利用中午午休的一些零星時間設計制作了一款1.8寸GPS授時時鐘，現將自己的制作過程和經驗教訓寫下來和大家分享和共同學習。
提到GPS，大家現在都在使用智能手機，很快就想到了GPS定位、導航等功能。沒錯，GPS系統隨著科技的進步已經走到了你的身邊，并不是想象中的那么神秘。其實GPS收到衛星型號后會接收到相當多的衛星定位信息，比如：日期、時間、坐標經緯度、海拔高度等等數據。本時鐘就是利用GPS模塊配合GPS天線收到GPS衛星信息獲取其中的時間數據來校正和顯示當前精準的時間。
優良的GPS模塊當然價格也不菲，往往售價都在幾百元，現在網上淘得幾元錢一個的二手GPS模塊也是相當的不錯了，本時鐘選用了價格便宜的Ublox LEA-4A GPS模塊，還有GPS天線。GPS模塊和天線都是51hei提供的. 
本作一物多用的原則，制作前考慮到使用4個1.8寸數碼管共陽紅(外型尺寸38x56MM），使用5V電源不能夠驅動點亮數碼管，需要9V至12V的電源，但又不想使用專用的電源接口和電源，考慮到通用性，固將電源接口采用MicroUSB接口（也就是平時智能手機常用的充電和數據線接口），電源也可使用手機的充電電源，方便靈活又不需專門配備電源，由于Ublox LEA系列的GPS模塊自帶有USB接口，即可將模塊中的USB引腳接入到這個MicroUSB電源接口上，這樣就可以將本時鐘作為具有USB接口的外部GPS模塊和電腦PC想連接，使用專門的GPS驅動和軟件,就可以在PC機上使用定位導航功能了，比如谷歌地球、高明的地圖軟件。另外可以將本時鐘添加一些常用的單元部分進行功能擴展，讓其成為一個多用途的1.8寸顯示的C51單片機實驗和學習板，增加了可玩性。加入的單元部分有：1. C51-ISP編程接口（可以通過該接口方便的編程單片機程序）；2. DS18B20溫度集成（可以通過該探頭獲取環境溫度）3. 4個按鍵（可以根據需要編寫具有按鍵功能的時鐘）4. VS1838紅外接收頭（可以通過編程加入紅外遙控功能）5. 24C02存儲芯片（可以編寫一些具有存儲功能的程序）6. DS1302時鐘芯片（可以編寫時鐘程序）7. 蜂鳴器（可以編寫鬧鐘和一些聲響的程序）8. XL6009升壓模塊（可以通過電位器調節數碼管的亮度）9. GPS模塊的MicroUSB接口（可以通過手機數據線作為電源或和PC機聯機成為外部GPS模塊） 電路圖設計如下：  PCB板背面圖
PCB板正面圖
原理圖和PCB板圖均使用Altium Designer 14軟件進行設計，在使用Altium Designer14設計時也是不斷學習的一個過程，元件圖庫、PCB元件封裝庫、3D元件庫、布局、排版等，有時一個元件的繪制都會花去你很多時間，很多元件都是我自己拿著元件測量尺寸和參照網上的封裝圖來手繪，還是很辛苦的。為了學習，這個PCB板特制作了3D效果圖：
PCB正面3D
PCB背面3D
PCB部分放大3D
設計好后拿去PCB打樣幾塊，板子收到后，看似做工非常漂亮。
開始焊接第一塊樣板，焊接完后檢查無誤后通電測試，接下來就遇到了幾個問題：
1. 通過ISP口寫入程序后，單片機不運行程序，再次檢查焊接沒問題后，仔細查看原理圖后發現，在設計原理圖時忙于考慮各IO口的分配問題卻忽略了29腳EA/VPP,將其懸空了，應將29腳接到5V電源上，讓單片機執行內部程序。更改后單片機正常運行了。 2. Q2工作不正常，經檢查后發現，在設計時將NPN三極管和PNP三極管都用了相同的PCB封裝庫PNP，和原理圖的NPN封裝對應腳不一樣，C、E腳剛好相反了，焊下Q2，將其反面安裝焊接，問題得到解決。 3. Q3、Q4、Q5、Q6，這4個位驅動不起作用，由于想省掉一個ULN2003的集成，借用了1.5寸的位驅動用4個3極管，沒考慮到使用的是1.8寸的數碼管將其位電壓已經提高到9V至12V，致使這4個位驅動處于放大狀態失去了開關的作用，將這4個位驅動加一級3極管，測試位驅動正常。 4. 由于錯誤的將購買的GPS天線認為是無源天線，設計的時候按無源天線的線路設計，導致GPS模塊無法收到GPS信息，經反復的實驗測試和查閱GPS模塊參數資料，得知購買的是有源GPS天線，需要給天線加載電源天線才能有放大作用，根據有源天線原理，切斷GPS模塊12、24、19引腳的接地，將18(VCC_RF)、19(V_ANT)腳連接，使其16（RF_IN）腳天線輸入端加載3.3V左右的電壓，為有源天線提供電源。 5. 經過以上4步修改后接入GPS有源天線發現單片機還是沒能正確的接收到需要的信息，將USB線連接到電腦安裝驅動和GPS模塊測試軟件u-center7.0軟件進行聯機查看，單片機程序是來自于網友編制的，波特率設置為9600（TH1 = 0xFD; //9600波特率的初值），而GPS模塊查看為4800的波特率，通訊協議上不一致，看到LEA-4A資料上說可以修改波特率，在軟件中將波特率修改為9600 這次可以正常收到GPS信息并把時間顯示出來了。但是將電源切斷后從新加電，又無法收到信息了，再用軟件查看模塊波特率又回到了4800，也就是說沒有保存起，再查看模塊相關資料得知LEA-4A模塊是ROM經濟型產品并無flash存儲器，無法保存設置，可以通過改變硬件方式改變波特率，為了減少硬件改動，固將單片機程序修改成波特率4800（TH1 = 0xFA; //4800波特率的初值）來適應模塊的默認4800波特率。這下終于成功了。 測試中發現：接收到的日期和時間信息比較快，快時約12秒，慢時半分鐘，這個天線擺放的位置和角度有一定關系。該天線下部帶有吸鐵，可以吸在金屬物體上，發現吸在具有大面積金屬板上接收到信息時間會縮短，也許是有反射面的緣故吧。
