大型塔鐘的控制裝置和方法
2023-09-19 19:58:30 1
專利名稱：大型塔鐘的控制裝置和方法
技術領域：
本發明涉及塔鐘的控制裝置和方法，特別是大型塔鐘的微機控制裝置和方法。
到目前為止，塔鐘的控制裝置和方法均採用下述兩種方式一是採用石英振子母鍾機芯產生計時脈衝，經硬體電路進行信號放大、分頻、驅動單向或三相步進電機，控制塔鍾走時;報時、照明等功能則是採用機械開關、光電感應元件來實現的。這種控制方式的硬體結構複雜，驅動能力小，造價高，當塔鍾鐘盤直徑很大時，這種系統就無法適應;二是採用小型石英鐘作為母鍾，用光電感應元件跟蹤母鍾鍾針，通過控制直流或交流電機實現塔鐘的走時，採用機械開關、交電感應元件來實現照明、報時功能。這種方式比第一種有所進步，但是仍然存在著結構複雜、造價昂貴、可靠性差、故障率高等缺點。
本發明的目的是提供一種結構簡單、運行可靠、計時精度高、驅動能力大的能適應大型塔鍾控制要求的控制裝置和方法。
按照本發明，採用微型計算機作為主控制單元組成簡單的控制裝置，通過控制軟體來實現塔鐘的走時、對時、追時、延時，同時完成報時和照明功能。由於軟體不會有機械磨損等故障，因此可靠性高。
按照本發明，採用一個小型高精度石英鐘作為輔助的校準裝置，確保塔鍾高精度走時。
按照本發明，採用軟體產生計時脈衝並進行五相分頻，以驅動大功率五相步進電機，取代複雜的硬體分頻電路，從而大大地提高了塔鍾運行的可靠性和驅動能力。
按照本發明，微型機可採用廉價的單片機、單板機，也可採用一般的工業控制機，取代複雜的硬體結構電路，因此結構簡單、性能穩定可靠、造價低。
按照本發明的控制裝置，由微機CPU模塊、脈衝計數模塊、I/O開關量模塊、鍵盤顯示板、接口電路模塊、電平轉換電路、塔鍾步進電機驅動裝置、操作盤、報時裝置、照明裝置及校準鐘相互聯結而成。將校準鍾、電平轉換電路、脈衝計數模塊、微機CPU模塊、I/O開關量模塊、接口電路模塊順序串接起來，將鍵盤顯示板接到微機CPU模塊上，將操作盤和接口電路模塊相接，接口電路模塊還和脈衝計數模塊相聯，並分別連接著塔鍾驅動裝置、報時裝置和照明裝置。
按照本發明，塔鍾控制裝置的控制過程是通過控制軟體來實現的。由微機CPU通過軟體產生塔鍾走時脈衝信號，又通過軟體對此信號進行五相分頻，經過I/O開關量模塊和接口電路與步進電機驅動器即塔鍾驅動裝置相聯控制步進電機，帶動減速箱，驅動塔鍾鍾針走時。
按照本發明的塔鍾校準方法是，將校準鐘的計時脈衝信號引出，經過電平轉換電路，把1.5V的脈衝信號轉換成+5V的脈衝信號，脈衝計數模塊接收這一信號，記錄校準鍾每小時的計時脈衝數。當計數模塊計滿校準鐘的每小時計時脈衝量時，發出一個輸出信號給CPU模塊，CPU通過I/O開關量模塊接到此信號後，將塔鐘的實際走時脈衝量與校準鐘的走時脈衝量進行比較，根據比較結果對塔鍾進行校準，確保塔鍾準確走時，與此同時，將規定的報時時間、照明時間分別與當時的走時時間進行比較，滿足報時條件的，通過I/O開關量模塊和接口電路模塊啟動塔鍾報時裝置進行報時;滿足照明條件的，啟動照明裝置進行照明。
鍵盤顯示板用於向微機CPU輸入必要的參數和啟動軟體運行。
塔鍾操作盤用於控制塔鐘的各種功能，微機CPU通過檢測操作盤的各種信號狀態來實現各種控制功能。
按照本發明，塔鍾控制裝置的控制過程是通過控制軟體來實現的，本發明將控制軟體設計成模塊結構，整個軟體由9個程序塊所構成，包括主控程序塊、順向對時程序塊、逆向對時程序塊、正常走時程序塊、順向校對追時程序塊、逆向校對追時程序塊、正常延時程序塊、校對追時延時程序塊。
主控程序塊的功能是對I/O開關量模塊和脈衝計時模塊進行初始化，然後對這兩個模塊清零，將當前的整點值以16進位數送入指定的內存單元，以備後續程序調用，然後對由操作盤通過接口電路模塊及I/O開關量模塊送來的狀態信號進行檢測，判斷是對時還是正常計時狀態。根據判斷結果分別進入對時程序塊或正常走時程序塊。
