基于GPS的精确电子日历毕业设计.doc
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1、 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与各管脚的连接与执行情况,详细阐述了GPS授时系统中的授时模块,包括GPS授时的同步利
2、用方式和GPS接受端的数据输出形式以与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与主要程序。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与其调试过程,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;AT89C52;LCD1602;DS1302AbstractWith the development of
3、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 the requirements of modern industrial production
4、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.This design use the AT89S52 microcontroller on the
5、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 precision clock module chip function and the pin conn
6、ection 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,to read the purpose of the GPS information and on
7、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 DS1302 clock chip is used to solve GPS signal or
8、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 prospects. Keywords:High precision clock;GPS receiver m
9、odule;AT89C52;LCD1602;DS1302目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 选题意义和论文任务11.2 国外研究以与趋势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AT89C5232.1.2 GPS接收模块42.1.3时钟芯片DS130252.1.4 显示模块LCD160262.2 硬件设计总体思路72.3 硬件电路设计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
10、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授时模块的形式与流程图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、流程图与注释153.4.1 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 DS1
11、302的晶振频率204.5 误差分析20第五章 总结21参考文献22致23附录2453 / 58第一章 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,为了做到统部统一的管理和调度,整个系统对时间的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、同步锁定与车站、码头、机场、宾馆与户外广场等场合的时间显示。GPS性
12、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。、抗干扰。GPS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一样的本机伪码因具有较强的性,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
13、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的这段传输延迟去掉。本次设计的任务是在查阅国资料的基础上了解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与闹钟值,显示方面采用LCD1602显示时间。1.2 国外研究以与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 O
14、EM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、交通管理与国防等需要对时、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、提供给用户的接口与输出信息。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,但是其成本
15、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、流程图以与主要程序。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DS1302进行计时并用LCD1602显示的主
16、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与调试过程。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。第二章 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,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT
17、89C52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的最小系统4。图2.1 AT89C52的最小系统2.1.2 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
18、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、地址)、文字信息(短讯文字、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,$GPVTG,$LCGLL,$LCVTG,$PGRME,$PGRMF,$PGRMT,$PGRMV,$GPGLL。不同的语句中传送的信息不同,由于“$GPGGA”语句数据格式输出的第一位数据就是所需要的时间数据,利于单片机对时间信息的接收处理,因此本接收机授时系统采用
19、“$GPGGA”“$GPRMC”格式输出时间数据7。$GPGGA(Global Positioning System Fix Data(GGA)语句格式如下:$GPGGA, UTC时间,hhmmss(时分秒)格式 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 纬度半球N(北半球)或S(南半球) 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 经度半球E(东经)或W(西经) GPS状态:0=未定位,1=非差分定位,2=差分定位,6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量(00-12)(前面的0也将被传输) HDOP水平精度因子(0.5-99.9) 海拔高度(-9999.9-
20、99999.9) 地球椭球面相对水准面的高度 差分时间(从最近一次接收到差分信号开始的秒数,如果不是差分定位将为空) 差分站ID号0000-1023$GPRMC(Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data(RMC)语句格式如下:$GPRMC, 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
21、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=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
22、RAM数据。DS1302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。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。R
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