至于連接PC用軟件定位和導航這里就不作更多的解釋了。
最后完成
上電未接收到GPS衛星信號時，電壓5V，電流0.25A
接收到GPS衛星信號并校準顯示時間，電壓５V，電流0.16A
總結：通過以上5點故障分析，在設計電路時應做到思路清晰，小到每個零件的校對，查看元件滿足正常運行的條件，要做到每個元件、模塊功能參數熟悉，最好是經過實驗仿真后再制作PCB板，有串口通訊協議的應先考慮和確認協議的一致性，盡量少走彎路和犯低級性錯。
附言：整套 制作成本大約六十多。
這里附上單片機源程序：
#include "reg52.h"
#define LEDPORT P0
sbit D1=P3^5;
sbit D2=P3^4;
sbit D3=P3^6;
sbit D4=P3^7;
sbit LED=P0^7;
unsigned char hour,min,sec;
bit rev_start,rev_stop;
//unsigned char code tab[]={0xA0,0xBE,0x64,0x2C,0x3A,0x29,0x21,0xBC,0x20,0x28,0xff};//數碼管
//unsigned char code tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};//數碼管
unsigned char code tab[]={0x3F,0x0C,0x5B,0x5E,0x6C,0x76,0x77,0x1C,0x7F,0x7E,0x00};//0-9,滅
unsigned char buf[80]; //請把GPS那貨發來的數據放到我的肚子里
void TimerInit()
{
TMOD=0x21;
TH0 = 0xF1; //4ms左右
TL0 = 0x9A;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
SCON = 0x50;//使用串行工作方式1，10位異步收發8位數據，波特率可變（由T1的溢出率控制）
// TH1 = 0xFD;//9600波特率的初值
TH1 = 0xFA;//4800波特率的初值
TL1 = TH1;//9600波特率的初值
ES = 1;
TR1 = 1;
}
void Display(unsigned char hour,min) //數碼管顯示
{
static unsigned char i;
LEDPORT=0x00;
switch (i)
{
case 0: if(hour/16) LEDPORT=tab[hour/16]; else LEDPORT=tab[10];D1=1;D2=D3=D4=0;break;
case 1: LEDPORT=tab[hour%16]; D2=1;D1=D3=D4=0; break;
case 2: LEDPORT=tab[min/16];D3=1;D1=D2=D4=0;break;
case 3: LEDPORT=tab[min%16];D4=1;D2=D3=D1=0;break;
}
i++;
if(i==4)i=0;
}
void main()
{
TimerInit();
while(1)
{
if((rev_stop==1)&&(buf[5]=='C'))//如果接收到GPRMC
{
ES=0;
hour= (buf [7]-0x30)* 16+ buf[8] -0x30;
min= (buf [9]-0x30)* 16+ buf[10]-0x30;
sec= (buf[11]-0x30)* 16+ buf[12]-0x30;
hour= hour / 16 * 10 + hour % 16;
LED=!LED;
hour= (hour+8) % 24;//UTC Time換算成北京時間
hour=hour/10*16+hour%10;
ES=1;
rev_stop=0;
}
}
}
void Timer0() interrupt 1
{
TH0 = 0xF1;
TL0 = 0x9A;
Display(hour,min);//定時器兄弟簡單而單調的工作，很輕松的。每4ms刷新下數碼管，全年無休哦
}
/***************************************************************/
/*************************串口數據接收**************************/
/***************************************************************/
void Uart_Receive(void) interrupt 4
{
unsigned char ch,num;
ES = 0;
if (RI)//如果接收完成則進入
{
ch = SBUF;
if (ch == '$') //如果收到字符'$'，便開始接收
{
rev_start = 1;
rev_stop = 0; //接收停止標志
}
if (rev_start == 1) //標志位為1，開始接收
{
buf[num++] = ch; //字符存到數組中
if (ch == '\n') //如果接收到換行
{
buf[num] = '\n';
rev_start = 0;
rev_stop = 1; //接收停止標志
num = 0;
}
}
}
RI = 0; //RI清0，重新接收
ES = 1; //串口1中斷允許
}
|
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