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基于单片机的GPS时间校准设计
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基于单片机的GPS时间校准设计
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2017年4月21日
摘要：
3
Abstract4
第一章概述5
1.1实时时钟研究的背景及意义5
1.2论文主要研究内容5
1.2.1系统设计实现的目标5
1.2.2系统的总体设计5
第二章硬件电路设计7
2.1单片机控制部分7
2.2DS1302时钟芯片部分10
2.3LCD1602液晶显示部分12
2.5.21602引脚功能说明12
2.5.31602LCD的指令说明及时序13
2.5.41602LCD的RAM地址映射及标准字库表14
2.5.51602LCD的一般初始化（复位）过程16
2.4.61602LCD的电路连接16
2.4GPS模块VK2828U7G5LF部分16
第三章软件部分设计21
3.1按键程序流程图23
结束语32
致谢词33
参考文献34
附录35
硬件原理图与PCB图35
源程序：
36
摘要：
本文介绍了基于STC89C52单片机的多功能电子万年历的硬件结构和软硬件设计方法。
本设计由数据显示模块、GPS模块、时间处理模块和按键输入模块四个模块组成。
系统以STC89C52单片机为控制器，以DS1302时钟日历芯片DS1302记录日历和时间，它
可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。
GPS模块采用
了VK2828U7G5LF万年历采用直观的数字显示，数据显示采用1602液晶显示模块，可
以在LCD1602上同时显示年、月、日、周日、时、分、秒，和GPS模块的工作模式。
此
万年历具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，具有广阔的市场前景。
关键字：
单片机,时钟芯片,温度传感器,1602液晶显示器
design
calendar
crystal
Abstract
ThispaperintroducesthehardwarestructureoftheelectroniccalendarbasedonSTC89C52single-chipmicrocomputerandthehardwareandsoftwaremethod.ThisdesignbythedSTCadisplaymodule,GPSmodule,timeprocessingmoduleandkeyinputmoduleoffourmodules.SystemwithSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecontroller,withDS1302clockchipDS1302calendarandtime,itcanbeforyears,months,days,hours,minutes,secondstime,alsohasaleapyearcompensSTCionandother.
Keywords:
singlechip,theclockchip,temperSTCuresensor,1602liquiddisplay
第一章概述
1.1实时时钟研究的背景及意义
在现实我们生活中每个人都可能有自己的时钟，光阴在永不停息的流逝，有了时钟人们就能随着时间有计划的过着每一天。
然而现在绝大部分的时钟有的需要不断地跟换电池，有些时钟需要外接电源，如果一旦电池没电或者外接电源无法供电，时钟就会停止计时了。
而美国DALLAS公司的新型时钟日历芯片DS1302就能解决这一问题。
该器件能提供实时时钟
（RTC/日历、定时闹钟。
少于31天的月份，月末日期可自动调整，其中包括闰年补偿。
该器件还可以工作于24小时货代/PM指示的12小时格式。
一个精密的温度补偿电路用来监视Vcc的状态。
还有就是一旦时间数据出现错误，我们总是手动的进行调整时间数据，比较麻烦，那么，一款不用手动调整，自动校准的实时时钟势必在行。
本时钟还具有环保、走时无噪音、低功耗等非实时时钟不具有的功能。
该实时时钟不但可以作为家用，而且更可以在公共场合使用，如车站、码头、商场等场所。
1.2论文主要研究内容
1.2.1系统设计实现的目标
本文是以实时时钟芯片DS1302和STC89C5单片机为主要研究对象，着重进行51单片机控制系统的设计研究和如何读取DS1302内部时钟信息的研究。
以及运用GP模块进行时间数据与卫星的自动同步。
主要内容包括：
1.年月日星期时分秒显示；
2.手动年月日星期时分秒调整；
3.自动年月日星期时分秒调整；
1.2.2系统的总体设计
采用STC89C52乍为主控单片机，时钟模块选用DS1302乍为时钟芯片，温度模块选用
DS18B20乍为温度传感器，显示模块选用LCD1602设置部分选用按键电路。
STC89C5与MCS-5单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
OHz〜33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定
时器/计数器八个中断源、全双工UAR串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
DS1302实时时钟芯片功能丰富，可以用来直接代替IBMPC上的时钟日历芯片DS12887,
同时，它的管脚也和MC146818BDS12887相兼容。
由于DS1302能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”
问题；DS130冲自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于
一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。
用户还可对DS1302进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。
GPSI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。
目前GP鴻块的GPS芯片大部分还是采用全球市占率第一的SiRFIII系列为主。
由于GPSI块采用的芯片组不一样，性能和价格也有区别，采用SIRF三代芯片组的GP模块性
能最优，价格也要比采用MT或者MSTA等GPS芯片组的贵很多。
第二章硬件电路设计
本次设计主要有单片机主控部分、DS1302寸钟芯片部分、LCD160液晶显示部分、GP模块、按键输入部分。
整体硬件框图如下：
本系统以STC89C52单片机为核心，本系统选用11.0592MHZ的晶振，，使得单片机有
合理的运行速度。
起振电容30pF对振荡器的频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性影响较合适，复位电路为按键高电平复位。
下面简单的介绍一下单片机控制部分、DS1302部分、LCD160部分以及GPS
模块。
2.1单片机控制部分
STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8k
ByteslSP（ln-systemprogrammable的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，
器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C5刑为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC89C5具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。
另外，STC89C5酣降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直
到下一个中断或硬件复位为止
STC89C5共有四个8位的并行I/O口：
P0P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0〜P0.7,P1.0〜P1.7,P2.0〜P2.7,P3.0〜P3.7,共32根I/O线。
每根线可以单独用作输入或输出。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模
式下，P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字
节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，pl输出缓
冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入
（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲
器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地
址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使
用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口
输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓
冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为STC89C5特殊功能使用，在
flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
单片机的引脚图如图3.3
所示。
T2/P1.0
i
40
vcc
二］P0.O/ADO
T2N/P1.1
2
Pt£
3
g1/AD1
PL3
4
37
PO.3/AD2
Pl.4
S
36
PH3/A&3
Pl.5
e
35
P0.4/AO4
Pl.6
7
PO.5/AD5
Pl.7
33
F0.
