基于GPS的数字时钟设计.docx

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基于GPS的数字时钟设计

摘要

伴随着GPS技术的广泛应用，基于GPS技术的数字时钟开始在人们的生产生活中得到越来越广泛的应用。

本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程,详细阐述了程序的各个模块和实现过程。

本设计以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心。

本文的主导思想是软硬件相结合，使用C语言程序来实现对各功能模块的控制。

为了增加了程序的可读性和可移植性,本系统使用C语言进行程序设计。

为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。

系统使用AT89C51单片机作为主控芯片，使用DS1302芯片作为主控时钟芯片，使用GPS模块实现对数字时钟时间的校对，并使用1602液晶显示屏进行显示。

本系统使用Proteus进行仿真，并且达到了预期的效果。

关键词：

AT89C51单片机;数字时钟;DS1302;GPS;1602液晶屏

Abstract

AlongwiththerapiddevelopmentofGPStechnology,theelectronicclockbasedonGPStechnologybegantoplaymoreandmoreimportantroleinourdailylife.

Thispaperfirstlydescribesthesystemhardwareworkingprinciple,eachaccompaniedbyadiagramofthesystemstructureoftheelucidation,introducesthissystembytheapplicationofthehardwareinterfacetechnologyandthefunctionofeachinterfacemoduleandtheworkingprocess,andsecondly,expoundedtheprogrammodulesandrealizationprocess.Thisdesignwithdigitalintegratedcircuittechnologyasthefoundation,microcontrollertechnologyasthecore.Inthispaperthecompilingprincipleiscombiningsoftwarewithhardware,basedonthepreparationofthefunctionalmodules.

ThesystemtakesmicrocontrollerClanguagesoftwaredesign,increasedthereadabilityofourprogramsandportability,tofacilitatetheexpansionandchange,thedesignofsoftwaremodularstructure,maketheprogramdesignoflogicalrelationshipmoreconcise.SystemthroughAT89C51formicrocontroller,soithasthehighspeed.ThesystemusesDS1302forgettingtime.ThroughusingGPS,sothesystemcanproofreadtime.Systemthrough1602LCDdisplaydataforcarrier,sohasthehumanizedoperateandbeautifulpageeffect.

ThesystemhasbeentestedsuccessfullyinProteusplatform.

Keywords:

AT89C51microcontroller;digitalclock;DS1302;GPS;1602LCD

1绪论

1.1GPS数字时钟出现的背景

从古代的滴漏到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进着计时工具。

钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。

目前常用的实时时钟，很多采用单片机的中断服务来实现，这种方式一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许；有的则使用并行接口的时钟芯片，如MC146818、DS12887等，它们虽然能满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂，占用地址、数据总线多，芯片体积大，占用空间多，给其它设计带来诸多不便。

同时当前市面上的数字时钟也存在一个问题，如果时间出现不准，数字时钟不能自动的进行校时；不同地区的时区不一样，当前的简易时钟不能自动的进行时间调整，这样就不能满足人们的高要求。

DS1302数字时间芯片出现使得数字时钟技术产生了跨越式的发展。

DS1302的后背电源及对后背电源进行涓细电流充电的能力保证电路断电后仍能保存时间和数据信息等。

这些优点解决了目前常用的实时时钟所无法解决的问题。

同时，由于采用先进的GPS模块，它能自动的搜索卫星，每隔一段时间它能自动对时间进行调整，同时能自动适应不同时区的要求。

GPS数字时钟强大的功能和优越的性能，在很多领域的应用中，尤其是某些自动化控制、长时间无人看守的测控系统等对时钟精确性和可靠性有较高要求的场合，具有很高的实用价值。

1.2GPS数字时钟出现的意义

GPS数字时钟系统是大型场馆重要构成局部之一，其重要作用是为场馆人员提供准确的时间服务，也可为盘算机系统及其它强电子系统提供标准的时间源，使各系统的时间同步。

例如，在场馆中使用GPS数字时钟系统，可以为不同场馆区域提供相同的授时标准，为各场馆办公室及其它场馆区域的工作人员提供精确的时间信息；在大型体育场中，可以为计时记分系统和其它信息显示系统提供精确的时间信息，保障了场馆系统运转的高效、稳定；同时，GPS数字时钟系统也可以向场馆全部弱电子系统和计算机提供准确的时钟信号。

