GPS智能塔钟控制系统的研究

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GPS智能塔钟控制系统的研究
卫 宏，周国平
(南京林业大学信息科学与技术学院，江苏南京210037)
摘要：本文研究的GPS自动校时塔钟控制系统是以STC89C51单片机为控制器，由GPS接收器、伺服电机、
LED显示、语音报时等部分组成，具有自动校时、显示、报时等功能。通过GPSI5XL—W接收芯片捕捉来自卫星的
准确时间信息，以此为时钟源。利用单片机对接收到的时间信息进行提取和处理，并完成对单片机走时的校正。
系统由单片机走时构成母钟，单片机向伺服电机发送脉冲驱动子钟走时。其优点是实现上电后的自动校时，改变
了传统校时的不便，减少了机械误差，塔钟精度可达±1 s，没有累计误差。
关键词：GPS；伺服电机；单片机；实时校时
中图分类号：TP216．2 文献标识码：A
随着经济社会的不断发展，人们生活的节奏逐步加快，
人们对时间的精确度要求越来越高，尽管城市建筑物上的塔
钟也越来越多，但大部分都是以传统塔钟为基础的传动、人
工校时。传统的塔钟都是纯机械集成电路驱动控制的，走时
极不稳定，需要人为周期地校时。现在的塔钟，一般由小规
模集成电路控制步进电机走时，整个系统体积大、准确性不
高。因此，设计可以实时校时的塔钟就成了研究的关键。
l 国内外研究现状
古老的机械塔钟以重锤为动力源，通过机械传动带动走
针机构指示时间，并通过敲打专门铸出的“钟”来报时。近
现代的机电塔钟的走针系统为机械式，控制系统为子母钟形
式。塔钟为子钟，它接收高精度母钟(一般为石英钟)定期
发出的电脉冲信号，通过步进电机带动走针机构指示时间，
并与母钟同步运行。报时的钟声或音乐由录音磁带或程序
控制方式发出。
目前，对于GPS在授时方面的研究才刚刚起步，GPS的
高精度授时不仅可以提供准确的时间，还可以使电力交通通
讯等部门的网络实现时间同步，如Interact中的计算机、CD—
MA基站等，都需要与UTC时间同步。利用GPS—OEM接收
板，进行二次研制开发实现时间同步，与传统授时方式相比，
具有精度高、稳定性好、元累计误差，不受地域、气候等环境
条件限制，性价比高和操作方便等特点。“GPS塔钟”2007年
才出现，虽有GPS塔钟产品问世，但技术不成熟，许多问题有
待进一步研究。伴随电子技术日新月异的发展，人们对时间
同步要求越来越高，利用GPS实现时钟同步是大势所趋 ．2]。
2 系统的总体设计
本课题设计的GPS塔钟是采用具有高精度的GPS授
时，微处理器控制系统为母钟形式，塔钟为子钟，它接收微处
理器发送的脉冲，通过伺服电机带动指针走时，并与GPS时
间同步，音乐报时通过专门的语音芯片完成 。
本系统主要由以下几部分组成：系统控制模块、接收模
块、显示模块、键盘模块、电机模块、语音模块，如图1所示。
图1 系统框图
GPS授时模式采用GPS为标准时钟源，用单片机设计
电路，由于使用软硬件结合方式，单片机作为核心控制器，大
部分硬件电路被软件程序所取代，因此电路结构简单、调试
方便、成本低、自动化程度高、可靠性高-4 】。
3 硬件设计
3．1 微处理器的选择
本设计选用的是STC89C51RC单片机。它是宏晶科技
推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码
完全兼容传统的8051单片机，12时钟／机器周期和6时钟／
机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专
用复位电路。加密性强、超低价
3．2 GPS接收器模块的选择
常见的GPS接收器有很多，如SiRF—static、SiRF—
stafllI、Sony — sin e chip solmion — CXD2951、Evermore、
Garmin等等。通过比较，本设计选择美国GARMIN系列
GPS15X1一W，它是经济卡的精品，并行12通道GPS接收机、
可同时跟踪12颗卫星、定位精度高、功耗低。GPS实时差分
收稿日期：2012—12—11 修回日期：2013—01—22
作者简介：卫宏(1981-)，女，山西晋中人，讲师，研究方向：电气工程及其自动化。
通讯作者：周国平(1963-)，男，陕西成阳人，副教授，研究方向：自动控制技术。
第1期 卫宏，等：GPS智能塔钟控制系统的研究 87
精度3m一5m、支持WAAS功能。体积小巧、结构紧凑、易于
应用、接受机信息可方便地显示于显示单元或PC机上。全
屏蔽封装、具备优秀抗电磁干扰特性。用户无需初始化，安
装完毕，接受机即可自动传送导航数据；有较强的抗遮挡能
力、性能极其稳定可靠 ’ 3。
3．3 电机的选择
对常见的步进电机与伺服电机的比较可知，伺服电机主
要优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑
控制，几乎无振荡；高效率，9o％ 以上，不发热；高速控制；高
精确位置控制(取决于何种编码器)；额定运行区域内，实现
恒力矩；低噪音；没有电刷的磨损，免维护；不产生磨损颗粒、
没有火花，适用于无尘间、易爆环境。
因此，本设计选用的伺服电机型号为日本安川生产的
SGMAH-04AAA4C，功率400W，电压200V，电流2．8A，3000r／m。
3．4 语音模块的选择
ISIMO02系列工作电压3V，单片录放时间4min一8rain，