對時程序塊分順向對時程序塊和逆向對時程序塊，用於在塔鍾正常運行前的當時時間對時。該程序塊按照步進電機要求的相序產生軟分頻功能。這些程序塊的頻率由對時追時延時程序塊所確定，步進電機每運行一個周期，對操作盤的各種操作狀態位檢測一次，以確定下一步的工作狀態，執行相應的功能。
正常走時程序塊按照步進電機的相序產生軟分頻功能。走時頻率是由正常延時程序塊經過嚴格的計算和試驗確定的。按照本發明，塔鐘的正常走時頻率不採用1Hz而採用50～100Hz範圍內的任一種頻率，此頻率由正常走時延時程序塊產生，這樣能使塔鍾運行平穩，減小慣性。步進電機每運行一個周期，均對由計數模塊通過I/O模塊送入的「每小時時間到」狀態進行檢測，確定下一步程序的走向。如果沒有接到「每小時時間到」狀態位，則繼續走時;如果接收到「每小時時間到」狀態位，則將當時時間與預定的報時和照明時間進行比較，如當時時間在規定時間內，則執行報時或照明功能，然後轉到順向校對追時程序塊或逆向校對追時程序塊;如果當時時間不在規定時間內，則直接轉入順向校對追時程序塊或逆向校對追時程序塊。這兩個程序塊的校對對時的時間是由塔鍾在前一時間內與當時時間這一小時內所走過的計時脈衝數T1與由校準鍾所走過的計時脈衝T2進行比較而確定的如果T1＞T2，則為逆向校時，如果T1＝T2，則返回正常走時程序塊;如果T1＜T2，則為順向校時。用這種方法使塔鍾走時與校準石英鐘走時之間保持絕對同步。報時和照明時間可按實際情況需要來選定。
節日報時程序塊是專門用於在重大節日時實現零點報時功能的。
正常走時延時程序塊採用雙級延時方式，通過計算和試驗可準確地產生50～100Hz範圍內的頻率送入正常走時程序塊。校對追時延時程序塊採用單級延時方式，通過計算可產生1000～1500Hz範圍內的任一頻率。
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
圖1是本發明的控制裝置的一種實施方案的系統原理框圖。
圖2是主控程序塊V1的流程框圖。
圖3是順向對時程序塊V2的流程框圖。
圖4是逆向對時程序塊V3的流程框圖。
圖5是正常走時程序塊V4的流程框圖。
圖6是順向校對追時程序塊V5的流程框圖。
圖7是逆向校對追時程序塊V6的流程框圖。
圖8是重大節日報時程序塊V7的流程框圖。
圖9是正常延時程序塊V8的流程框圖。
圖10是校對追時延時程序塊V9的流程框圖。
如圖1所示的大型塔鍾微機控制裝置，由微機主機CPU模塊u1、脈衝計數模塊u2、I/O開關量模塊u3、鍵盤顯示板u4、接口電路板模塊u5、電平轉換電路u6、塔鍾操作盤u7、步進電機驅動裝置u8、塔鍾報時裝置u9、塔鍾照明裝置u10和校準鍾u11組成，即順次將標準鍾u11、電平轉換電路u6、脈衝計數模塊u2、主機CPU模塊u1、I/O開關量模塊u3、接口電路板模塊u5串接起來，再將脈衝計數模塊u2連接到接口電路板模塊u5，將操作盤顯示板u4連接到微機CPU模塊u1上，接口電路板模塊u5還分別連接著塔鍾驅動裝置u8、塔鍾報時裝置u9和塔鍾照明裝置u10。
這裡的主機CPU模塊u1可以採用單片機，例如MCS-51系列單片機;也可以採用單板機，例如TP801單板機;也可以採用一般工業控制機，例如TP805工業控制機。採用單板機或單片機作為主機時，應製作相應的脈衝計數模塊u2，I/O開關量模塊u3，接口電路板模塊u5等。採用工業控制機作主機CPU模塊u1時，則機器本身均有上述模塊，不必另行製作。
校準鍾u11可採用各種類型的小型高精度石英鐘，此石英鐘的走時精度決定了塔鐘的走時精度。
鍵盤顯示板u4用於輸入必要的參數並啟動軟體運行。
塔鍾操作盤u7用於控制塔鐘的各種功能，主機CPU模塊u1通過檢測操作盤u7的各種信號狀態來實現各種控制功能。
按照圖1所示的實施方案，此種控制裝置的控制過程是這樣來實現的主機CPU模塊u1通過控制軟體(見附件)產生塔鍾走時脈衝信號，並對此信號進行五相分頻，經過I/O開關量模塊u3和接口電路模塊u5與塔鍾步進電機驅動裝置u8，控制步進電機帶動減速箱驅動塔鍾走時，實現走時功能。
