数字时钟精准校时系统(附件)【字数：11123】
摘 要数字钟是一种与老式机械钟完全不同的新型现代化时钟，其通过数字数字电路与软件的组合从而实现显示时间和各种丰富的功能。而如今，通过各种方法实现的更加精准的、具有校时功能的时钟被发明了出来。本系统的硬件核心是来自一个意大利公司的开源硬件平台Arduino，并加上ESP8266模块、GPS模块以及显示器模块的配合来实现精准的校时系统的设计。本系统通过Arduino IDE软件实现程序编译，完成系统功能。相较于传统的数字时钟，本系统所设计的时钟计时更加精准，且不会出现累积误差。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文研究内容 2
第二章 系统设计方案论证与选型 3
2.1系统总体设计方案 3
2.2Arduino UNO 4
2.3ESP8266模块 6
2.4GPS模块 7
2.5显示屏模块 8
第三章 软件设计 10
3.1程序流程图 10
3.1.1NTP网络时钟程序流程图 10
3.1.2GPS时钟程序流程图 11
3.2程序的算法 12
3.2.1 NTP时钟的算法 12
3.2.2程序的时间算法 12
3.2.3程序的星期算法 12
3.2.4程序的年份算法 12
3.2.5程序的月份与日的算法 14
3.2.6 GPS时钟的算法 16
第四章 实验结果及分析 18
4.1硬件调试过程 18
4.2实验结果与分析 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
自中国东汉时期张衡发明的第一台机械钟“水运浑天仪”的问世到1957年世界上第一个电子表的生产制造，其中历经2000多年的改进与发展，时钟从一个机械装置向一个纯电子设备慢慢过渡，在这过程之中，时钟由简单的机械结构变成了如今负载的数字电路，零件由粗糙的手工打磨变成了精密的机械制造，功 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
能由简单的计时到如今多样的功能。近50年是电子时钟发展最为迅速的时期，现代电子技术的迅速发展使得各新兴技术产业蓬勃发展，尤其是单片机技术的发展，更是直接促进了数字钟的迅速发展。
中国是世界上最早发明时钟的国家，日晷、漏壶、浑天仪水运仪象台等等都是中国历史长河上伟大的发明。到了明末清初，欧洲钟表开始进中国，并随着交流的扩大，钟表开始风靡中国，更使得改革开放后钟表成为一时的时尚潮流。在日新月异的今天，时钟不断的被创新、改造，以便更好的服务于我们的生活。目前，时钟已经被广泛的应用于生活的方方面面，其功能也从单一的计时变得多样化，定时自动报警，日历节日自动提醒，日行安排自动广播等等功能，时钟变得更加精确、丰富、简便和人性化。
相比于中国，西方的科学技术在14世纪文艺复兴之后得到了迅速的发展，使得西方时钟的发展也加快了步伐。从13世纪的机械钟，14世纪的摆式机械钟，16世纪的怀表到18世纪发明出第一只手表，时钟技术不断更新，西方时钟开始走向全世界。如今，国外技术将时钟赋予新的意义，使之与电脑、手机相连，让时钟呈现出智能化，例如美国苹果公司新发行的Apple Watch Sport，更是将电子时钟发挥到极致。
目前市面上常见的数字时钟和石英钟只能通过简单的程序或是石英振荡进行简单的计时，由于不具有自动修正误差的功能，导致其精度不够高、会出现累积误差等等问题，不适合对时间精度要求较高的用户使用。而本次拟通过目前精准的授时手段设计出计时精准的数字时钟以符合这部分用户的需求。
1.2国内外研究现状
目前数字时钟精准校时系统的实现主要分为4种方法，分别是GPS授时、 无线电短波授时、长波授时、网络授时[1]。
