【参赛】CDMA自动校时袖珍时钟 (支持语音呼叫)

gaochongjun1

        电子钟大家肯定比较熟悉，从各大超市到小街摊贩，无不有它们的身影。然而市面上的电子钟，基本都是一样，装上电池就标志着必须校调好时间，才能投入使用，如果中途断电，钟表就无法走时了，同时走时的误差也是一个不可避免的问题。

        针对这些问题，使用ATMEGA16+MC8331A制作了一款可以自动从手机基站获取标准原子时的时钟，这样就保证了时间的准确性。本机最不同于手机的一点在于即便是没有UIM电话卡，同样可以获取到标准时间，同时还实现了接打电话的功能及一些显示方面的设置，另外可以利用自带的TCP/IP协议栈轻易实现网络天气预报功能。

        整机成本不过百元，而市场上所说的“电波钟”，百元以下的产品我是没有找到。至于选择CDMA网络授时的原因，我们可以先看看短波、中长波授时台，我国只有一台——位于陕西天文台的国家授时中心，但其电波并没有覆盖到我国的所有领土，比如西部地区的高原，如果接收环境不好的话，根本无法进行授时；因此，信号不稳定是放弃电波授时台的原因。曾今试验过GPS授时，但是GPS需要一根笨重的天线才能保证室内信号的质量，因此并不适合袖珍时钟的制作。最后，选择了CDMA无卡授时，只要CDMA手机信号能覆盖到的地方，时钟都能正常工作，同时还实现了实现语言通话，一举两得。

       有人可能会问，现在的智能手机基本上带有从“网络获取时间”的功能，为什么还要有这样的一部时钟，其实随着电子设备的发展，现代的钟表更多的用途是作为一种装点的摆设，以及一目了然的时间显示，当然，手机是不能作为摆设放在什么地方的……
      
       最后一点，放出这个作品，是为了抛砖引玉，希望能引发更多的思维，同时也提供了一个交流的平台。要说作品和坛内的老前辈相比，实在是相差甚远，不敢匹及的，而且坛子的主题也是模电，不是数电，呵呵。

       时钟支持红外遥控，取消了所有按键，使机身更简洁。有3钟显示模式，包括经典模式、大字体模式、完整模式，可通过遥控器切换，并且将自动保存当前的显示模式。大字体模式显示见下文之图，非常适合我这样的近视眼使用。同时还支持实时温度显示，Zeller算法计算星期。

关于语言通话功能，时钟支持拨打电话，接听电话，同时提供显示当前的信号强度的界面。

授时原理：

图中，Client是终端（本机），server可以看成是服务器。整个授时过程可以说是本机与基站RTC两个时钟的校对。
开机时，MC8331A完成设置的读取及射频模块的初始化，开始搜索基站，并选择信号质量最优的基站连接，进行网络注册及身份验证，与基站成功握手后，实时读取基站上RTC的时间，时钟的时间就可以与标准原子时相校对了。至于没有UIM电话卡也能进行授时的原因是模块支持以漫游身份注册网络，并且重要的是没有身份模块验证机制，这一点是大多数手机所不能的。

MC8331A模块

具有自动开关LCD背光的功能，在白昼时自动关闭背光以节省耗电量（可设置）。




软件部分：
        使用BASCOM语言已经足够实现钟的所有功能，而且节省了开发时间。不过因为事情较多，业余时间较少，历时多个月，一点一点地构建起来。

关于源代码：
        源代码已上传，见百度网盘：http://pan.baidu.com/s/1reRiI
        编译环境BASCOM V2.0.1，按F7键编译生成hex文件，直接烧入单片机即可运行，单片机熔丝位设置见原理图。

MC8331A的基本控制指令：
        MC8331A采取的指令标准是中兴的AT指令标准，其具体内容可在《中兴模块AT指令手册》一文中找到。下面的控制指令在调试中可能会用到，因此贴在此处供参考。

        查询基站RTC时间：AT+CCLK?

