Микроэлектронные проекты. Василь Урманчеев. Часы с коррекцией времени от GPS

Конструкции и принципиальные схемы электронных часов в настоящее время достаточно хорошо разработаны. Но точность индикации времени остается проблемой. Решение этой проблемы возможно с помощью модуля приемника системы GPS. Стоимость такого модуля (около 1000 руб. в розницу) несколько удорожает стоимость часов, поэтому целесообразно применять их в больших уличных часах или в сетевых часовых системах.
Преимущества:
- показания часов отличаются от спутникового времени не более, чем на 1 сек;
- отсутствуют органы управления и часовой кварц.
В настоящее время доступны GPS приемники многих фирм. Рассмотрим построение часов на модуле LS20061 фирмы Locosys. Полную информацию о модуле можно найти на сайте фирмы ЭФО (www.efo.ru), там же его можно и приобрести.
Модуль размером 30х30х8 мм содержит все необходимые компоненты, в том числе антенну. Выходной сигнал в ASCII-кодах, в формате UART, скорость 9600 Бод с ТТЛ уровнями. После включения питания модуль один раз в секунду начинает выдавать сообщения о координатах, спутниках, времени и дате. По желанию пользователя, какие-то из сообщений могут быть отключены, а частота выдачи поднята до 4 раз в секунду. Каждое сообщение начинается с заголовка и оканчивается контрольной суммой и символами перевода строки. Интересующее нас сообщение о времени и дате имеет следующий формат:

№ байта 0-6 7-16 17-27 28-33 34 35-36 информация $GPZDA hhmmss.00 dd,mm,yyyy 00,00   0х0D 0x0A функция заголовок час, мин, сек день, мес, год резерв контр. сумма конец строки

Кроме времени, целесообразно индицировать и температуру. В качестве термодатчика использован DS1820 фирмы Dallas Semiconductor.
Функциональная схема управляющей платы часов приводится на рис. 2.

Схема управляющей платы традиционная - процессор, мощные ключи, термодатчик. Необходимость схемы согласования уровней вызвана тем, что даже при питании GPS-модуля напряжением 5 В, высокий уровень выходного сигнала ограничен значением 3.3 В, а при уменьшении питания процессора до 3.3 В хуже открываются выходные полевые ключи.
GPS - модуль должен быть установлен так, чтобы был обеспечен прямой обзор хотя бы части неба (зависит от конкретных условий приема). При необходимости, модуль может быть вынесен из корпуса часов. Термодатчик DS1820 размещается вне корпуса. Он должен быть изолирован от попадания прямых солнечных лучей и влияния предметов, температура которых отличается от температуры воздуха. Например, температура вблизи входной двери зимой может быть на 5 - 10 градусов выше, чем у окружающего воздуха. Линии связи до GPS - модуля и термодатчика - выполняется экранированным проводом длиной до 10 метров.
Датчик перегрева (биметаллический) расположен внутри корпуса часов - замыкает контакты при превышении температуры 55 градусов. Принципиальная схема платы управления часов приводится на рис. 3.

Схема запитывается стабилизированным напряжением 5 В (50 мА) и силовым питанием (power), величина и мощность которого определяется количеством светодиодов в сегментах индикаторов. Соответственно выбирается и рабочее напряжение электролитических конденсаторов. Указанные на схеме ключи обеспечивают постоянный ток 3.7 А по каждому выходу при напряжении до 30 В. Это достаточно для часов 60 см высотой. В реальных часах ток достигал 1 А на сегмент при питании 24 В, при этом транзисторы без радиаторов практически не грелись. Сегменты индикаторов содержат несколько параллельных цепей, поэтому резисторы ограничения тока установлены непосредственно в каждой цепи каждого сегмента.
Питание 5 Вольт - максимально допустимое напряжение для модуля LS20061, поэтому, если у Вас есть сомнения в стабильности Вашего источника питания, примите меры к защите модуля от перенапряжения.
Обозначение выходных катодных сигналов - традиционное. Анодные сигналы пронумерованы от правого (младшего) разряда (AN0).
Схема рассчитана на четыре семисегментных индикатора, разделенных двоеточием при индикации времени и нижней точкой при индикации даты. В левом (старшем) разряде добавлен сегмент для индикации знака "+" при индикации температуры. Управляет включением этих дополнительных элементов линия S-H.
GPS - модуль, термодатчики и питание 5 В подключаются через разъем Х1, катоды сегментов - через разъем Х5, силовое питание и аноды знаков - через клеммные колодки Х2 - Х4. Назначение контактов разъема Х1 указано в таблице:

контакт обозначение на схеме сигнал адрес (контакт) 1 5V питание 5 В LS20061 (1) 2 TX вход данных LS20061 (2) 3 gnd корпус LS20061 (4) 4 - выход данных LS20061 (3) 5 gnd корпус LS20061 (5) 6 DQ данные DS1820 (2) 7 gnd корпус DS1820 (1) 8 ALARM перегрев датчик перегрева 9 gnd корпус датчик перегрева 10 5V питание 5 В DS1820 (3) 11 gnd корпус блок питания 12 5V питание 5 В блок питания

Нумерация контактов GPS - модуля слева направо, если смотреть на нижнюю сторону, как показано на фотографии. Печатная плата - двусторонняя размером 70 х 70 мм, разведена в PCAD2004.
Программа работы.
Приведенная в приложении программа работает только при наличии модуля GPS. Исходя из опыта работы, это не является недостатком. Программа содержит три основных блока:
1 - Индикация. Смена управляющих сигналов индикации происходит с периодом 1 мс. В зависимости от времени восхода и заката производится программное снижение яркости в два или четыре раза. Снижение яркости происходит и при появлении низкого уровня сигнала ALARM от термодатчика перегрева. Регулировка яркости происходит за счет изменения скважности сигналов индикации.
Индикация времени, даты и температуры происходит поочередно, в течении 4, 2 и 2 сек соответственно. Отображение времени и даты - традиционное. Отличие лишь в том, что для улучшения восприятия разделительное двоеточие не мигает. Температура отображается в таком порядке (слева): знак температуры (плюс или минус), две значащие цифры, знак градуса (сегменты A,B,F,G).
2 - Прием информации от GPS-модуля. Прием информации происходит по прерыванию от модуля USART. Принятые байты заносятся в буфер до приема кода 0x0A. После этого проверяется заголовок, обязательные символы массива и допустимость принятых данных. При соответствии, принятые данные переписываются в текущие. Коррекция на летнее время и на часовой пояс - программная. В исходной программе заложен перевод спутникового времени на московское - плюс 3 часа по зимнему и 4 по летнему времени. Для других часовых поясов нужно изменить текст и скомпилировать новую прошивку. Можете сделать это самостоятельно или обратиться к автору.
3 - Работа с термодатчиком DS1820. Программа работы производит инициализацию датчика и считывание температуры. Программа разбита на этапы, каждый из которых укладывается в интервал дискретизации 1 мс.

Файлы проекта:
clock_prj.sch - принципиальная схема;
clock_prj.pcb - печатная плата;
clock_prj.lib - библиотека PCAD
clock_prj.asm - программа;
clock_prj.hex - прошивка.
ls2006x.pdf - описание GPS - модуля LS20061
ds1820.pdf - описание термодатчика DS1820

Автор проекта: Василь Урманчеев.
E-Mail: vacil@mail.ru

 Разместите Ваш проект у нас на сайте и его смогут увидеть сотни посетителей в день. Ваши проекты присылайте вебмастеру.