Arduino Nano 实现 DS3231 RTC 与 GPS 同步精准计时

元器件与材料

• Arduino Nano R3 ×1
• DS3231 时钟模块 ×1
• NEO-6M GPS 模块 ×1
• 双向电平转换模块 ×1
• 1602 LCD 显示屏 ×1
• I2C LCD 适配板 ×1
• 15Pin/6Pin/4Pin/5Pin 排针座若干
• 4Pin 排针 ×1
• 24×37 孔洞板 ×1
• 4.7kΩ 电阻 ×2
• 自锁按钮 ×1

项目简介

我的 DS3231 有走时偏差，原用电脑编译上传时间校准，但编译上传过程常被打断导致不准。发现 GPS 输出精准 UTC 时间后，决定用 GPS 对 DS3231 校时。

电路连接

LCD 适配板 → Arduino

• GND → GND
• VCC → 5V
• SDA → A4 (SDA)
• SCL → A5 (SCL)

DS3231 → Arduino (共用 I2C 总线)

• GND → GND
• VCC → 5V
• SDA → A4
• SCL → A5

电平转换 → Arduino

• 5V → 5V
• GND → GND
• D3 → BUS
• D4 → BUS

NEO-6M GPS → 电平转换

• 3V → VCC
• GND → GND
• BUS → TXD (最终接 D3)
• BUS → RXD (最终接 D4)

按键

• 一端 → D9
• 另一端 → GND

供电

通过 USB 线供电。

软件架构

99% 代码基于 Adafruit GPS 库的 parsing.ino 示例，仅添加将解析出的 GPS 日期时间写入 DS3231、并在 LCD 显示 DS3231 时间的代码。

使用库

• Adafruit GPS Library v1.0.3
• RTCLib (Adafruit) v1.2.0
• NewLiquidCrystal (I2C 适配板)

操作流程

1. 上电，LCD 显示 DS3231 当前时间
2. 等待 GPS 定位 (红灯闪烁为佳，室内可能需 10+ 分钟)
3. 按下按钮，通过 GPS 信号校时
4. LCD 显示新时间

局限与注意事项

• GPS 定位需时间，无指示灯确认锁定；未定位按校时会把 DS3231 设为 2000-0-0 0:0:0
• DS3231 备用电池若亏电，首次校时可能异常 (如 0:164:164)，需充电后才正常走时
• NEO-6M 模块标称 3V 工作，实测板载 4A2D 稳压芯片，但通信线未必电平转换，故加电平转换模块保险
• 室内 GPS 信号弱，带 LCD 可移至室外调试
• I2C LCD 地址可能为 0x3F (常见 0x27)，显示异常请修改地址
• RTCLib 不写入 DS3231 星期寄存器，而是按公式实时算星期，避免闰年处理
• 代码默认 UTC 即本地时间，如有时区需自行添加转换

参考资料

[1] NEO-6 数据手册: u-blox.com

代码

// DS3231 + GPS 校时 + LCD 显示
#include 
#include "RTClib.h"
RTC_DS3231 RTC;
char daysOfTheWeek[7][12] = {"Sunday","Monday","Tuesday","Wednesday","Thursday","Friday","Saturday"};

#include 
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); // 地址 0x3F

#define button 9

#include 
#include 
SoftwareSerial mySerial(3, 2); // RX, TX
Adafruit_GPS GPS(&mySerial);
#define GPSECHO false
boolean usingInterrupt = false;
void useInterrupt(boolean);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Adafruit GPS library basic test!");
  GPS.begin(9600);
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_OUTPUT_RMCGGA);
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_UPDATE_1HZ);
  GPS.sendCommand(PGCMD_ANTENNA);
  useInterrupt(true);
  delay(1000);
  mySerial.println(PMTK_Q_RELEASE);

  lcd.begin(16,2); lcd.backlight(); lcd.clear();
  pinMode(button, INPUT_PULLUP);
}

SIGNAL(TIMER0_COMPA_vect) {
  char c = GPS.read();
  #ifdef UDR0
  if (GPSECHO && c) UDR0 = c;
  #endif
}

void useInterrupt(boolean v) {
  if (v) {
    OCR0A = 0xAF;
    TIMSK0 |= _BV(OCIE0A);
    usingInterrupt = true;
  } else {
    TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0A);
    usingInterrupt = false;
  }
}

uint32_t timer = millis();
void loop() {
  if (!usingInterrupt) {
    char c = GPS.read();
    if (GPSECHO && c) Serial.print(c);
  }
  if (GPS.newNMEAreceived()) {
    if (!GPS.parse(GPS.lastNMEA())) return;
  }
  if (timer > millis()) timer = millis();

  // 按钮按下校时
  if (!digitalRead(button)) {
    RTC.adjust(DateTime(GPS.year, GPS.month, GPS.day, GPS.hour, GPS.minute, GPS.seconds));
    lcd.clear(); lcd.setCursor(2,0); lcd.print("Pressed set");
    delay(5000); lcd.clear();
  }

  DateTime now = RTC.now();
  lcd.setCursor(4,0);
  lcd.print(now.year(), DEC); lcd.print('/');
  lcd.print(now.month(), DEC); lcd.print('/');
  lcd.print(now.day(), DEC); lcd.print(' ');
  lcd.setCursor(4,1);
  lcd.print(now.hour(), DEC); lcd.print(':');
  lcd.print(now.minute(), DEC); lcd.print(':');
  lcd.print(now.second(), DEC); lcd.print(" ");
}

原理图