大型塔钟的控制装置和方法

本发明涉及塔钟的控制装置和方法，特别是大型塔钟的微机控制装置和方法。

到目前为止，塔钟的控制装置和方法均采用下述两种方式：一是采用石英振子母钟机芯产生计时脉冲，经硬件电路进行信号放大、分频、驱动单向或三相步进电机，控制塔钟走时;报时、照明等功能则是采用机械开关、光电感应元件来实现的。这种控制方式的硬件结构复杂，驱动能力小，造价高，当塔钟钟盘直径很大时，这种系统就无法适应;二是采用小型石英钟作为母钟，用光电感应元件跟踪母钟钟针，通过控制直流或交流电机实现塔钟的走时，采用机械开关、交电感应元件来实现照明、报时功能。这种方式比第一种有所进步，但是仍然存在着结构复杂、造价昂贵、可靠性差、故障率高等缺点。

本发明的目的是提供一种结构简单、运行可靠、计时精度高、驱动能力大的能适应大型塔钟控制要求的控制装置和方法。

按照本发明，采用微型计算机作为主控制单元组成简单的控制装置，通过控制软件来实现塔钟的走时、对时、追时、延时，同时完成报时和照明功能。由于软件不会有机械磨损等故障，因此可靠性高。

按照本发明，采用一个小型高精度石英钟作为辅助的校准装置，确保塔钟高精度走时。

按照本发明，采用软件产生计时脉冲并进行五相分频，以驱动大功率五相步进电机，取代复杂的硬件分频电路，从而大大地提高了塔钟运行的可靠性和驱动能力。

按照本发明，微型机可采用廉价的单片机、单板机，也可采用一般的工业控制机，取代复杂的硬件结构电路，因此结构简单、性能稳定可靠、造价低。

按照本发明的控制装置，由微机CPU模块、脉冲计数模块、I/O开关量模块、键盘显示板、接口电路模块、电平转换电路、塔钟步进电机驱动装置、操作盘、报时装置、照明装置及校准钟相互联结而成。将校准钟、电平转换电路、脉冲计数模块、微机CPU模块、I/O开关量模块、接口电路模块顺序串接起来，将键盘显示板接到微机CPU模块上，将操作盘和接口电路模块相接，接口电路模块还和脉冲计数模块相联，并分别连接着塔钟驱动装置、报时装置和照明装置。

按照本发明，塔钟控制装置的控制过程是通过控制软件来实现的。由微机CPU通过软件产生塔钟走时脉冲信号，又通过软件对此信号进行五相分频，经过I/O开关量模块和接口电路与步进电机驱动器即塔钟驱动装置相联控制步进电机，带动减速箱，驱动塔钟钟针走时。

按照本发明的塔钟校准方法是，将校准钟的计时脉冲信号引出，经过电平转换电路，把1.5V的脉冲信号转换成+5V的脉冲信号，脉冲计数模块接收这一信号，记录校准钟每小时的计时脉冲数。当计数模块计满校准钟的每小时计时脉冲量时，发出一个输出信号给CPU模块，CPU通过 I/O开关量模块接到此信号后，将塔钟的实际走时脉冲量与校准钟的走时脉冲量进行比较，根据比较结果对塔钟进行校准，确保塔钟准确走时，与此同时，将规定的报时时间、照明时间分别与当时的走时时间进行比较，满足报时条件的，通过I/O开关量模块和接口电路模块启动塔钟报时装置进行报时;满足照明条件的，启动照明装置进行照明。

键盘显示板用于向微机CPU输入必要的参数和启动软件运行。

塔钟操作盘用于控制塔钟的各种功能，微机CPU通过检测操作盘的各种信号状态来实现各种控制功能。

按照本发明，塔钟控制装置的控制过程是通过控制软件来实现的，本发明将控制软件设计成模块结构，整个软件由9个程序块所构成，包括主控程序块、顺向对时程序块、逆向对时程序块、正常走时程序块、顺向校对追时程序块、逆向校对追时程序块、正常延时程序块、校对追时延时程序块。

