GPS模塊在打鈴控制器中的應(yīng)用

摘要：設(shè)計(jì)了基于GPS集成模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)的自動(dòng)校時(shí)打鈴控制器。單片機(jī)通過對(duì)GPS集成模塊E531的串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到實(shí)時(shí)格林威治時(shí)間，然后經(jīng)過時(shí)區(qū)調(diào)整轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。將其作為打鈴控制器的時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)本地時(shí)鐘DS1302進(jìn)行校準(zhǔn)。在GPS有效捕獲衛(wèi)星信號(hào)時(shí)可以及時(shí)得到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，當(dāng)GPS模塊捕獲衛(wèi)星信號(hào)失效時(shí)可以通過本地時(shí)鐘繼續(xù)工作，這樣既保持了時(shí)間的準(zhǔn)確性又保證了控制器工作的連續(xù)性。
關(guān)鍵詞：GPS；打鈴控制器；格林威治時(shí)間；單片機(jī)；本地時(shí)鐘

定時(shí)打鈴器廣泛應(yīng)用于工廠、車站、學(xué)校、機(jī)關(guān)、部隊(duì)等企事業(yè)單位實(shí)現(xiàn)作息打鈴。目前打鈴控制系統(tǒng)主要有兩種形式，一種為使用計(jì)算機(jī)聲卡輸出打鈴信號(hào)，利用串口控制打鈴設(shè)備的電源。另一種以單片機(jī)為核心輔助時(shí)鐘芯片構(gòu)成的定時(shí)打鈴器。由于計(jì)算機(jī)控制的打鈴器使用的靈活性差及價(jià)格較高因此市場(chǎng)占有率較低，而單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成的打鈴器使用靈活且操作方便因此在市場(chǎng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前單片機(jī)為核心的打鈴器主要利用時(shí)鐘芯片作為定時(shí)基準(zhǔn)，因此時(shí)鐘芯片晶振選擇的好壞直接影響到時(shí)間精度，但即使選擇再好的晶振系統(tǒng)總是存在誤差。隨著時(shí)間的推移累積誤差將越來越大，因此要求隔一段時(shí)間對(duì)時(shí)鐘必須進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。這樣無形中增加了打鈴器的應(yīng)用復(fù)雜性，也給人們對(duì)打鈴器的信任度大打折扣。為了解決該問題本文提出了一種利用GPS信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)源的方案，它省去了人為校時(shí)，并始終和北京基準(zhǔn)時(shí)間處于基本同步狀態(tài)。

1 控制器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以C8051F330D為主控芯片，供電范圍為2．7～3．6 V，集成有24．54 MHz可±2％的精度調(diào)節(jié)的振蕩器，同時(shí)內(nèi)置8k Flash存儲(chǔ)器和768字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不需外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片，可方便地構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單片機(jī)讀取E531數(shù)據(jù)從而獲得標(biāo)準(zhǔn)的格林威治時(shí)間，將格林威治時(shí)間加上八小時(shí)即得到標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間。用該時(shí)間對(duì)DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片校時(shí)，這樣DS1302的時(shí)鐘始終不會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)電源停止時(shí)DS1302利用備用電源在低功耗下計(jì)時(shí)，一旦系統(tǒng)上電DS1302會(huì)得到新的校時(shí)信息，從而保證了時(shí)間的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。打鈴驅(qū)動(dòng)部分采用繼電器輸出，這樣可以適應(yīng)不同的電鈴電源接口。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
考慮到打鈴器的使用方便，系統(tǒng)電源由交流220 V供電，內(nèi)部通過開關(guān)電源得到DC5V電源。系統(tǒng)中打鈴控制繼電器由DC5V供電，C8051F 330D單片機(jī)、DS1302和E531模塊均為3．3 V電源。電路中采用低壓差線性穩(wěn)壓芯片AS1117—33CX作為電源轉(zhuǎn)換模塊，其電路如圖2所示。輸入DC5V電壓輸出直流3．3 V最大電流負(fù)載為800 mA，其內(nèi)部主要由啟動(dòng)、偏置和過熱過流保護(hù)電路以及功率管及其驅(qū)動(dòng)電路組成。當(dāng)系統(tǒng)電流大于1．4 A或芯片溫度大于140℃時(shí)電源將自動(dòng)進(jìn)行過流和過熱保護(hù)可以保證后級(jí)芯片和電路的安全。

2．2 控制器時(shí)間基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)
控制器時(shí)間基準(zhǔn)主要由GPS接收模塊和時(shí)鐘芯片DS1302兩部分電路組成。GPS即全球定位系統(tǒng)，主要由空間部分、控制部分和用戶部分組成。用戶部分是各種定位工具的主要構(gòu)成核心也就是常說的GPS接收模塊。按照接收模塊的不同用途主要分為測(cè)地型型接收模塊、導(dǎo)航型接收模塊和定時(shí)型接接收模塊。在本控制器中采用GPS接收模塊E531用作定時(shí)型方式。E531為12通道的GPS接收模塊，可以同時(shí)跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星；它具有兩個(gè)CMOS電氣特性的串行接口，波特率可由軟件設(shè)置為4 800、9 600、19 200等；串口0輸入輸出為NMEA0183協(xié)議的ASCII語句，串口1為二進(jìn)制協(xié)議。E531的接口定義如圖3所示，單片機(jī)僅需與其中的串口0的TX0、RX0、復(fù)位和硬件喚醒4根連線即可。