基于单片机的GPS时间校准设计说明.docx
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基于单片机的GPS时间校准设计说明
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基于单片机的GPS时间校准设计
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2020年6月13日
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
Abstract
ThispaperintroducesthehardwarestructureoftheelectroniccalendarbasedonSTC89C52single-chipmicrocomputerandthehardwareandsoftwaredesignmethod.ThisdesignbythedSTCadisplaymodule,GPSmodule,timeprocessingmoduleandkeyinputmoduleoffourmodules.SystemwithSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecontroller,withDS1302clockchipDS1302calendarcalendarandtime,itcanbeforyears,months,days,hours,minutes,secondstime,alsohasaleapyearcompensSTCionandother.
Keywords:
singlechip,theclockchip,temperSTCuresensor,1602liquidcrystaldisplay
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STC89C52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部时钟信息的研究。
以及运用GPS模块进行时间数据与卫星的自动同步。
主要容包括：
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作为主控单片机，时钟模块选用DS1302作为时钟芯片，温度模块选用DS18B20作为温度传感器，显示模块选用LCD1602，设置部分选用按键电路。
STC89C52与MCS-51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：
0Hz～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UART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MC146818B、DS12887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；DS1302中自带有锂电池，外部掉电时，其部时间信息还能够保持10年之久；对于一天的时间记录，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，并可对其部的三路中断通过软件进行屏蔽。
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。
目前GPS模块的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GPS模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GPS模块性能最优，价格也要比采用MTK或者MSTAR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时钟芯片部分、LCD1602液晶显示部分、GPS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、LCD1602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，片含8kBytesISP（In-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STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC89C52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片程序存储器，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，片时钟振荡器。
另外，STC89C52可降至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。
STC89C52共有四个8位的并行I/O口：
P0、P1、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口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，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，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，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STC89C52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。
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10-30μF，51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，则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部有一个31×8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：
图5.4DS1302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=0，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RAM进行数据传送时，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相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RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的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DS1302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。
100μF就可以保证1小时的正常走时。
DS1302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：
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。
1602LCD主要技术参数：
1.显示容量:
16×2个字符
2.芯片工作电压:
4.5—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:
2.95×4.35（W×H）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RS和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：
D0～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。
2.3.31602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块部的控制器共有11条控制指令，如表2-2所示：
表2-2
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据容
表2-2字符控制命令说明：
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。
（说明：
1为高电平、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。
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S:
屏幕上所有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RAM地址设置。
指令8：
DDRAM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=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
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：
图2-7读操作时序
图2-8写操作时序
2.3.41602LCD的RAM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的部显示地址。
图2-9液晶部显示地址
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液晶模块部的字符发生存储器（CGROM）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”。
图2-10字符代码与图形对应图
2.3.51602LCD的一般初始化（复位）过程
1.延时15mS
4.写指令38H（不检测忙信号）
5.延时5mS
8.写指令38H（不检测忙信号）
9.延时5mS
13.写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
15.写指令38H：
显示模式设置
17.写指令08H：
显示关闭
19.写指令01H：
显示清屏
22.写指令06H：
显示光标移动设置
25.写指令0CH：
显示开及光标设置
2.3.61602LCD的电路连接
图2-111602的电路连接
2.4GPS模块VK2828U7G5LF部分
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。
在本次设计采用了设计要求的VK2828U7G5LF模块，这个模块主芯片是UBX-G7020-KT，通过串口通信与单片机相连接，当使他工作的时候，就会开始定位，并将数据通过串口送给单片机，数据遵守NMEA0183协议，里面有时间、位置、地面速度信息等，我们可以直接对送过来的数据进行解读，就可以获取我们所先要的时间信息。
1.正常工作条件：
2.RF射频属性:
3.NMEA0183协议
NMEA0183输出
GGA：
时间、位置、定位类型
GLL：
经度、纬度、UTC时间
GSA：
GPS接收机操作模式，定位使用癿卫星，DOP值
GSV：
可见GPS卫星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）
RMC：
时间、日期、位置、速度
VTG：
地面速度信息
MSS：
信号强度等
注意：
输出癿信息、频率不设置有关
样例数据:
$GPGGA,060826.00,2236.91284,N,11403.24705,E,2,08,1.03,107.8,M,-2.4,M,,0000*4A
$GPGSA,A,3,24,22,14,12,15,25,18,42,,,,,2.20,1.03,1.95*01
$GPGSV,3,1,11,12,31,117,47,14,30,290,46,15,19,060,42,18,70,010,45*78
$GPGSV,3,2,11,21,47,207,,22,40,326,43,24,44,036,43,25,24,159,42*70
$GPGSV,3,3,11,31,03,218,,42,51,128,35,50,46,122,45*4E
$GPGLL,2236.91284,N,11403.24705,E,060826.00,A,D*66
$GPRMC,060827.00,A,2236.91267,N,11403.24701,E,0.001,,130214,,,D*79
$GPVTG,,T,,M,0.029,N,0.054,K,D*2C
4.样例数据详解
GGA样例数据：
$GPGGA,060826.00,2236.91284,N,11403.24705,E,2,08,1.03,107.8,M,-2.4,M,,0000*4A
序号
名称
样例
单位
描述
0
消息ID
$GPG
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