主控程序块的功能是对I/O开关量模块和脉冲计时模块进行初始化，然后对这两个模块清零，将当前的整点值以16进制数送入指定的内存单元，以备后续程序调用，然后对由操作盘通过接口电路模块及I/O开关量模块送来的状态信号进行检测，判断是对时还是正常计时状态。根据判断结果分别进入对时程序块或正常走时程序块。

对时程序块分顺向对时程序块和逆向对时程序块，用于在塔钟正常运行前的当时时间对时。该程序块按照步进电机要求的相序产生软分频 功能。这些程序块的频率由对时追时延时程序块所确定，步进电机每运行一个周期，对操作盘的各种操作状态位检测一次，以确定下一步的工作状态，执行相应的功能。

正常走时程序块按照步进电机的相序产生软分频功能。走时频率是由正常延时程序块经过严格的计算和试验确定的。按照本发明，塔钟的正常走时频率不采用1Hz而采用50～100Hz范围内的任一种频率，此频率由正常走时延时程序块产生，这样能使塔钟运行平稳，减小惯性。步进电机每运行一个周期，均对由计数模块通过I/O模块送入的“每小时时间到”状态进行检测，确定下一步程序的走向。如果没有接到“每小时时间到”状态位，则继续走时;如果接收到“每小时时间到”状态位，则将当时时间与预定的报时和照明时间进行比较，如当时时间在规定时间内，则执行报时或照明功能，然后转到顺向校对追时程序块或逆向校对追时程序块;如果当时时间不在规定时间内，则直接转入顺向校对追时程序块或逆向校对追时程序块。这两个程序块的校对对时的时间是由塔钟在前一时间内与当时时间这一小时内所走过的计时脉冲数T1与由校准钟所走过的计时脉冲T2进行比较而确定的：如果T1＞T2，则为逆向校时，如果T1＝T2，则返回正常走时程序块;如果T1＜T2，则为顺向校时。用这种方法使塔钟走时与校准石英钟走时之间保持绝对同步。报时和照明时间可按实际情况需要来选定。

节日报时程序块是专门用于在重大节日时实现零点报时功能的。

正常走时延时程序块采用双级延时方式，通过计算和试验可准确地产生50～100Hz范围内的频率送入正常走时程序块。校对追时延时程序块采用单级延时方式，通过计算可产生1000～1500Hz范围内的任一频率。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是本发明的控制装置的一种实施方案的系统原理框图。

图2是主控程序块V1的流程框图。

图3是顺向对时程序块V2的流程框图。

图4是逆向对时程序块V3的流程框图。

图5是正常走时程序块V4的流程框图。

图6是顺向校对追时程序块V5的流程框图。

图7是逆向校对追时程序块V6的流程框图。

图8是重大节日报时程序块V7的流程框图。

图9是正常延时程序块V8的流程框图。

图10是校对追时延时程序块V9的流程框图。

如图1所示的大型塔钟微机控制装置，由微机主机CPU模块u1、脉冲计数模块u2、I/O开关量模块u3、键盘显示板u4、接口电路板模块u5、电平转换电路u6、塔钟操作盘u7、步进电机驱动装置u8、塔钟报时装置u9、塔钟照明装置u10和校准钟u11组成，即顺次将标准钟u11、电平转换电路u6、脉冲计数模块u2、主机CPU模块u1、I/O开关量模块u3、接口电路板模块u5串接起来，再将脉冲计数模块u2连接到接口电 路板模块u5，将操作盘显示板u4连接到微机CPU模块u1上，接口电路板模块u5还分别连接着塔钟驱动装置u8、塔钟报时装置u9和塔钟照明装置u10。