        接通语音通话：ATD+电话号码+;   ，例如：ATD10000; 即可拨通电信10000号服务台。
        挂断语音通话：ATH
        接听呼叫       ：ATA

在使用电路前，必须先对模块波特率进行设置，方法如下：
        1、MC8331A模块的ON/OFF引脚与MCU连接。
        2、对模块波特率进行设置，将之前留出的RXD，TXD接入TTL转接器(如MAX232)，再通过串口接入电脑。计算机运行超级终端，打开串口，波特率115200，无数据流控制。这样接线的目的是单片机完成模块的复位启动，由电脑对模块进行操作。
        3、电路(MCU与MC8331A)上电，约3秒后，模块复位，屏幕出现+ZIND:8，约1秒后屏幕出现+ZIND:0。过一段时间后输入AT+CCLK?，回车，看到模块返回当前时间，则说明测试成功。
        4、键入AT+IPR=19200设置模块的USART波特率，回车，模块返回OK表完成设置。
        5、关闭整机电源，所有电路按下文图纸复原，重新打开整机电源，待系统初始化后，LCD正常显示时间，此后模块即可投入使用。

关于Zeller算法：
        用如此篇幅提出Zeller算法是有原因的，因为要满足Zeller算法，还有很多需要注意的地方，而网上的很多资料不完整，导致某些特殊的日期计算结果出错，下面把完整的计算方法写出来。
        蔡勒公式：W =〔 [c/4] - 2c + y + [y/4] + [13 * (m+1) / 5] + d - 1 〕% 7
        其中变量W为星期，c为世纪数，y为年数，m为月数，d为天数。
有两点需要特别注意的地方：第一个就是当年的1,2月要当成上一年的13,14月进行计算；第二个就是对于负数的取模运算，可以参考下面的BASIC代码，很容易翻译为c语言。

   While Intweek <= 7
      Intweek = Intweek + 7
   Wend

   Intweek = Intweek Mod 7
   Intweek = Intweek + 7
   Intweek = Intweek Mod 7


硬件部分：
        时钟使用的是ATMEGA16单片机+MC8331A C网模块，下图是之前测试时所拍摄的CDMA模块照片供参考：

MC8331A C网模块

MC8331A CDMA模块可在淘宝上购得，需要指出的是，GSM也有基站授时的服务，但误差比较大。

电路原理图

主控模块

C网模块

显示模块

传感器模块

电源模块

        时钟采用两块单面万能板叠加而成，两面都装有元器件，LCM与第一层板之间采用螺丝柱固定，保证整机的牢固性。MC8331A模块的焊接也是一个很令人头疼的问题，如果觉得力不从心的话，可以将插座拆去再飞线（注意不要拆坏焊盘）。由于机身太小，喇叭使用的是手机的10mm口径外放扬声器，实测虽然音量小了不少，但是还是足够听清对方的语音了。

        模块对电源要求比较严格(3.3~4.25V)，因此采用LTC3026高性能VLDO，在装这部分电路时，一定要注意电感线圈应远离C网模块，以免影响其射频性能，同时，单片机的时钟晶振引脚最好背对MC8331A射频区域PCB挖空区(见模块技术手册)。如果供电电压比较稳定的话，可以在VCC上串接大电流二极管代替VLDO。如果网络信号较差时，模块会自动增大射频发射功率，当功率最大时，通话电流可高达800mA（待机时电流在50mA左右）。如果供电小于8V,图中的7805稳压需要选择低压差的稳压块，如果供电小于5V，需要直通该部分电路。

       另外，图中的RV1的阻值需要根据LCD的显示效果进行调整，对比度越高，显示越清晰，所谓的“鬼影”也越清晰，反之亦然。

调试杂项：
        使用时发现如果红外接收头暴露在阳光直射下，输出信号拉低会导致触发下沿中断，MCU转去执行中断服务程序而导致走时暂时中断，解决这个问题很简单，在红外接收头前安装红外滤光片即可。
        关于通话质量，有一定需要说明，由于时钟机身比较小，驻极体麦克风与扬声器的放置位置直接关系到通话时回声的大小，具体可以根据实际测试与AT+ECHO指令相配合，最大限度保证语音通话的质量。
        另外一点调试的经验，电信的用户可以到营业室绑定对讲，这样调试语音通话就不用出电话费了。

