1、基于 GPS 的精确电子日历设计基于 GPS的精确电子日历设计摘 要随着时代的发展，生活节奏的加快，人们的时间观念愈来愈强，设计开发数字时钟具有良好的应用前景。然而传统的时间服务方式越来越难以满足现代工业化生产实践对时间的要求。在 GPS 的高速发展下，其授时功能已日益被人们所关注 1。由于单片机价格的低成本、高性能，在自动控制产品中得到了广泛的应用。本设计利用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机对电子时钟进行开发，设计了实现所需功能的硬件电路，应用 C 语言进行软件编程，并用实验板进行演示、验证。本论文主要介绍构成 GPS 高精度时钟的各模块芯片的功能及各管脚的连接与执行情况，详细阐
2、述了 GPS 授时系统中的授时模块，包括 GPS 授时的同步利用方式和 GPS 接受端的数据输出形式以及 GPS 模块与单片机之间的连接通信，来达到读取 GPS 信息并且在 LCD1602 上显示时间的目的。本文给出了从 GPS 模块读取的数据中截取时间数据并和单片机之间进行传输显示的流程图及主要程序。考虑到接受 GPS 信号的问题上，本系统将加入一个DS1302 时钟芯片用来解决 GPS 信号中断或者信号强度太低导致读取不到数据的问题。最后，本文描述了 GPS 高精度时钟在设计和实现过程中可能出现的问题及其调试过程，并对该模块实际应用上的展望。关键字：高精度时钟；GPS 接收模块；AT89C
3、52；LCD1602；DS1302AbstractWith the development of The Times, the accelerating rhythm of life ,peoples concept of time becomes more and more strong,therefore, design and development digital clock has a good application prospect.However, traditional way of time service is increasingly difficult to meet
4、 the requirements of modern industrial production practice of the time. In the rapid development of GPS, the GPS clock function is increasingly attention by people.Because of the price of low-cost, high-performance single chip microcomputer has been widely used in automatic control of the products.T
5、his design use the AT89S52 microcontroller on the electronic clock of Atmel company development,implements the required function of the hardware circuit is designed,application C language for software programming and demonstration, validation with the test board. This paper introduces a GPS high pre
6、cision clock module chip function and the pin connection with the implementation,GPS timing GPS clock module in the system are expounded in detail,including GPS timing synchronization using method and GPS receiving the data output form and the connection between the GPS module and MCU communication,
7、to read the purpose of the GPS information and on the LCD1602 display time. The data read from the GPS module are given in this paper the interception time data and transmission between MCU and shows the flow chart and main program.Considering the received GPS signal problems,this system will join a
8、 DS1302 clock chip is used to solve GPS signal or the signal strength is too low, lead to cant read data.Finally, this article describes the GPS high precision clock possible problems in the process of design and implementation and debugging process, and the module on the practical application prosp
