Präzise Zeitmessung: DS3231 RTC mit GPS auf Arduino Nano synchronisieren

Komponenten und Materialien

Bauteil	Menge	Hinweise
Arduino Nano R3	1
DS3231 RTC-Modul	1	High Precision
NEO-6M GPS-Modul	1
Bidirektionaler Level-Shifter	1	Für 3,3V GPS an 5V Arduino
LCD 16×2 Display	1
I2C LCD Backpack	1	Adresse 0x3F (nicht Standard 0x27!)
Steckverbinder (verschiedene)	1 Set	15/6/5/4-polig, Stiftleisten
Stripboard (24×37)	1
Widerstand 4,7 kΩ	2	I2C Pull-Ups
Taster (momentan)	1	Zum Synchronisieren

Projektbeschreibung

Mein DS3231 lief ungenau. Das Aktualisieren per Compile-Zeit (Systemzeit) war unpräzise, da Kompilieren und Hochladen durch andere Prozesse verzögert wurden.

Da GPS extrem präzise UTC-Zeit und -Datum liefert, entschloss ich mich, den DS3231 damit zu synchronisieren.

Schaltung

LCD Backpack (I2C) an Arduino:

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

DS3231 an Arduino (I2C, parallel zum LCD):

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

Level-Shifter (Arduino-Seite):

• 5V → 5V
• GND → GND
• D3 → Bus
• D4 → Bus

NEO-6M GPS (Level-Shifter-Seite):

• 3V → VCC
• GND → GND
• Bus → TXD (endet an D3)
• Bus → RXD (endet an D4)

Taster:

• Einer Pin → D9
• Anderer Pin → GND

Stromversorgung

Über USB-Kabel.

Software

99 % der Software ist das parsing.ino-Beispiel der Adafruit GPS Library. Ich fügte Code hinzu, um das extrahierte GPS-Datum und -Uhrzeit an den DS3231 zu übergeben, sowie Code zur Anzeige der DS3231-Zeit auf dem LCD.

Verwendete Bibliotheken

• Adafruit GPS Library v1.0.3
• RTCLib (Adafruit) v1.2.0
• NewLiquidCrystal (für I2C LCD Backpack)

Bedienung

1. Gerät einschalten. LCD zeigt aktuelle DS3231-Zeit.
2. Warten, bis GPS ein Signal hat (Lock).
3. Taster drücken → Zeit per GPS setzen.
4. LCD zeigt neue Zeit.

Einschränkungen & Besonderheiten

• GPS-Lock dauert: Keine Anzeige, ob Lock erreicht. Ohne Lock wird DS3231 auf 2000-0-0 / 0:0:0 gesetzt. Rote LED am GPS blinkt → Lock wahrscheinlich (kann indoors 10+ Min. dauern).
• DS3231 Pufferbatterie: War zunächst leer. Nach Laden akzeptierte er GPS-Daten und lief korrekt weiter.
• GPS-Modul Spannung: Board war nur als „NEO 6M“ beschriftet. Datasheet sagt ~3V. Level-Shifter verwendet. Ein 4A2D-Chip (Spannungsregler) war auf dem Board – aber nicht garantiert, dass Signalleitungen gepegelt sind.
• Empfang indoors: Variiert stark. LCD ermöglicht mobiles Testen draußen.
• LCD I2C-Adresse: Meines ist 0x3F (Standard oft 0x27). Bei leerem Display Adresse ändern.
• RTCLib Eigenheit: Setzt Zeit/Datum, aber nicht den Wochentags-Register. Wochentag wird per Formel aus Datum berechnet (schaltjahrsicher).
• UTC vs. Ortszeit: Für meine Zeitzone keine Umrechnung nötig. Andernfalls Code selbst ergänzen.

Referenzen

[1] u-blox NEO-6 DataSheet: PDF

Code

// DS3231 per GPS setzen - basiert auf Adafruit GPS parsing.ino Beispiel
#include <Wire.h>
#include "RTClib.h"
RTC_DS3231 RTC;
char daysOfTheWeek[7][12] = {"Sunday","Monday","Tuesday","Wednesday","Thursday","Friday","Saturday"};

// LCD
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); // Adresse 0x3F!

// Taster
#define button 9

// GPS
#include <Adafruit_GPS.h>
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial mySerial(3, 2); // RX, TX (nach Level-Shifter)
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); // RMC + GGA
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_UPDATE_1HZ);    // 1 Hz Update
  GPS.sendCommand(PGCMD_ANTENNA);               // Antennenstatus
  useInterrupt(true);                           // Timer0 Interrupt für GPS-Parsing
  delay(1000);
  mySerial.println(PMTK_Q_RELEASE);             // Firmware-Version

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

// Timer0 Interrupt (1 ms) für GPS-Daten lesen
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();
static bool second_time_round = false;

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();

  // Taster gedrückt? (LOW-aktiv durch Pull-Up)
  if (!digitalRead(button)) {
    // DS3231 setzen (RTCLib setzt keinen Wochentag-Register!)
    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();
  }

  // Aktuelle Zeit von DS3231 anzeigen
  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(" ");
}

Schaltpläne