红外遥控：
        现在高档些的时钟基本都有遥控功能。本机采用的是NEC编码的红外遥控器，这种遥控器一般来说市场上有售。

（遥控器背面无型号）

如果要采用其它遥控器的话，需要对程序进行一点修改，即酌情修改地址码、数据码。遥控解码程序位于INT0中断服务程序中，在BASCOM按Ctrl+G转到代码的第518行即可找到。

遥控器10/16进制数据码对照表(地址码128,0x80)

        Data code     hex                   Title
        -----------------------------------------------------
            18    |       0x12    |         (POWER)         
            26    |       0x1A    |         Mode               
            1      |       0x1      |         (Play/Pause)           
            4      |       0x4      |         EQ                    
            2      |       0x2      |         (forward)                  
            8      |       0x8      |         RPT               


简单地说明一下遥控器的使用方法：
        在时钟状态下时，按电源键可安全关闭时钟，按下“Mode”键可查询信号强度，按下“播放”键可切换显示模式，按下任意数字键或“EQ”键进入拨号盘
        在拨号状态下，按压“快进”键可删除光标前的一个数字，相当于退格，按下“EQ”键可清除电话号码，按压“RPT”键可拨通电话
        在通话状态下时，按压电源键可挂断电话，按压“RPT”可接听电话


总之，日后可改进的地方有很多，比如可以增加未接来电显示功能，天气预报功能等。其中天气预报正在内测中，目前还不太稳定。


补充内容 (2014-2-11 14:55):
走线在内部，见14楼

补充内容 (2014-4-19 12:29):
最后修订的源代码详见40，41，42，43楼，已修正全部已知bug。感谢大家的支持

gaochongjun1

相信大家对于天气预报功能比较感兴趣，这里做点简短的补充：

时钟使用的是MSN的开放天气服务API。用过Windows7系统的应该看到系统自带的”小工具“功能，内”天气“侧边栏用的就是这个API。

搜索某地的cityid：http://weather.service.msn.com/f ... a&weasearchstr=地区汉语拼音
注意搜索时必须使用该地名的汉语拼音，如搜索丽江则：
http://weather.service.msn.com/f ... easearchstr=Lijiang
该城市的cityid见字段weatherlocationcode

根据cityid读取该地的天气：http://weather.service.msn.com/d ... wealocations=cityid

API返回的是XML格式的数据单（测试时可以用浏览器打开）。首先对域名weather.service.msn.com进行动态解析，建立TCP通道，然后根据超文本传输协议将XML请求下来，再解析相关字段即可。字段skytextday是天气状况的英文表示，比如cloud,sunny等。

在这里附上天气代码的中文含义表：
26, 27, 28                                          "阴"
35, 39, 45, 46                                    "小雨"
19, 20, 21, 22                                    "雾"
29, 30, 33                                          "多云"
5, 13, 14, 15, 16, 18, 25, 41, 42, 43   "雪"
1, 2, 3, 4, 37, 38, 47                           "雷雨"
31, 32, 34, 36, 44                               "晴"
23, 24                                                "中到大风"
9, 10, 11, 12, 40                                 "中到大雨"
6, 7, 8, 17                                          "冰雹"

下面是返回数据的几个例子供参考：
find.aspx返回实例：

<weatherdata xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
<weather weatherlocationcode="wc:CHXX0382" weatherlocationname="Lijiang, CHN" zipcode="" weatherfullname="Lijiang, Yunnan, China" searchlocation="Lijiang, Yunnan, China" searchdistance="0" searchscore="0.95" url="http://local.msn.com/worldweather.aspx?eid=8084904&q=Lijiang-CHN&ctsrc=vista" imagerelativeurl="http://wst.s-msn.com/i/en-us/" degreetype="F" provider="Foreca" isregion="False" region="" alert="" searchresult="Lijiang, Yunnan, China" lat="23.5756492614746" lon="101.984260559082" entityid="8084904">
<current temperature="70" skycode="32" skytext="Clear"/>
</weather>
</weatherdata>

