基于GPS授時單片機智能音樂打鈴系統(tǒng)設(shè)計

湯宇　孫慧

摘要：由于目前大部分企業(yè)、學(xué)校等單位所使用的打鈴裝置多由單片機和定時芯片構(gòu)成，每天計時誤差達(dá)0.5S，日積月累走時誤差會達(dá)數(shù)分鐘，甚至十多分鐘，給科學(xué)管理造成不便。本文提出了基于GPS授時和AVR單片機構(gòu)成的智能音樂打鈴系統(tǒng)，利用12864液晶模塊以中文方式顯示當(dāng)前年、月、日、時、分、星期、溫度等生活信息及打鈴設(shè)置時的時間信息。本設(shè)計以GPS中時間信號為基準(zhǔn)，精度極高，用戶界面友好，操作方便，只要將響鈴時間設(shè)置相同，便可實現(xiàn)多廠區(qū)、多校區(qū)的響鈴保持同步。

關(guān)鍵詞：GPS ATmega16 打鈴系統(tǒng)

中圖分類號：G04R20/04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0027-02

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要由電源電路、AVR單片機、GPS授時模塊、按鍵電路、LCD12864液晶顯示模塊、溫度檢測、聲光電路、音樂打鈴輸出電路構(gòu)成，如圖1所示。

1.1 GPS模塊

本系統(tǒng)選用U-BLOX NEO-6M GPS模塊接收解調(diào)GPS信號，如下圖2所示。GPS信號中的時間是由銫原子鐘產(chǎn)生的，時間精度極高，因此從中提取時間信號作為打鈴系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，可使打鈴系統(tǒng)的計時精度大大提高。

1.2 微處理器

以ATmega16單片機為控制核心，利用其串口接收GPS模塊的數(shù)據(jù)信息，并通過程序解析出需要的時間信號，用作打鈴系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。同時采集DS18B20溫度傳感器的溫度信息，將GPS時間和DS18B20溫度信息顯示在LCD12864屏幕上。

1.3 音樂播放模塊

打鈴輸出使用MP3播放模塊，如圖3所示。當(dāng)設(shè)置的響鈴時間與GPS的基準(zhǔn)時間相同時，利用單片機控制MP3播放模塊以響起語音播報和短暫的音樂作為上、下課的鈴聲。

1.4 按鍵設(shè)置

用于對響鈴時間的設(shè)置，分別為設(shè)置、左移、右移、加數(shù)、減數(shù)和確認(rèn)共6個按鍵。按下“設(shè)置”鍵系統(tǒng)進(jìn)入時間設(shè)置界面，調(diào)整時間利用“左移、右移、加數(shù)、減數(shù)”鍵，設(shè)置完畢按“確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)將保存好設(shè)定的時間。

2 軟件設(shè)計

2.1 GPS與單片機串行通訊數(shù)據(jù)協(xié)議

U-BLOX NEO-6M GPS接收模塊的串行輸出數(shù)據(jù)格式采用了NMEA所指定的標(biāo)準(zhǔn)格式，包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通信協(xié)議。本設(shè)計中選用了NMEA-0183協(xié)議數(shù)據(jù)格式，如下表1。

2.2 GPS時間數(shù)據(jù)提取

U-BLOX NEO-6M模塊的TXD腳為RS232的通信接口，其邏輯電平為TTL電平，可直接與單片機的RXD腳相連接，程序中利用單片機串口中斷方式接收GPRMC語句中的時間信息。NMEA-0183協(xié)議每一語句前均以字符“$”開始，可以通過判斷是否接收到字符“$”，判斷是否接收到完整的GPS信號，其流程如圖4所示。

2.3 主程序設(shè)計

打鈴系統(tǒng)主程序采用了模塊化結(jié)構(gòu)，主要包含了GPS信息提取函數(shù)、12864液晶顯示函數(shù)、DS18B20溫度測量函數(shù)、萬年歷顯示函數(shù)、打鈴時間設(shè)置函數(shù)和ATmega16單片機EEPROM數(shù)據(jù)斷電保持函數(shù)，程序設(shè)計流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)運行及操作

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)上電后，GPS進(jìn)入初始化過程，LCD12864顯示初始化界面，如圖6所示。GPS模塊接收并解調(diào)到穩(wěn)定可靠的GPS數(shù)據(jù)信息后，系統(tǒng)進(jìn)入萬年歷顯示界面，如圖7所示。

3.2 響鈴時間設(shè)置

根據(jù)作息時間表，共可設(shè)置50組打鈴時間，如圖8所示。當(dāng)響鈴時間到，單片機控制音樂播放模塊響起語音播報和短暫的音樂作為上、下課的鈴聲。

3.3 斷電數(shù)據(jù)存儲

本系統(tǒng)在實際使用過程中考慮到系統(tǒng)斷電后，之前所設(shè)置的打鈴時間數(shù)據(jù)將會因單片機復(fù)位而隨之清零，使用了ATMEGA16單片機內(nèi)部自帶的EEROM數(shù)據(jù)存儲區(qū)來單獨存儲通過按鍵設(shè)置的打鈴時間數(shù)據(jù)。每次單片機斷電重新啟動后，會自動讀取之前設(shè)置的打鈴時間數(shù)據(jù)，使用起來更方便。

4 結(jié)語

采用GPS時間為基準(zhǔn)的打鈴系統(tǒng)走時精確、使用方便、人機界面交互友好，目前該打鈴系統(tǒng)已成功實現(xiàn)了試運行。因GPS信號易受到高樓及密集高層建筑物而信號減弱，在室內(nèi)收不到GPS信號的場合，系統(tǒng)無法正常工作。若本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用無線透明模塊進(jìn)行傳輸，即將GPS信號模塊和單片機控制模塊進(jìn)行分離，則可方便地實現(xiàn)只使用一個GPS模塊對多機同步打鈴的控制要求?？梢姡驹O(shè)計具有一定的推廣價值。

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