基于GPS授时单片机智能音乐打铃系统设计

汤宇　孙慧

摘要：由于目前大部分企业、学校等单位所使用的打铃装置多由单片机和定时芯片构成，每天计时误差达0.5S，日积月累走时误差会达数分钟，甚至十多分钟，给科学管理造成不便。本文提出了基于GPS授时和AVR单片机构成的智能音乐打铃系统，利用12864液晶模块以中文方式显示当前年、月、日、时、分、星期、温度等生活信息及打铃设置时的时间信息。本设计以GPS中时间信号为基准，精度极高，用户界面友好，操作方便，只要将响铃时间设置相同，便可实现多厂区、多校区的响铃保持同步。

关键词：GPS ATmega16 打铃系统

中图分类号：G04R20/04 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0027-02

1 系统结构

主要由电源电路、AVR单片机、GPS授时模块、按键电路、LCD12864液晶显示模块、温度检测、声光电路、音乐打铃输出电路构成，如图1所示。

1.1 GPS模块

本系统选用U-BLOX NEO-6M GPS模块接收解调GPS信号，如下图2所示。GPS信号中的时间是由铯原子钟产生的，时间精度极高，因此从中提取时间信号作为打铃系统的时间基准，可使打铃系统的计时精度大大提高。

1.2 微处理器

以ATmega16单片机为控制核心，利用其串口接收GPS模块的数据信息，并通过程序解析出需要的时间信号，用作打铃系统的时间基准。同时采集DS18B20温度传感器的温度信息，将GPS时间和DS18B20温度信息显示在LCD12864屏幕上。

1.3 音乐播放模块

打铃输出使用MP3播放模块，如图3所示。当设置的响铃时间与GPS的基准时间相同时，利用单片机控制MP3播放模块以响起语音播报和短暂的音乐作为上、下课的铃声。

1.4 按键设置

用于对响铃时间的设置，分别为设置、左移、右移、加数、减数和确认共6个按键。按下“设置”键系统进入时间设置界面，调整时间利用“左移、右移、加数、减数”键，设置完毕按“确认”键，系统将保存好设定的时间。

2 软件设计

2.1 GPS与单片机串行通讯数据协议

U-BLOX NEO-6M GPS接收模块的串行输出数据格式采用了NMEA所指定的标准格式，包含传输资料的格式以及传输资料的通信协议。本设计中选用了NMEA-0183协议数据格式，如下表1。

2.2 GPS时间数据提取

U-BLOX NEO-6M模块的TXD脚为RS232的通信接口，其逻辑电平为TTL电平，可直接与单片机的RXD脚相连接，程序中利用单片机串口中断方式接收GPRMC语句中的时间信息。NMEA-0183协议每一语句前均以字符“$”开始，可以通过判断是否接收到字符“$”，判断是否接收到完整的GPS信号，其流程如图4所示。

2.3 主程序设计

打铃系统主程序采用了模块化结构，主要包含了GPS信息提取函数、12864液晶显示函数、DS18B20温度测量函数、万年历显示函数、打铃时间设置函数和ATmega16单片机EEPROM数据断电保持函数，程序设计流程如图5所示。

3 系统运行及操作

3.1 系统初始化

系统上电后，GPS进入初始化过程，LCD12864显示初始化界面，如图6所示。GPS模块接收并解调到稳定可靠的GPS数据信息后，系统进入万年历显示界面，如图7所示。

3.2 响铃时间设置

根据作息时间表，共可设置50组打铃时间，如图8所示。当响铃时间到，单片机控制音乐播放模块响起语音播报和短暂的音乐作为上、下课的铃声。

3.3 断电数据存储

本系统在实际使用过程中考虑到系统断电后，之前所设置的打铃时间数据将会因单片机复位而随之清零，使用了ATMEGA16单片机内部自带的EEROM数据存储区来单独存储通过按键设置的打铃时间数据。每次单片机断电重新启动后，会自动读取之前设置的打铃时间数据，使用起来更方便。

4 结语

采用GPS时间为基准的打铃系统走时精确、使用方便、人机界面交互友好，目前该打铃系统已成功实现了试运行。因GPS信号易受到高楼及密集高层建筑物而信号减弱，在室内收不到GPS信号的场合，系统无法正常工作。若本系统的数据传输采用无线透明模块进行传输，即将GPS信号模块和单片机控制模块进行分离，则可方便地实现只使用一个GPS模块对多机同步打铃的控制要求。可见，本设计具有一定的推广价值。

参考文献

[1]谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.4.100-112.

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