基于GPS授時(shí)單片機(jī)智能音樂(lè)打鈴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)和定時(shí)芯片構(gòu)成，每天計(jì)時(shí)誤差達(dá)0.5S，日積月累走時(shí)誤差會(huì)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(shí)和AVR單片機(jī)構(gòu)成的智能音樂(lè)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(shí)、分、星期、溫度等生活信息及打鈴設(shè)置時(shí)的時(shí)間信息。本設(shè)計(jì)以GPS中時(shí)間信號(hào)為基準(zhǔn)，精度極高，用戶界面友好，操作方便，只要將響鈴時(shí)間設(shè)置相同，便可實(shí)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(hào)：G04R20/04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)、GPS授時(shí)模塊、按鍵電路、LCD12864液晶顯示模塊、溫度檢測(cè)、聲光電路、音樂(lè)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(hào)，如下圖2所示。GPS信號(hào)中的時(shí)間是由銫原子鐘產(chǎn)生的，時(shí)間精度極高，因此從中提取時(shí)間信號(hào)作為打鈴系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，可使打鈴系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度大大提高。

1.2 微處理器

以ATmega16單片機(jī)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(guò)程序解析出需要的時(shí)間信號(hào)，用作打鈴系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。同時(shí)采集DS18B20溫度傳感器的溫度信息，將GPS時(shí)間和DS18B20溫度信息顯示在LCD12864屏幕上。

1.3 音樂(lè)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(shí)間與GPS的基準(zhǔn)時(shí)間相同時(shí)，利用單片機(jī)控制MP3播放模塊以響起語(yǔ)音播報(bào)和短暫的音樂(lè)作為上、下課的鈴聲。

1.4 按鍵設(shè)置

用于對(duì)響鈴時(shí)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(gè)按鍵。按下“設(shè)置”鍵系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)間設(shè)置界面，調(diào)整時(shí)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(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 GPS與單片機(jī)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(jì)中選用了NMEA-0183協(xié)議數(shù)據(jù)格式，如下表1。

2.2 GPS時(shí)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(jī)的RXD腳相連接，程序中利用單片機(jī)串口中斷方式接收GPRMC語(yǔ)句中的時(shí)間信息。NMEA-0183協(xié)議每一語(yǔ)句前均以字符“$”開(kāi)始，可以通過(guò)判斷是否接收到字符“$”，判斷是否接收到完整的GPS信號(hào)，其流程如圖4所示。

2.3 主程序設(shè)計(jì)

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(cè)量函數(shù)、萬(wàn)年歷顯示函數(shù)、打鈴時(shí)間設(shè)置函數(shù)和ATmega16單片機(jī)EEPROM數(shù)據(jù)斷電保持函數(shù)，程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)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(guò)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(wàn)年歷顯示界面，如圖7所示。

3.2 響鈴時(shí)間設(shè)置

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

3.3 斷電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中考慮到系統(tǒng)斷電后，之前所設(shè)置的打鈴時(shí)間數(shù)據(jù)將會(huì)因單片機(jī)復(fù)位而隨之清零，使用了ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)部自帶的EEROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)來(lái)單獨(dú)存儲(chǔ)通過(guò)按鍵設(shè)置的打鈴時(shí)間數(shù)據(jù)。每次單片機(jī)斷電重新啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)讀取之前設(shè)置的打鈴時(shí)間數(shù)據(jù)，使用起來(lái)更方便。

4 結(jié)語(yǔ)

采用GPS時(shí)間為基準(zhǔn)的打鈴系統(tǒng)走時(shí)精確、使用方便、人機(jī)界面交互友好，目前該打鈴系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)了試運(yùn)行。因GPS信號(hào)易受到高樓及密集高層建筑物而信號(hào)減弱，在室內(nèi)收不到GPS信號(hào)的場(chǎng)合，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。若本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線透明模塊進(jìn)行傳輸，即將GPS信號(hào)模塊和單片機(jī)控制模塊進(jìn)行分離，則可方便地實(shí)現(xiàn)只使用一個(gè)GPS模塊對(duì)多機(jī)同步打鈴的控制要求。可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]謝維成.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.4.100-112.

[2]沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.6.12-23.

[3]邱致和.GPS原理與與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.2.125-133.

[4]李明峰.GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.7.156-198.