首先是GPS授时，这种方法是实现是通过获取GPS卫星信号中的时间信号，将得到的这些信号通过各种数字电路传送给需要时间信息的设备上以达到时间的同步。由于GPS晶振的频率精确度高，可以达到10^10量级[2.3]，再加上其稳定性高、抗干扰能力强功、不会积累误差、不受不同地界气候等环境的条件影响、性价比高、操作简单等等特点，因此GPS授时技术被广泛应用于公共服务设施以及军用国防设施等各个领域，如中国的西安航天华讯科技有限公司推出的GPS授时模块。GPS授时技术是目前发展最为完善、理论指导最为成熟、应用范围最为广泛的技术[4,5]。
其次是无线电短波授时，无线电短波长在10~100米之间，其可以达到较远的传输距离，如几万公里。这种授时技术在19世纪20年代的美国华盛顿广播站率先使用，通过2.5MHZ、5MHZ、10MHZ、15MHZ等几个固定的频率向外发送标准的时间信息，是一种方便而廉价的校时手段，其精度在毫秒级别[6]。如今，广播每到整点播报的时间信息就通过无线电短波来获取准确时间并进行播报。
然后是长波授时，无线电波长在1000~2000米之间，其在空气的传播特性十分特殊，可以顺利沿着地球的表面进行发散与传播，因此其发射信号的覆盖面积非常大。此技术自1910年来被广泛用于民用的报时，如用来校正海中航行的船的时钟、通过广播发送正确时间等。其精度在微妙级别，发挥着不可替代的作用。而BPC低频时码授时技术属于长波授时的一种，由于微电子技术的快速发展，可以将接收低频时码的设备做到低廉的价格，广泛应用于钟表行业，如卡西欧公司推出的“GW”系列电波表，就采用了该技术进行授时。
最后是网络授时，其通过NTP进行授时，所谓NTP（Network Time Protocol 网络时间协议），就是用来进行同步各个计算机时间的协议。它可以让计算机对服务器或是时钟源（如石英钟、GPS等等）进行时间的同步化。NTP可以提供高精度的时间校正，目标是在国际互联网络上传递统一、标准的时间信息。其具体的实现方法是在网络上指定若干网站作为时钟源，这些网站所提供的时间可以相互对比，从而提高精度，向用户提供校时的服务。如果设备在局域网之中，精度能够达到0.1ms，而在互联网中可以达到150ms。如今，绝大多数可以连接网络的终端设备都可以通过NTP协议进行校时，如智能手机，在系统设置中就可以设置自动通过网络获取时间。
1.3本文研究内容
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文研究内容 2
第二章 系统设计方案论证与选型 3
2.1系统总体设计方案 3
2.2Arduino UNO 4
2.3ESP8266模块 6
2.4GPS模块 7
2.5显示屏模块 8
第三章 软件设计 10
3.1程序流程图 10
3.1.1NTP网络时钟程序流程图 10
3.1.2GPS时钟程序流程图 11
3.2程序的算法 12
3.2.1 NTP时钟的算法 12
3.2.2程序的时间算法 12
3.2.3程序的星期算法 12
3.2.4程序的年份算法 12
3.2.5程序的月份与日的算法 14
3.2.6 GPS时钟的算法 16
第四章 实验结果及分析 18
4.1硬件调试过程 18
4.2实验结果与分析 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
自中国东汉时期张衡发明的第一台机械钟“水运浑天仪”的问世到1957年世界上第一个电子表的生产制造，其中历经2000多年的改进与发展，时钟从一个机械装置向一个纯电子设备慢慢过渡，在这过程之中，时钟由简单的机械结构变成了如今负载的数字电路，零件由粗糙的手工打磨变成了精密的机械制造，功 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
能由简单的计时到如今多样的功能。近50年是电子时钟发展最为迅速的时期，现代电子技术的迅速发展使得各新兴技术产业蓬勃发展，尤其是单片机技术的发展，更是直接促进了数字钟的迅速发展。
