GPS智能塔鐘控制系統(tǒng)的研究

摘要：本文研究的GPS自動校時塔鐘控制系統(tǒng)是以STC89C51單片機為控制器，由GPS接收器、伺服電機、LED顯示、語音報時等部分組成，具有自動校時、顯示、報時等功能。通過GPS15XL-W接收芯片捕捉來自衛(wèi)星的準(zhǔn)確時間信息，以此為時鐘源。利用單片機對接收到的時間信息進行提取和處理，并完成對單片機走時的校正。系統(tǒng)由單片機走時構(gòu)成母鐘，單片機向伺服電機發(fā)送脈沖驅(qū)動子鐘走時。其優(yōu)點是實現(xiàn)上電后的自動校時，改變了傳統(tǒng)校時的不便，減少了機械誤差，塔鐘精度可達±1μs，沒有累計誤差。
關(guān)鍵詞：GPS；伺服電機；單片機；實時校時

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人們生活的節(jié)奏逐步加快，人們對時間的精確度要求越來越高，盡管城市建筑物上的塔鐘也越來越多，但大部分都是以傳統(tǒng)塔鐘為基礎(chǔ)的傳動、人工校時。傳統(tǒng)的塔鐘都是純機械集成電路驅(qū)動控制的，走時極不穩(wěn)定，需要人為周期地校時?，F(xiàn)在的塔鐘，一般由小規(guī)模集成電路控制步進電機走時，整個系統(tǒng)體積大、準(zhǔn)確性不高。因此，設(shè)計可以實時校時的塔鐘就成了研究的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
古老的機械塔鐘以重錘為動力源，通過機械傳動帶動走針機構(gòu)指示時間，并通過敲打?qū)ｉT鑄出的“鐘”來報時。近現(xiàn)代的機電塔鐘的走針系統(tǒng)為機械式，控制系統(tǒng)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，通過步進電機帶動走針機構(gòu)指示時間，并與母鐘同步運行。報時的鐘聲或音樂由錄音磁帶或程序控制方式發(fā)出。
目前，對于GPS在授時方面的研究才剛剛起步，GPS的高精度授時不僅可以提供準(zhǔn)確的時間，還可以使電力交通通訊等部門的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步，如Internet中的計算機、CDMA基站等，都需要與UTC時間同步。利用GPS-OEM接收板，進行二次研制開發(fā)實現(xiàn)時間同步，與傳統(tǒng)授時方式相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、無累計誤差，不受地域、氣候等環(huán)境條件限制，性價比高和操作方便等特點。“GPS塔鐘”2007年才出現(xiàn)，雖有GPS塔鐘產(chǎn)品問世，但技術(shù)不成熟，許多問題有待進一步研究。伴隨電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對時間同步要求越來越高，利用GPS實現(xiàn)時鐘同步是大勢所趨。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計
本課題設(shè)計的GPS塔鐘是采用具有高精度的GPS授時，微處理器控制系統(tǒng)為母鐘形式，塔鐘為子鐘，它接收微處理器發(fā)送的脈沖，通過伺服電機帶動指針走時，并與GPS時間同步，音樂報時通過專門的語音芯片完成。
本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：系統(tǒng)控制模塊、接收模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電機模塊、語音模塊，如圖1所示。

GPS授時模式采用GPS為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，用單片機設(shè)計電路，由于使用軟硬件結(jié)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(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、成本低、自動化程度高、可靠性高。

3 硬件設(shè)計
3．1 微處理器的選擇
本設(shè)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(tǒng)的8051單片機，12時鐘／機器周期和6時鐘／機器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。加密性強、超低價。
3．2 GPS接收器模塊的選擇
常見的GPS接收器有很多，如SiRF-starIIe、SiRF-starIII、Sony-single chip solution-CXD2951、Evermore、Garmin等等。通過比較，本設(shè)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、可同時跟蹤12顆衛(wèi)星、定位精度高、功耗低。GPS實時差分精度3m～5m、支持WAAS功能。體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、易于應(yīng)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。用戶無需初始化，安裝完畢，接受機即可自動傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)；有較強的抗遮擋能力、性能極其穩(wěn)定可靠。
3．3 電機的選擇
對常見的步進電機與伺服電機的比較可知，伺服電機主要優(yōu)點：良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩；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(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)恒力矩；低噪音；沒有電刷的磨損，免維護；不產(chǎn)生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易爆環(huán)境。
因此，本設(shè)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 語音模塊的選擇
ISD4002系列工作電壓3V，單片錄放時間4min～8min，音質(zhì)好，適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設(shè)計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)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”。