RST
弓
3?
FQ.ZMDT
RKD/P3.0
10
31
—
二
EA
TKD/P3.1
IHT0/P3,2
11
12
30
29
ALE/PROGFSBN
IMT1/P3-3
13
2宮
F2.7/A16
TQ/F3.4
14
27
T1/P3-5
L
35
26
F2.5/A13
WPS.6
匚
16
25
1P2.4M12
RD/P3.7匚
17
24
IFX3M11
XTAL2
1»
23
P2.2M10
XTAL1
匚
19
22
F2.1/A9
VS?
匚
20
21
□P2.0/A»
图3.3STC89C52单片机引脚图
单片机最小系统，是指用最少的元件与单片机组成的可以工作的系统。
对
52单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
单片机接口电路主要用来连接计算机和其他外部设备，各功能模块及原理如下：
复位电路：
单片机最小系统复位电路的极性电容C3的大小直接影响单片机
的复位时间，一般采用10-30^F51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
单片机工作之后，只要在RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效地复位。
CS-51单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。
这里采用按键复位和上电复位两种电路结合。
晶振电路：
典型的晶振取11.0592MHZ或者12MHZ，晶振越大，贝U单片机的处理速度越快，考虑到本次设计的通信问题，采用了11.0592MHZ晶振。
单片机的最小起振电容C1,C2一般采用15-33pF,并且电容离晶振越近越好。
单片机最小系统的设计电路如图3.4所示。
图3.4单片机最小系统的设计电路
2.2DS1302时钟芯片部分
DS1302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、周日、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31X8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/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302的引脚排列，其中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俞入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST俞入有两种功
能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST
提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
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Vcc>2.5V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始终是输入端。
DS1302的引脚图如图5.4所示：
甘CC2匚
~~
18
3郢OCT
XI匸
27|
□gCLK
X2匚
36
JI/O
gndE
45
□RST
图5.4
DS1302
引脚图
调试中问题说明：
DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB（D7必须为逻辑1,如果D7=Q则禁止写DS1302即写保护；
D6=0,指定时钟数据，D6=1,指定RAM数据；D5-D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB（D0）为逻辑0,指定写操作（输入），D0=1，指定读操作（输出）。
在DS1302的时钟日历或RAMt行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。
若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。
DS1302与RAM!
关的寄存器分为两类：
一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H-FDH其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAh寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM勺31个字节。
要特别说明的是备用电源B1，可以用电池或者超级电容器（0.1F以上）。
虽然DS130在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。
可以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。
如果断电时间较短（几小时或几天）时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。
100卩F就可以保证1小时的正常走时。
DS130在第一次加电后，必须进行初始化操作。
初始化后就可以按正常方法调整时间。
原理图如图3-9所示：
实吋时钟111路
（ND
2.3LCD1602液晶显示部分
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,本设计采用16列
*2行的字符型LCD1602带背光的液晶显示屏。
1602LCE主要技术参数：
1.显示容量:
16X2个字符
2.芯片工作电压45—5.5V
3.工作电流：
2.0mA（5.0V）
4.模块最佳工作电压:
5.0V
5.字符尺寸:
2.95X4.35（WXH）mm
2.3.21602引脚功能说明
各引脚接口说明如表所示：
表2-1
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表2-1:
引脚接口说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比
度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当R醐R/W共同为
低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7〜14脚：
DO〜D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
2331602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-2所示:
表2-2
表2-2字符控制命令说明：
（说明：
1为高
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
电平、0为低电平）指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位，光标返回到地址00H。
S:
屏幕上所有
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向，高电平右移，低电平左移
文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4:
显示开关控制。
D:
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显
示C:
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B:
控制光标是
否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7:
字符发生器RAMfe址设置。
指令&DDRA地址设置。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，
R/W=HE=H
输出
D0-D7=犬态字
写指令
输入
RS=L
R/W=L,DO—。
7=指令码，E镐脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H
R/W=H，E=H
输出
D0—。
7=数据
写数据
输入
RS=H
R/W=L，DO—D7=数据，E镐脉冲
输出
无
表2-3
基本操作时序表
读写操作时序如图2-7和2-8所示:
2.3.41602LCD的RA地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模
块在哪里显示字符，图2-9是1602的内部显示地址。
LCD
16TX2|t
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
OF
10
27
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
50
67
图2-9液晶内部显示地址
例如第二行第一个字符的地址是40H那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行
第一个字符的位置呢？
这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实
际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B（80H）=11000000B（C0H）。
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGRQM已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图
10-58所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）,
显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
hF
-ciftia
aaneiocitfti
□11*3
di门
llMHi
101Ql
11M
■1frl
1114
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