这里的主机CPU模块u1可以采用单片机，例如MCS-51系列单片机;也可以采用单板机，例如TP801单板机;也可以采用一般工业控制机，例如TP805工业控制机。采用单板机或单片机作为主机时，应制作相应的脉冲计数模块u2，I/O开关量模块u3，接口电路板模块u5等。采用工业控制机作主机CPU模块u1时，则机器本身均有上述模块，不必另行制作。

校准钟u11可采用各种类型的小型高精度石英钟，此石英钟的走时精度决定了塔钟的走时精度。

键盘显示板u4用于输入必要的参数并启动软件运行。

塔钟操作盘u7用于控制塔钟的各种功能，主机CPU模块u1通过检测操作盘u7的各种信号状态来实现各种控制功能。

按照图1所示的实施方案，此种控制装置的控制过程是这样来实现的：主机CPU模块u1通过控制软件（见附件）产生塔钟走时脉冲信号，并对此信号进行五相分频，经过I/O开关量模块u3和接口电路模块u5与塔钟步进电机驱动装置u8，控制步进电机带动减速箱驱动塔钟走时，实现走时功能。

如图1所示，将校准钟u11的走时脉冲信号引出，经过电平转换电路 u6把1.5V信号转换成+5V的脉冲信号，送入脉冲计数模块u2，记满规定的脉冲数后，向主机CPU输出一个信号，主机CPU接此信号后，将塔钟的实际走时脉冲数T1与校准钟的走时脉冲数T2进行比较，根据比较结果，通过I/O开关量模块u3和接口电路板模块u5，或是启动报时装置u9进行报时，或是启动照明装置u10进行照明，或是进行校准。

图2～图10为实现本发明的控制方法的控制软件流程框图。

本发明的控制过程是用控制软件来实现的。主机CPU通过此控制软件产生塔钟走时脉冲信号，又通过控制软件对步进电机进行五相分频，经过I/O开关量模块u3和接口电路模块u5驱动塔钟走时。此控制软件为模块式结构，由主控程序块V1、顺向对时程序块V2、逆向对时程序块V3、正常走时程序块V4、顺向校对追时程序块V5、逆向校对追时程序块V6、重大节日报时程序块V7、正常延时程序块V8、校对追时延时程序块V9所组成。

如图2所示，主控程序块V1的功能是对I/O开关量模块u3和脉冲计数模块u2进行初始化，对这两个模块清零，将当时对时的整点值以16进制数送入指定的内存单元（2500H），以备后续程序调用，接着此程序块反复检测塔钟作盘u7通过接口电路板模块u5和I/O开关量模块u3送来的状态信号，根据所检测到的状态位，分别转入顺向对时程序块V2、逆向对时程序块V3或正常走时程序块V4。如果检测到的是顺向对时状态位，就转入顺向对时程序块V2，如果不是，再检测是否为逆向对时状态位，如果是，就转入逆向对时程序块V3，如果不是，再检测是否为正常走时状态 位，如果是，就转入正常走时程序块V4，如果不是，进入下一轮检测。

如图3所示，当程序由主控程序块V1转入顺向对时程序块V2后，V2开始运行。顺向对时程序块V2的功能是按照步进机要求的相序产生软分频，顺向驱动步进电机运转一周，而后对塔钟操作盘u7的各状态位检测一次，根据检测结果，分别再次顺向驱动步进电机运转一周、或转入逆向对时程序块V3或转入正常走时程序块V4、或返回主控程序块V1的检测程序。

如图4所示，当程序由主控程序块V1或顺向对时程序块V2转入逆向对时程序块V3时，该程序块就开始运行。逆向对时程序块V3的功能是按步进电机要求的相序产生软分频，逆向驱动步进电机运转一周，然后对塔钟操作盘u7的各状态位检测一次，根据检测结果分别再次逆向驱动步进电机运转一周，或转入顺向对时程序块V2，或转入正常走时程序块V4或返回主控制程序块V1的检测程序，即当检测到逆向对时状态位时，返回本程序块开始处，再次逆向驱动步进电机运转一周;当检测到的是顺向对时状态位时就转向顺向对时程序块V2;当检测到正常走时状态位时，转向正常走时程序块V4，这三种状态位都未检测到时，就返回主控程序块V1的检测程序。

