GPS模塊在打鈴控制器中的應用

摘要：設計了基于GPS集成模塊和單片機最小系統的自動校時打鈴控制器。單片機通過對GPS集成模塊E531的串行口進行數據采集，得到實時格林威治時間，然后經過時區調整轉換為標準北京時間。將其作為打鈴控制器的時間基準對系統本地時鐘DS1302進行校準。在GPS有效捕獲衛星信號時可以及時得到標準時間，當GPS模塊捕獲衛星信號失效時可以通過本地時鐘繼續工作，這樣既保持了時間的準確性又保證了控制器工作的連續性。
關鍵詞：GPS；打鈴控制器；格林威治時間；單片機；本地時鐘

定時打鈴器廣泛應用于工廠、車站、學校、機關、部隊等企事業單位實現作息打鈴。目前打鈴控制系統主要有兩種形式，一種為使用計算機聲卡輸出打鈴信號，利用串口控制打鈴設備的電源。另一種以單片機為核心輔助時鐘芯片構成的定時打鈴器。由于計算機控制的打鈴器使用的靈活性差及價格較高因此市場占有率較低，而單片機最小系統構成的打鈴器使用靈活且操作方便因此在市場中具有很大的優勢。目前單片機為核心的打鈴器主要利用時鐘芯片作為定時基準，因此時鐘芯片晶振選擇的好壞直接影響到時間精度，但即使選擇再好的晶振系統總是存在誤差。隨著時間的推移累積誤差將越來越大，因此要求隔一段時間對時鐘必須進行手動校準。這樣無形中增加了打鈴器的應用復雜性，也給人們對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信號作為時鐘基準源的方案，它省去了人為校時，并始終和北京基準時間處于基本同步狀態。

1 控制器結構總體設計
系統以C8051F330D為主控芯片，供電范圍為2．7～3．6 V，集成有24．54 MHz可±2％的精度調節的振蕩器，同時內置8k Flash存儲器和768字節的數據存儲器不需外擴存儲芯片，可方便地構成單片機最小系統。系統結構如圖1所示。

單片機讀取E531數據從而獲得標準的格林威治時間，將格林威治時間加上八小時即得到標準的北京時間。用該時間對DS1302實時時鐘芯片校時，這樣DS1302的時鐘始終不會偏離標準北京時間。當系統電源停止時DS1302利用備用電源在低功耗下計時，一旦系統上電DS1302會得到新的校時信息，從而保證了時間的連續性和準確性。打鈴驅動部分采用繼電器輸出，這樣可以適應不同的電鈴電源接口。

2 硬件結構設計
2．1 系統電源設計
考慮到打鈴器的使用方便，系統電源由交流220 V供電，內部通過開關電源得到DC5V電源。系統中打鈴控制繼電器由DC5V供電，C8051F 330D單片機、DS1302和E531模塊均為3．3 V電源。電路中采用低壓差線性穩壓芯片AS1117—33CX作為電源轉換模塊，其電路如圖2所示。輸入DC5V電壓輸出直流3．3 V最大電流負載為800 mA，其內部主要由啟動、偏置和過熱過流保護電路以及功率管及其驅動電路組成。當系統電流大于1．4 A或芯片溫度大于140℃時電源將自動進行過流和過熱保護可以保證后級芯片和電路的安全。

2．2 控制器時間基準電路設計
控制器時間基準主要由GPS接收模塊和時鐘芯片DS1302兩部分電路組成。GPS即全球定位系統，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地型型接收模塊、導航型接收模塊和定時型接接收模塊。在本控制器中采用GPS接收模塊E531用作定時型方式。E531為12通道的GPS接收模塊，可以同時跟蹤多達12顆GPS衛星；它具有兩個CMOS電氣特性的串行接口，波特率可由軟件設置為4 800、9 600、19 200等；串口0輸入輸出為NMEA0183協議的ASCII語句，串口1為二進制協議。E531的接口定義如圖3所示，單片機僅需與其中的串口0的TX0、RX0、復位和硬件喚醒4根連線即可。