由此可见，GPS数字时钟系统的出现，使为不同地域工作的人们提供统一精确的授时成为可能，并且将会得到更为广泛的应用。

1.3GPS数字时钟的应用

GPS数字时钟将会越来越广泛地应用于个人家庭以及车站，码头，剧场，办公室等公共场所，给人们的生活，学习工作带来极大的方便。

由于GPS数字时钟具有走时准确，性能稳定，携带方便等优点，它还用于计时，自动报时及自动控制等各个领域。

2系统电路设计

2.1系统总体设计思路

此设计原理框图如图2-1，模块一般包括以下几个部分：

键盘、单片机、GPS模块，时间芯片及显示模块。

图2-1系统总体设计图

各部分功能如下：

（1）单片机核心控制电路作为该GPS数字时钟的控制部分

（2）DS1302芯片负责提供实时的时间数据

（3）GPS模块负责为整个系统提供准确的校对时间

（4）键盘控制部分负责提供基本指令的输入及人机交互

（5）1602LCD提供显示界面

2.2设计方案选择

在系统的方案选定时，考虑到AT89C51单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低的优点，1602液晶屏幕可以完整地显示数据及文字等内容，同时GPS已经具有成熟可靠的模块。

所以我们选用AT89C51作为系统的主控芯片，使用1602液晶屏幕作为系统的显示模块，同时采用DS1302作为主时钟芯片，使用GPS模块完成系统的校时功能。

2.3功能介绍

本次设计主要用单片机控制DS1302芯片来产生时间信息，让单片机来接收它，并且在液晶上显示当前时间，同时使用GPS模块实现系统的校时功能。

调整时间用三个调整按钮，分别定义为模式选择，减少，增加按钮。

在调整时间过程中，首先要调节模式设置按钮，在显示屏上会在对应位置开始闪烁。

例如，要调节月份，先调节模式设置按钮，如果看到对应位置开始闪烁，此时就可以调节减少和增加按钮对其进行调试。

当用户需要使用GPS校对时间时，只需要按动键盘上的“校对”按键，就可以实现对时间的自动更新。

同时，用户也可以通过相应的按键来手动地调整时间，实现对时间信息的更新。

2.4工作原理

设计的电路主要由四大模块构成：

DS1302电路，单片机控制电路，显示电路，GPS校正电路以及键盘电路。

单片机采集DS1302输出的时间，经过处理后直接送到1602LCD上显示。

用户使用按键产生中断，单片机检测到中断可以进行时间的调整。

同时，用户也可以通过按键让单片机直接采集GPS产生的时间信息，实现对时间的准确校正。

3系统单元电路设计

3.1单片机电路设计

3.1.1单片机综述

AT89系列单片机是ATMEL公司生产的。

这是当前最新的一种电擦写8位单片机，与MCS-51系列完全兼容，有超强的加密功能，可完全替代87C51/52和8751/52。

它物美价廉，深受用户欢迎。

与87C51相比，AT89系列的优越性在于，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现；数据不易挥发，可保存10年；编程/擦除速度快，全4K字节编程只需时3s，擦除时间约用10ms；AT89系列了实现在线编程；也可借助电话线进行远距离编程。

AT89C51是一种低功耗、高性能内含4K字节闪电存储器（FlashMemory）的8位CMOS微控制器。

这种器件系以ATMEL高密度不挥发存储技术制造，与工业标准MCS-51指令系统和引脚完全兼容。

片内闪电存储器的程序代码或数据可在线写入，亦可通过常规的编程器编程。

例如，MP-100这样一种经济型的编程器，它支持通用EPROM等各种存储器、PAL、GAL以及INTEL、ATMEL和PHILIPS等各公司的全系列51单片机的编程。

ME5103和ME5105仿真器支持AT89系列所有器件的调试、仿真和编程。

AT89C51具有下列主要性能：

（1）4KB可改编程序Flash存储器（可经受1，000次的写入/擦除周期）

（2）全静态工作：

0Hz～24MHz

（3）三级程序存储器保密

（4）128X8字节内部RAM

（5）32条可编程I/O线

（6）2个16位定时器/计数器

（7）6个中断源

（8）可编程串行通道

（9）片内时钟振荡器

另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。

在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。

3.1.2AT89C51的引脚及功能

AT89C51单片机的管脚说明如图3-1所示:

图3-1AT89C51的管脚

（1）主电源引脚

Vcc电源端

GND接地端

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

XTAL2接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。

采