如图5所示，当程序由主控制程序块V1或顺向对时各序块V2或逆向对时程序块V3转入正常走时程序块V4时，就启动正常走时程序。正常走时程序块V4的功能是将小时脉冲计数值送入脉冲计数模块u2，然后正常驱动步进电机运行一个周期，并检测“每小时时间到”校准状态位，根据 检测结果，或继续正常走时，或进入顺向校对追时程序块V5，或进入逆向校对追时程序块V6，或执行报时、照明控制，或转入重大节日报时程序块V7。即如果未检测到“每小时时间到”校准状态位就继续正常走时;如检测到此状态位，则将塔钟计数值T1与由校准钟u11所走过的计时脉冲数值T2进行比较，如果T1＜T2，则转入顺向校对追时程序块V5;如果T1＞T2，则转入逆向校对追时程序块V6;如果T1＝T2，则检测由脉冲计数模块u2通过I/O模块送入的“每小时时间到”状态，如果未检测到此状态位，则继续走时，当检测到“每小时时间到”状态，则将当时时间C与预定的报时和照明时间进行比较，如果当时时间C在规定的时间范围内，即低限报时值＜C＜高限报时值，就输出报时信号后返回;而低限照明值＜C＜高限照明值，则输出照明信号后返回;如检测到重大节日报时状态位，则转入重大节日报时程序块V7，完成报时控制后返回。

如图6所示当程序由正常走时程序块V4转入顺向校对追时程序块V5时，就启动顺向校对追时程序，此程序块V5执行顺向驱动步进电机运行一周，然后判断校准钟u11的脉冲计数值T2和塔钟的脉冲计数值T1的差是否等于零。如果T1-T2＝0，则返回正常走时程序块V4，如果T1＜T2，则继续执行本程序块，直到T1-T2＝0，返回正常走时程序块V4。

如图7所示，当程序由正常走时程序块V4转入逆向校对追时程序块V6时，就启动逆向校对追时程序，此程序块执行逆向驱动步进电机运行一周，然后判断校准钟的脉冲计数值T2和塔钟脉冲计数值T1之差是否等于零，如果等于零，就返回正常走时程序块V4，如果还不等于零，则继续 循环执行本程序，直到T1-T2＝0，返回正常走时程序块V4。

如图8所示，当程序由正常走时程序块V4转入重大节日报时程序块V7时，就执行重大节日报时，此程序块的功能是输出节日报时状态进行报时，报时后将此状态位屏蔽起来，然后返回正常走时状态。

如图9所示，正常走时延时程序块V8采用双级延时方式，可准确产生50～100Hz范围内的塔钟走时频率，为正常走时程序块所调用，在完成双级延时后返回正常走时程序块V4。此程序块V8设延时时间常数一级计数器，设延时时间常数二级计数器，二级计数器每次减1直到等于0，而后一级计数器减1后返回二级计数器重复运行直到此一级计数器也等于零，完成延时过程。

如图10所示，校对追时延时程序块V9采用单级延时方式，可产生1000～1500Hz范围内的对时频率，供顺向对时程序块V2，逆向对时程序块V3，顺向对时追时程序块V5，逆向对时追时程序块V6调用。本程序块在设定对时追时时间常数计数器后，一次将计数器减1，直到所设的计数器等于零，完成延时后分别返回顺向对时程序块V2，逆向对时程序块V3，顺向校对追时程序块V5，逆向校对追时程序块V6。

此控制软件连续不断地运行，完成走进、对时、追时、报时、照明、节日照明等控制过程，确保塔钟准确运行，用软件代替硬件，大大地简化了结构，控制方法可靠，精度高，可长期运行，在实践中取得了很好的效果。