如圖1所示，將校準鍾u11的走時脈衝信號引出，經過電平轉換電路u6把1.5V信號轉換成+5V的脈衝信號，送入脈衝計數模塊u2，記滿規定的脈衝數後，向主機CPU輸出一個信號，主機CPU接此信號後，將塔鐘的實際走時脈衝數T1與校準鐘的走時脈衝數T2進行比較，根據比較結果，通過I/O開關量模塊u3和接口電路板模塊u5，或是啟動報時裝置u9進行報時，或是啟動照明裝置u10進行照明，或是進行校準。
圖2～圖10為實現本發明的控制方法的控制軟體流程框圖。
本發明的控制過程是用控制軟體來實現的。主機CPU通過此控制軟體產生塔鍾走時脈衝信號，又通過控制軟體對步進電機進行五相分頻，經過I/O開關量模塊u3和接口電路模塊u5驅動塔鍾走時。此控制軟體為模塊式結構，由主控程序塊V1、順向對時程序塊V2、逆向對時程序塊V3、正常走時程序塊V4、順向校對追時程序塊V5、逆向校對追時程序塊V6、重大節日報時程序塊V7、正常延時程序塊V8、校對追時延時程序塊V9所組成。
如圖2所示，主控程序塊V1的功能是對I/O開關量模塊u3和脈衝計數模塊u2進行初始化，對這兩個模塊清零，將當時對時的整點值以16進位數送入指定的內存單元(2500H)，以備後續程序調用，接著此程序塊反覆檢測塔鍾作盤u7通過接口電路板模塊u5和I/O開關量模塊u3送來的狀態信號，根據所檢測到的狀態位，分別轉入順向對時程序塊V2、逆向對時程序塊V3或正常走時程序塊V4。如果檢測到的是順向對時狀態位，就轉入順向對時程序塊V2，如果不是，再檢測是否為逆向對時狀態位，如果是，就轉入逆向對時程序塊V3，如果不是，再檢測是否為正常走時狀態位，如果是，就轉入正常走時程序塊V4，如果不是，進入下一輪檢測。
如圖3所示，當程序由主控程序塊V1轉入順向對時程序塊V2後，V2開始運行。順向對時程序塊V2的功能是按照步進機要求的相序產生軟分頻，順向驅動步進電機運轉一周，而後對塔鍾操作盤u7的各狀態位檢測一次，根據檢測結果，分別再次順向驅動步進電機運轉一周、或轉入逆向對時程序塊V3或轉入正常走時程序塊V4、或返回主控程序塊V1的檢測程序。
如圖4所示，當程序由主控程序塊V1或順向對時程序塊V2轉入逆向對時程序塊V3時，該程序塊就開始運行。逆向對時程序塊V3的功能是按步進電機要求的相序產生軟分頻，逆向驅動步進電機運轉一周，然後對塔鍾操作盤u7的各狀態位檢測一次，根據檢測結果分別再次逆向驅動步進電機運轉一周，或轉入順向對時程序塊V2，或轉入正常走時程序塊V4或返回主控制程序塊V1的檢測程序，即當檢測到逆向對時狀態位時，返回本程序塊開始處，再次逆向驅動步進電機運轉一周;當檢測到的是順向對時狀態位時就轉向順向對時程序塊V2;當檢測到正常走時狀態位時，轉向正常走時程序塊V4，這三種狀態位都未檢測到時，就返回主控程序塊V1的檢測程序。
如圖5所示，當程序由主控制程序塊V1或順向對時各序塊V2或逆向對時程序塊V3轉入正常走時程序塊V4時，就啟動正常走時程序。正常走時程序塊V4的功能是將小時脈衝計數值送入脈衝計數模塊u2，然後正常驅動步進電機運行一個周期，並檢測「每小時時間到」校準狀態位，根據檢測結果，或繼續正常走時，或進入順向校對追時程序塊V5，或進入逆向校對追時程序塊V6，或執行報時、照明控制，或轉入重大節日報時程序塊V7。即如果未檢測到「每小時時間到」校準狀態位就繼續正常走時;如檢測到此狀態位，則將塔鍾計數值T1與由校準鍾u11所走過的計時脈衝數值T2進行比較，如果T1＜T2，則轉入順向校對追時程序塊V5;如果T1＞T2，則轉入逆向校對追時程序塊V6;如果T1＝T2，則檢測由脈衝計數模塊u2通過I/O模塊送入的「每小時時間到」狀態，如果未檢測到此狀態位，則繼續走時，當檢測到「每小時時間到」狀態，則將當時時間C與預定的報時和照明時間進行比較，如果當時時間C在規定的時間範圍內，即低限報時值＜C＜高限報時值，就輸出報時信號後返回;而低限照明值＜C＜高限照明值，則輸出照明信號後返回;如檢測到重大節日報時狀態位，則轉入重大節日報時程序塊V7，完成報時控制後返回。