9、ects. Keywords:High precision clock;GPS receiver module;AT89C52;LCD1602;DS1302 基于 GPS 的精确电子日历设计目 录摘 要Abstract第一章 绪论 .11.1 选题意义和论文任务 .11.2 国内外研究以及趋势 .11.3 论文结构 .2第二章 GPS 高精度时钟的硬件设计 .32.1 系统主要芯片选型 .32.1.1 微处理器 AT89C52 .32.1.2 GPS 接收模块 .42.1.3 时钟芯片 DS1302 .52.1.4 显示模块 LCD1602.62.2 硬件设计总体思路 .72.3 硬件电路设计
10、 .82.3.1 GPS 接受模块和单片机的连接 .82.3.2 LCD1602 和单片机的连接 .92.3.3 按键模块和单片机的连接 .102.3.4 时钟芯片 DS1302 和单片机的连接 .10第三章 GPS 高精度时钟的软件设计 .113.1 GPS 授时系统的同步利用方式 .113.1.1 脉冲同步方式 .113.1.2 串行同步方式 .113.2 GPS 授时模块的形式及流程图 .123.3 LCD1602 的显示操作 .143.3.1 读状态操作 .143.3.2 写命令操作 .143.3.3 LCD 初始化 .143.4 GPS 高精度时钟主要程序、流程图及注释 .153.4
11、.1 主程序流程图 .153.4.2 初始化程序 .163.4.3 按键检测程序 .173.4.4 DS1302 的读写程序 .183.4.5 LCD1602 的读写程序 .19第四章 调试过程 .204.1 GPS 接收信息强度 .204.2 GPS 和单片机的通信 .204.3 程序运行 .204.4 DS1302 的晶振频率 .204.5 误差分析 .20第 5章 总结 .21参考文献 .22致谢 .23附录 .24浙江理工大学本科毕业设计（论文）1第 1章 绪论1.1 选题意义和论文任务随着科技的飞速进步，我国电力系统自动化技术快速发展，为了做到统内部统一的管理和调度，整个系统对时间的
12、统一性要求越来越高，同时对时间的同步精度要求也越来越高。互联网领域在世界各地分布着成千上万的服务器，计算机监控系统、数据采集系统、大型网络服务器系统、移动通信网络系统都需要统一的高精度时间以便管理。GPS时钟具有工作稳定、时间精度高、安全可靠、无需人工校时维护等优点广泛应用于广播电视系统的时间授时、同步锁定及车站、码头、机场、宾馆及户外广场等场合的时间显示。GPS性能特点： 可以全球全天候工作。GPS能为用户提供连续、实时的位置、三维速度和精密时间。 定位精度高。三维位置定位精度优于25米，三维速度精度优于住0.3米/秒，时间精度100纳秒，采用载波测距定位精度可达厘米级。 保密、抗干扰。GP
13、S卫星发射的P码精测码扩频信号，比高灵敏度接收机所能接收的最低信号电平还低几十个分贝。用户接收机为了解扩频接收信号，必须产生与信号中扩频伪码相同的本机伪码因具有较强的保密性，此外利用P码良好的相关特性还可增强用户接收机抗电子干扰的能力。在许许多多的精密研究中，绝不允许时间上的过多偏差，为了提高时钟的精确度，需要引入 GPS 信号，每 个 GPS 卫 星 上 都 有 2-3 个 高 精 度 的 原 子 钟 ， 这 几 块 原 子 钟互 为 备 份 的 同 时 ， 也 互 相 纠 正 。 另 外 GPS 信 号 中 自 带 了 误 差 纠 正 码 ， 接 收 端 可 以很 容 易 的 把 延 迟
14、的 这 段 传 输 延 迟 去 掉 。本 次 设 计 的 任 务 是 在查阅国内资料的基础上了解 GPS 的原理和功能，了解单片机的原理和软件编程方法，设计单片机最小系统、键盘电路、显示电路、闹钟电路。本系统采用 AT89C52 作为主控制器，为了防止 GPS 无信号或者信号弱照成无数据输出，附加了时钟芯片 DS1302 充当第二时钟源，加入按键电路用来设定时间值以及闹钟值，显示方面采用 LCD1602 显示时间。基于 GPS 的高精度时钟设计21.2 国内外研究以及趋势传统的时间服务方式越来越难以满足现代工业化生产实践对时间的要求。随着GPS的发展，其授时功能已日益被人们所关注。利用GPS
15、OEM接收模块，进行二次研制开发实现实时时钟系统，具有精度高、无积累误差，不受地域、气候等环境条件限制，操作方便等特点。GPS时钟可广泛应用于电力系统、通讯、交通管理及国防等需要对时、计时、守时的相关领域 2。目前，市场上基于GPS的同步时钟系统种类非常多，但扩展的内容和接口各有不同，各个时钟系统所用的中心处理模块也各有特色。总体上说各种GPS同步时时钟的差别主要在于其时间的精准度、提供给用户的接口及输出信息。从处理器上大体可分为两大类型，一种是FPGA型，一种是单片机型。前者是基于FPGA实现的，FPGA 能够用硬件实现各功能模块并行执行，其速度远远超过单片机。所以这种系统一般精确度要高，但
16、是其成本也比较高。后一种主要是通过单片机对GPS信号进行采集，再转换成约定的格式输出给用户。由于单片机是由串行软件指令控制的，所以其体系结构将在很大程度上影响同步时种系统的精确度，使其误差相对比较大。1.3 论文结构第一章，详细论述了 GPS 高精度时钟的优越性，同时探讨了 GPS 的应用前景，进而提出了本论文的研究任务。第二章，给出了 GPS 高精度时钟设计的主要芯片选型，详细论述了 GPS 模块的NEMA0183 协议，并以此协议进行数据截取输出。第三章，给出了 GPS 接受模块进行截取数据的原理、流程图以及主要程序。第四章，给出了在 GPS 无信号或信号强度太弱时采用时钟芯片 DS130
17、2 进行计时并用 LCD1602 显示的主要程序。第五章，描述了本系统在设计和实现过程中出现的问题及调试过程。第六章，对全文进行系统的总结，并对 GPS 时钟的研究应用进行展望。浙江理工大学本科毕业设计（论文）3第 2章 GPS 高精度时钟的硬件设计2.1 系统主要芯片选型2.1.1 微处理器 AT89C52AT89C52 是 51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公
