基于GPS授時單片機智能音樂打鈴系統設計

湯宇　孫慧

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

關鍵詞：GPS ATmega16 打鈴系統

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

1 系統結構

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成，如圖1所示。

1.1 GPS模塊

本系統選用U-BLOX NEO-6M GPS模塊接收解調GPS信號，如下圖2所示。GPS信號中的時間是由銫原子鐘產生的，時間精度極高，因此從中提取時間信號作為打鈴系統的時間基準，可使打鈴系統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模塊的數據信息，并通過程序解析出需要的時間信號，用作打鈴系統的時間基準。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。當設置的響鈴時間與GPS的基準時間相同時，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 按鍵設置

用于對響鈴時間的設置，分別為設置、左移、右移、加數、減數和確認共6個按鍵。按下“設置”鍵系統進入時間設置界面，調整時間利用“左移、右移、加數、減數”鍵，設置完畢按“確認”鍵，系統將保存好設定的時間。

2 軟件設計

2.1 GPS與單片機串行通訊數據協議

U-BLOX NEO-6M GPS接收模塊的串行輸出數據格式采用了NMEA所指定的標準格式，包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通信協議。本設計中選用了NMEA-0183協議數據格式，如下表1。

2.2 GPS時間數據提取

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 主程序設計

打鈴系統主程序采用了模塊化結構，主要包含了GPS信息提取函數、12864液晶顯示函數、DS18B20溫度測量函數、萬年歷顯示函數、打鈴時間設置函數和ATmega16單片機EEPROM數據斷電保持函數，程序設計流程如圖5所示。

3 系統運行及操作

3.1 系統初始化

系統上電后，GPS進入初始化過程，LCD12864顯示初始化界面，如圖6所示。GPS模塊接收并解調到穩定可靠的GPS數據信息后，系統進入萬年歷顯示界面，如圖7所示。

3.2 響鈴時間設置

根據作息時間表，共可設置50組打鈴時間，如圖8所示。當響鈴時間到，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 斷電數據存儲

本系統在實際使用過程中考慮到系統斷電后，之前所設置的打鈴時間數據將會因單片機復位而隨之清零，使用了ATMEGA16單片機內部自帶的EEROM數據存儲區來單獨存儲通過按鍵設置的打鈴時間數據。每次單片機斷電重新啟動后，會自動讀取之前設置的打鈴時間數據，使用起來更方便。

4 結語

采用GPS時間為基準的打鈴系統走時精確、使用方便、人機界面交互友好，目前該打鈴系統已成功實現了試運行。因GPS信號易受到高樓及密集高層建筑物而信號減弱，在室內收不到GPS信號的場合，系統無法正常工作。若本系統的數據傳輸采用無線透明模塊進行傳輸，即將GPS信號模塊和單片機控制模塊進行分離，則可方便地實現只使用一個GPS模塊對多機同步打鈴的控制要求。可見，本設計具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]謝維成.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.4.100-112.

[2]沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2009.6.12-23.

[3]邱致和.GPS原理與與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.2.125-133.

[4]李明峰.GPS定位技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，2007.7.156-198.