如圖6所示當程序由正常走時程序塊V4轉入順向校對追時程序塊V5時，就啟動順向校對追時程序，此程序塊V5執行順向驅動步進電機運行一周，然後判斷校準鍾u11的脈衝計數值T2和塔鐘的脈衝計數值T1的差是否等於零。如果T1-T2＝0，則返回正常走時程序塊V4，如果T1＜T2，則繼續執行本程序塊，直到T1-T2＝0，返回正常走時程序塊V4。
如圖7所示，當程序由正常走時程序塊V4轉入逆向校對追時程序塊V6時，就啟動逆向校對追時程序，此程序塊執行逆向驅動步進電機運行一周，然後判斷校準鐘的脈衝計數值T2和塔鍾脈衝計數值T1之差是否等於零，如果等於零，就返回正常走時程序塊V4，如果還不等於零，則繼續循環執行本程序，直到T1-T2＝0，返回正常走時程序塊V4。
如圖8所示，當程序由正常走時程序塊V4轉入重大節日報時程序塊V7時，就執行重大節日報時，此程序塊的功能是輸出節日報時狀態進行報時，報時後將此狀態位屏蔽起來，然後返回正常走時狀態。
如圖9所示，正常走時延時程序塊V8採用雙級延時方式，可準確產生50～100Hz範圍內的塔鍾走時頻率，為正常走時程序塊所調用，在完成雙級延時後返回正常走時程序塊V4。此程序塊V8設延時時間常數一級計數器，設延時時間常數二級計數器，二級計數器每次減1直到等於0，而後一級計數器減1後返回二級計數器重複運行直到此一級計數器也等於零，完成延時過程。
如圖10所示，校對追時延時程序塊V9採用單級延時方式，可產生1000～1500Hz範圍內的對時頻率，供順向對時程序塊V2，逆向對時程序塊V3，順向對時追時程序塊V5，逆向對時追時程序塊V6調用。本程序塊在設定對時追時時間常數計數器後，一次將計數器減1，直到所設的計數器等於零，完成延時後分別返回順向對時程序塊V2，逆向對時程序塊V3，順向校對追時程序塊V5，逆向校對追時程序塊V6。
此控制軟體連續不斷地運行，完成走進、對時、追時、報時、照明、節日照明等控制過程，確保塔鍾準確運行，用軟體代替硬體，大大地簡化了結構，控制方法可靠，精度高，可長期運行，在實踐中取得了很好的效果。
權利要求
1.一種大型塔鐘的控制裝置，其特徵在於本裝置由微型計算機主機CPU模塊u1、脈衝計數模塊u2、I/O開關量模塊u3、鍵盤顯示板u4、接口電路板模塊u5、電平轉換電路u6、塔鍾操作盤u7、步進電機驅動裝置u8、塔鍾報時裝置u9、塔鍾照明裝置u10和校準鍾u11所相互連接而成，即順次將標準鍾u11、電平轉換電路u6、脈衝計數模塊u2、主機CPU模塊u1、I/O開關量模塊u3、接口電路板模塊u5串接起來，再將脈衝計數模塊u2連接到接口電路板模塊u5，將操作盤顯示板u4連接到主機CPU模塊u1上，接口電路板模塊u5分別連接著塔鍾驅動裝置u8、塔鍾報時裝置u9和塔鍾照明裝置u10。
2.根據權利要求1所述的塔鍾控制裝置，其特徵在於所述的主機CPU模塊u1採用單片機，例如MCS-51系列單片機。
3.根據權利要求1所述的塔鍾控制裝置，其特徵在於所述的主機CPU模塊u1採用單板機，例如TP801單板機。
4.根據權利要求1所述的塔鍾控制裝置，其特徵在於所述的主機CPU可採用一般工業控制機的CPU模塊，例如TP805工業控制機。
5.根據權利要求1所述的塔鍾控制裝置，其特徵在於所述的校準鍾u11可採用小型高精度石英鐘。
6.根據權利要求1所述的塔鍾控制裝置，其特徵在於所述的步進電機採用大功率五相步進電機。
7.一種大型塔鐘的控制方法，其特徵在於通過控制軟體來實現控制過程，由主機CPU通過此控制軟體產生塔鍾走時脈衝信號，以通過控制軟體對步進電機進行五相分頻，經過I/O開關量模塊u3和接口電路模塊u5，到達塔鍾驅動器，驅動塔鍾走時，此控制軟體為模塊式結構，由主控制程序塊V1、順向對時程序塊V2、逆向對時程序塊V3、正常走時程序塊V4、順向對時追時程序塊V5、逆向對時追時程序塊V6、重大節日報時程序塊V7、正常延時程序塊V8、校對追時延時程序塊V9所組成。
