делитель напряжения и стабилизатор, входы которых подсоединены к выходу ключа и аккумулятору, являющемуся первым выходом блока питания, выход стабилизатора является втором выходом блока питания, выход схемы контроля является третьим выходом блока питания, а выход делителя напряжения является его четвертым выходом, при этом третий выход блока питания соединен с третьим входом микроконтроллера, а четвертый выход блока питания подсоединен к аналоговому входу микроконтроллера, пятый выход которого соединен с управляющим входом ключа блока питания.

3. Электромеханические часы по 2, отличающиеся тем, что введен приемопередатчик для подсоединения к компьютеру, при этом первый выход и вход приемопередатчика соединены соответственно с входом и выходом последовательного порта ввода-вывода, второй выход - с четвертым входом параллельного порта ввода, управляющий вход - с четвертым выходом параллельного порта вывода, а вход питания подключен к второму выходу блока питания.