中国是世界上最早发明时钟的国家，日晷、漏壶、浑天仪水运仪象台等等都是中国历史长河上伟大的发明。到了明末清初，欧洲钟表开始进中国，并随着交流的扩大，钟表开始风靡中国，更使得改革开放后钟表成为一时的时尚潮流。在日新月异的今天，时钟不断的被创新、改造，以便更好的服务于我们的生活。目前，时钟已经被广泛的应用于生活的方方面面，其功能也从单一的计时变得多样化，定时自动报警，日历节日自动提醒，日行安排自动广播等等功能，时钟变得更加精确、丰富、简便和人性化。
相比于中国，西方的科学技术在14世纪文艺复兴之后得到了迅速的发展，使得西方时钟的发展也加快了步伐。从13世纪的机械钟，14世纪的摆式机械钟，16世纪的怀表到18世纪发明出第一只手表，时钟技术不断更新，西方时钟开始走向全世界。如今，国外技术将时钟赋予新的意义，使之与电脑、手机相连，让时钟呈现出智能化，例如美国苹果公司新发行的Apple Watch Sport，更是将电子时钟发挥到极致。
目前市面上常见的数字时钟和石英钟只能通过简单的程序或是石英振荡进行简单的计时，由于不具有自动修正误差的功能，导致其精度不够高、会出现累积误差等等问题，不适合对时间精度要求较高的用户使用。而本次拟通过目前精准的授时手段设计出计时精准的数字时钟以符合这部分用户的需求。
1.2国内外研究现状
目前数字时钟精准校时系统的实现主要分为4种方法，分别是GPS授时、 无线电短波授时、长波授时、网络授时[1]。
首先是GPS授时，这种方法是实现是通过获取GPS卫星信号中的时间信号，将得到的这些信号通过各种数字电路传送给需要时间信息的设备上以达到时间的同步。由于GPS晶振的频率精确度高，可以达到10^10量级[2.3]，再加上其稳定性高、抗干扰能力强功、不会积累误差、不受不同地界气候等环境的条件影响、性价比高、操作简单等等特点，因此GPS授时技术被广泛应用于公共服务设施以及军用国防设施等各个领域，如中国的西安航天华讯科技有限公司推出的GPS授时模块。GPS授时技术是目前发展最为完善、理论指导最为成熟、应用范围最为广泛的技术[4,5]。
其次是无线电短波授时，无线电短波长在10~100米之间，其可以达到较远的传输距离，如几万公里。这种授时技术在19世纪20年代的美国华盛顿广播站率先使用，通过2.5MHZ、5MHZ、10MHZ、15MHZ等几个固定的频率向外发送标准的时间信息，是一种方便而廉价的校时手段，其精度在毫秒级别[6]。如今，广播每到整点播报的时间信息就通过无线电短波来获取准确时间并进行播报。
然后是长波授时，无线电波长在1000~2000米之间，其在空气的传播特性十分特殊，可以顺利沿着地球的表面进行发散与传播，因此其发射信号的覆盖面积非常大。此技术自1910年来被广泛用于民用的报时，如用来校正海中航行的船的时钟、通过广播发送正确时间等。其精度在微妙级别，发挥着不可替代的作用。而BPC低频时码授时技术属于长波授时的一种，由于微电子技术的快速发展，可以将接收低频时码的设备做到低廉的价格，广泛应用于钟表行业，如卡西欧公司推出的“GW”系列电波表，就采用了该技术进行授时。
最后是网络授时，其通过NTP进行授时，所谓NTP（Network Time Protocol 网络时间协议），就是用来进行同步各个计算机时间的协议。它可以让计算机对服务器或是时钟源（如石英钟、GPS等等）进行时间的同步化。NTP可以提供高精度的时间校正，目标是在国际互联网络上传递统一、标准的时间信息。其具体的实现方法是在网络上指定若干网站作为时钟源，这些网站所提供的时间可以相互对比，从而提高精度，向用户提供校时的服务。如果设备在局域网之中，精度能够达到0.1ms，而在互联网中可以达到150ms。如今，绝大多数可以连接网络的终端设备都可以通过NTP协议进行校时，如智能手机，在系统设置中就可以设置自动通过网络获取时间。
1.3本文研究内容
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