18、司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合 3。 AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。下图 2.1 为 AT89C52
19、 的最小系统 4。图 2.1 AT89C52 的最小系统基于 GPS 的高精度时钟设计42.1.2 GPS 接收模块GPS 模块就是集成了 RF 射频芯片、基带芯片和核心 CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。所谓的基带芯片就是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码。具体地说，就是：发射时，把音频信号编译成用来发射的基带码；接收时，把收到的基带码解译为音频信号。同时，也负责地址信息（手机号、网站地址） 、文字信息（短讯文字、网站文字） 、图片信息的编译。GPS 接收端可输出的语句数据格式有$GPGGA，$GPGSA ，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$LC
20、GLL，$LCVTG，$PGRME，$PGRMF，$PGRMT，$PGRMV ，$GPGLL 。不同的语句中传送的信息不同，由于“$GPGGA”语句数据格式输出的第一位数据就是所需要的时间数据，利于单片机对时间信息的接收处理,因此本接收机授时系统采用“$GPGGA” “$GPRMC”格式输出时间数据 7。$GPGGA（Global Positioning System Fix Data（GGA） ）语句格式如下：$GPGGA,UTC 时间，hhmmss （时分秒）格式纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）经度 dddmm.mmmm（
21、度分）格式（前面的 0 也将被传输）经度半球 E（东经）或 W（西经）GPS 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算正在使用解算位置的卫星数量（00-12） （前面的 0 也将被传输）HDOP 水平精度因子（0.5-99.9）海拔高度（-9999.9-99999.9）地球椭球面相对大地水准面的高度差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）差分站 ID 号 0000-1023浙江理工大学本科毕业设计（论文）5$GPRMC（Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC） ）语句格式如下：$GPR
22、MC,UTC 时间，hhmmss （时分秒）格式定位状态，A=有效定位，V=无效定位纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）经度半球 E（东经）或 W（西经）地面速率（000.0-999.9节，前面的0也将被传输）地面航向（000.0-359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输）UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式磁偏角（000.0-180.0度，前面的0也将被传输）磁偏角方向，E（东）或 W（西）模式指示（仅 NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D =
23、差分，E =估算，N=数据无效）2.1.3 时钟芯片 DS1302DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM 寄存器 。DS1302 是 DS1202的升级产品，与 DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力,下图2.2为 DS1302的引脚图。基
24、于 GPS 的高精度时钟设计6图 2.2 DS1302 的引脚图DS1302 的引脚中 Vcc1 为后备电源， Vcc2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于Vcc1+0.2V 时，Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄
25、存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 Vcc2.0V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电平时，才能将RST 置为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端(双向)，SCLK 为时钟输入端。DS1302 的控制字如下图2.3所示,控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入 DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取 RAM 数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。图 2.3 DS1302 的控制字节2.1.4 显示模块 LCD1602LCD显示器分为字段显示和字符显示两种，可采用LCD1602作为显示器件输出信息，可以显示2行16个汉字。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、不需要外加驱动电路等优点，是单片机应用设计中最常用的显示器件，下图2.4为LCD1602的引脚图。