音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片设
计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串
行通信接口(SPI或Microwire)送人。芯片采用多电平直接
模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器
中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果
声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声
和“金属声”。
3．5 系统原理框图
根据设计要求，它包括天线、GPS—OEM接收模块、单片
机信号处理电路、EEPROM存贮器、报时电路、扬声器，其中
天线、GPS—OEM接收模块、单片机信号处理电路、主控制电
路四部分以串联结构连接，主控制电路分别与EEPROM存
贮器、报时电路、显示电路以分支结构连接，报时电路与扬声
器以串联结构连接。本系统原理框图如图2所示。
Y天线
[-~GPSI5LX-W
匮
丽 孺丽i
STC
89C5lRC
功能键(调
时，启动等)
LED显示
ISD4002
— 丁_
LM386功弼
图2 系统框图
由于GPSI5XL—W 输出的是RS232电平，AT89C51单
片机是CMOS电平，所以二者之间通信需要电平转换。如图
3所示。
Ul cl+
GND
l 5 black l l6 CC !§．— 器： 鼹
：k 2 6 ! Be ] c2I-三 23 145 —— lin l4—一 P3．5／Tl Pl|5
I ’一 4 13
— 程 u j[
P
P3．0／RXD
P
P1．0
d gray 5 l2
3 7 l t20l 一 67 l0l
4 8 green r2in 8 9
I
CPS15XI，一W MAX232 ；}_- P2．67，A145 一
；F P 23，Al2 ALE，既
． FS巧N
，，，，，
，，，， ， 3 hh ，
。
软件编译窗口如图4所示：
图4 伟福软件编译窗口
5 小结
在系统设计中，完成以下几个部分：
(1)系统硬件设计，设计以可靠性和实用性为原则，选用
器件在保证可用的基础上，尽量使电路简化，在设计过程中，
用实验的方法完成了全部软件与硬件配合的调试工作；
(2)接收模块的软件是用汇编语言完成的，它的功能是
从GPS15XL—W中提取准确的时间信息；
(3)完成母钟走时和显示的功能；
(4)向伺服电机发送脉冲带动子钟的走时功能。
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Research on the Control System of GPS．based Tower Clock
W ei Hong，Zhou Guoping
(College ofInformation Science and Technology，Nanjing Forestry Universit) ，Nanjing Jiangsu 210037，China)
Abstract：The design of GPS control system for tower clock consists of STC89C51 MCU，the GPS15一XL receivers，LED display，
servo motors，voice timekeeping and other components with functions of automatic error corection，display and timekeeping．The de—
sign captures accurate time information from satellites by GPS15XL—W receiver chip，and collects and deals with the time information
received from SCM，and then it adjusts the clock．The timing of SCM system makes up the master clock，and drives the secondary
clock through giving out pulse to a servo motor．The system can also achieve the automatic error correction after power on，and im—
proves the inconvenience of the traditional corection，reduces the mechanical erors
there iS no camulative error．
Key words：GPS；8ervo motor；MCU；real·time adjusting
Th e accuracy oftower clock is up to ±1Ixs and
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2014-9-30 07:14 上传

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