8.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的主控程序塊V1對I/O開關量模塊u3和脈衝計數模塊u2進行初始化，對這兩個模塊清零，將當時對時的整點值以16進位數送入指定的內存單元(2500H)，檢測塔鍾操作盤u7通過接口電路模塊u5和I/O開關量模塊u3送來的狀態信號，根據所檢測到的狀態位，分別轉入順向對時程序塊V2、逆向對時程序塊V3或正常走時程序塊V4。
9.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的順向對時程序塊V2按照步進電機要求的相序產生軟分頻，順向驅動步進電機運轉一周，然後對塔鍾操作盤u7的各狀態位檢測一次，根據檢測結果分別再次順向驅動步進電機運轉一周，或轉入逆向對時程序塊V3或轉入正常走時程序塊V4或返回主控程序塊V1的檢測程序。
10.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的逆向對時程序塊V3按照步進電機要求的相序產生軟分頻，逆向驅動步進電機運轉一周，然後對塔鍾操作盤u7的各狀態位檢測一次，根據檢測結果分別再次逆向驅動步進電機運轉一周，或轉入順向對時程序塊V2或轉入正常走時程序塊V4或返回主控制程序塊V1的檢測程序。
11.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的正常走時程序塊V4將小時脈衝計數值送入脈衝計數模塊u2，然後正常驅動步進電機運行一周期，檢測「每小時時間到」校準狀態位，根據檢測結果，或繼續正常走時，或進入順向校對追時程塊V5、或進入逆向校對追時程序塊V6、或執行報時、照明控制，或轉入重大節日報時程序塊V7。
12.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的順向校對追時程序塊V5執行順向驅動步進電機運行一周，然後判斷校準鍾u11的脈衝計數值T2和塔鐘的脈衝計數值T1的差是否等於零，如果T1-T2＝0，則返回正常走時程序塊V4，如果T1-T2≠0，則繼續循環執行本程序，直到T1-T2＝0後返回正常走時程序塊V4。
13.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的逆向校對追時程序塊V6執行逆向驅動步進電機運轉一周，然後判斷校準鍾u11的脈衝計數值T2和塔鍾脈衝計數值T1之差是否等於0，如果T1-T2＝0，則返回正常走時程序塊V4;如果不等於0，則繼續循環執行本程序塊，直到T1-T2＝0後返回正常走時程序塊V4。
14.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的重大節日報時程序塊V7輸出節日報時狀態位進行報時，報時後將此狀態位屏蔽起來，而後返回正常走時狀態。
15.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的正常走時延時程序塊V8採用雙級延時方式，經計算準確產生50～100Hz範圍內的塔鍾走時頻率，為正常走時程序塊V4所調用，在完成延時後返回正常走時程序塊V4。
16.根據權利要求7所述的塔鍾控制方法，其特徵在於所述的校對追時延時程序塊V9採用單級延時方式，可產生1000～1500Hz範圍內的對時頻率，完成延時後分別返回順向對時程序塊V2、逆向對時程序塊V3、順向校對追時程序塊V5、逆向校對追時程序塊V6。
全文摘要
本發明涉及一種大型塔鐘的微機控制裝置和方法。該裝置用微機CPU作為主控單元U
文檔編號G04G3/00GK1050098SQ9010809
公開日1991年3月20日 申請日期1990年9月28日 優先權日1990年9月28日
發明者廖振勇, 李蒙, 馬連柱, 張一兵 申請人:鞍山鋼鐵公司, 鞍鋼機械製造公司設計研究所