data.aspx返回实例：
<weatherdata xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
<weather weatherlocationcode="wc:CHXX0382" weatherlocationname="Lijiang, CHN" zipcode="" url="http://local.msn.com/worldweather.aspx?eid=8084904&q=Lijiang-CHN&ctsrc=vista" imagerelativeurl="http://wst.s-msn.com/i/en-us/" degreetype="F" provider="Foreca" attribution="Data provided by Foreca" attribution2="&#169; Foreca" lat="23.5827332" long="101.993515" timezone="8" alert="" entityid="8084904" encodedlocationname="Lijiang%2c+CHN">
<current temperature="70" skycode="32" skytext="Clear" date="2014-02-07" observationtime="11:00:00" observationpoint="Yuanjiang" feelslike="70" humidity="53" winddisplay="2 mph ENE" day="Friday" shortday="Fri" windspeed="2"/>
<forecast low="56" high="86" skycodeday="32" skytextday="Clear" date="2014-02-07" day="Friday" shortday="Fri" precip="2"/>
<forecast low="55" high="85" skycodeday="34" skytextday="Fair" date="2014-02-08" day="Saturday" shortday="Sat" precip="2"/>
<forecast low="57" high="87" skycodeday="30" skytextday="Partly Cloudy" date="2014-02-09" day="Sunday" shortday="Sun" precip="2"/>
<forecast low="57" high="88" skycodeday="30" skytextday="Partly Cloudy" date="2014-02-10" day="Monday" shortday="Mon" precip="10"/>
<forecast low="58" high="88" skycodeday="30" skytextday="Partly Cloudy" date="2014-02-11" day="Tuesday" shortday="Tue" precip="25"/>
<toolbar timewindow="60" minversion="1.0.1965.0"/>
</weather>
</weatherdata>

gaochongjun1

gaochongjun1 发表于 2014-2-7 14:32
相信大家对于天气预报功能比较感兴趣，这里做点简短的补充：

时钟使用的是MSN的开放天气服务API。用过Wi ...

还有一点，AVR单片机片内RAM实在是小得可怜，以至于处理这些字符串还需要使用动态遍历的方法。

66718

高人，加分支持。

我个人的观点：手机模块一直工作静态耗电比较大，这个时钟可不可以这样改一下，平时关闭模块，靠单片机自己走时，降低功耗，每天固定的某个时间开启模块，获取基站时间，修正单片机走时的误差。

这样是不是更省电一点？

gaochongjun1

66718 发表于 2014-2-7 16:40
高人，加分支持。

我个人的观点：手机模块一直工作静态耗电比较大，这个时钟可不可以这样改一下，平时关 ...

这是个省电的好办法

不过麻烦的是这样就无法接听电话了，其实模块的待机电流也不高。

houker

这个很强大，支持一下。

gaochongjun1

LKPN 发表于 2014-2-9 10:30
这个作品好，专门注册进来顶楼主的，希望楼主能获大奖！

谢谢，有空多交流交流

szlz61

这个技术含量高，可惜曲高和寡，

gaochongjun1

szlz61 发表于 2014-2-11 07:35
这个技术含量高，可惜曲高和寡，

“曲高和寡”不敢当，不过我真后悔把这个东西发上来

以后还是多发点模电方面的东西吧。

worldly_guest

厉害，顶！

gaochongjun1

2549608436 发表于 2014-2-11 13:58
得！
又来了一个大奖得主在考验评委们的智商了！！
还是开了光的一尊玩具。

背景那是失误

源代码在楼上，东西也不复杂，呵呵

gaochongjun1

LCD,MC8331A什么的走线走到后面去了，大家不要误会啊……
废话不多说，上图

szlz61

gaochongjun1 发表于 2014-2-11 13:50
“曲高和寡”不敢当，不过我真后悔把这个东西发上来

以后还是多发点模电方面的东西吧。

模电技术含量高的同样。