GPS智能塔鐘控制系統的研究

摘要：本文研究的GPS自動(dòng)校時(shí)塔鐘控制系統是以STC89C51單片機為控制器，由GPS接收器、伺服電機、LED顯示、語(yǔ)音報時(shí)等部分組成，具有自動(dòng)校時(shí)、顯示、報時(shí)等功能。通過(guò)GPS15XL-W接收芯片捕捉來(lái)自衛星的準確時(shí)間信息，以此為時(shí)鐘源。利用單片機對接收到的時(shí)間信息進(jìn)行提取和處理，并完成對單片機走時(shí)的校正。系統由單片機走時(shí)構成母鐘，單片機向伺服電機發(fā)送脈沖驅動(dòng)子鐘走時(shí)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現上電后的自動(dòng)校時(shí)，改變了傳統校時(shí)的不便，減少了機械誤差，塔鐘精度可達±1μs，沒(méi)有累計誤差。
關(guān)鍵詞：GPS；伺服電機；單片機；實(shí)時(shí)校時(shí)

隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的不斷發(fā)展，人們生活的節奏逐步加快，人們對時(shí)間的精確度要求越來(lái)越高，盡管城市建筑物上的塔鐘也越來(lái)越多，但大部分都是以傳統塔鐘為基礎的傳動(dòng)、人工校時(shí)。傳統的塔鐘都是純機械集成電路驅動(dòng)控制的，走時(shí)極不穩定，需要人為周期地校時(shí)?，F在的塔鐘，一般由小規模集成電路控制步進(jìn)電機走時(shí)，整個(gè)系統體積大、準確性不高。因此，設計可以實(shí)時(shí)校時(shí)的塔鐘就成了研究的關(guān)鍵。

1 國內外研究現狀
古老的機械塔鐘以重錘為動(dòng)力源，通過(guò)機械傳動(dòng)帶動(dòng)走針機構指示時(shí)間，并通過(guò)敲打專(zhuān)門(mén)鑄出的“鐘”來(lái)報時(shí)。近現代的機電塔鐘的走針系統為機械式，控制系統為子母鐘形式。塔鐘為子鐘，它接收高精度母鐘(一般為石英鐘)定期發(fā)出的電脈沖信號，通過(guò)步進(jìn)電機帶動(dòng)走針機構指示時(shí)間，并與母鐘同步運行。報時(shí)的鐘聲或音樂(lè )由錄音磁帶或程序控制方式發(fā)出。
目前，對于GPS在授時(shí)方面的研究才剛剛起步，GPS的高精度授時(shí)不僅可以提供準確的時(shí)間，還可以使電力交通通訊等部門(mén)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現時(shí)間同步，如Internet中的計算機、CDMA基站等，都需要與UTC時(shí)間同步。利用GPS-OEM接收板，進(jìn)行二次研制開(kāi)發(fā)實(shí)現時(shí)間同步，與傳統授時(shí)方式相比，具有精度高、穩定性好、無(wú)累計誤差，不受地域、氣候等環(huán)境條件限制，性?xún)r(jià)比高和操作方便等特點(diǎn)。“GPS塔鐘”2007年才出現，雖有GPS塔鐘產(chǎn)品問(wèn)世，但技術(shù)不成熟，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。伴隨電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對時(shí)間同步要求越來(lái)越高，利用GPS實(shí)現時(shí)鐘同步是大勢所趨。

2 系統的總體設計
本課題設計的GPS塔鐘是采用具有高精度的GPS授時(shí)，微處理器控制系統為母鐘形式，塔鐘為子鐘，它接收微處理器發(fā)送的脈沖，通過(guò)伺服電機帶動(dòng)指針走時(shí)，并與GPS時(shí)間同步，音樂(lè )報時(shí)通過(guò)專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)音芯片完成。
本系統主要由以下幾部分組成：系統控制模塊、接收模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、電機模塊、語(yǔ)音模塊，如圖1所示。

GPS授時(shí)模式采用GPS為標準時(shí)鐘源，用單片機設計電路，由于使用軟硬件結合方式，單片機作為核心控制器，大部分硬件電路被軟件程序所取代，因此電路結構簡(jiǎn)單、調試方便、成本低、自動(dòng)化程度高、可靠性高。

3 硬件設計
3．1 微處理器的選擇
本設計選用的是STC89C51 RC單片機。它是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，12時(shí)鐘／機器周期和6時(shí)鐘／機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路。加密性強、超低價(jià)。
3．2 GPS接收器模塊的選擇
常見(jiàn)的GPS接收器有很多，如SiRF-starIIe、SiRF-starIII、Sony-single chip solution-CXD2951、Evermore、Garmin等等。通過(guò)比較，本設計選擇美國GARMIN系列GPS15XI-W，它是經(jīng)濟卡的精品，并行12通道GPS接收機、可同時(shí)跟蹤12顆衛星、定位精度高、功耗低。GPS實(shí)時(shí)差分精度3m～5m、支持WAAS功能。體積小巧、結構緊湊、易于應用、接受機信息可方便地顯示于顯示單元或PC機上。全屏蔽封裝、具備優(yōu)秀抗電磁干擾特性。用戶(hù)無(wú)需初始化，安裝完畢，接受機即可自動(dòng)傳送導航數據；有較強的抗遮擋能力、性能極其穩定可靠。
3．3 電機的選擇
對常見(jiàn)的步進(jìn)電機與伺服電機的比較可知，伺服電機主要優(yōu)點(diǎn)：良好的速度控制特性，在整個(gè)速度區內可實(shí)現平滑控制，幾乎無(wú)振蕩；高效率，90％以上，不發(fā)熱；高速控制；高精確位置控制(取決于何種編碼器)；額定運行區域內，實(shí)現恒力矩；低噪音；沒(méi)有電刷的磨損，免維護；不產(chǎn)生磨損顆粒、沒(méi)有火花，適用于無(wú)塵間、易爆環(huán)境。
因此，本設計選用的伺服電機型號為日本安川生產(chǎn)的SGMAH-04AAA4C，功率400W，電壓200V，電流2．8A，3000r／m。
3．4 語(yǔ)音模塊的選擇
ISD4002系列工作電壓3V，單片錄放時(shí)間4min～8min，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話(huà)及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)音、音樂(lè )、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。