基于单片机的GPS定位系统标准设计.doc

基于单片机GPS定位系统设计摘 要GPS是全球定位系统英文名词Global Positioning System缩写。该系统是美国布设第二代卫星无线电导航系统。它能为用户提供全球性、全天候、连续、实时、高精度三维坐标、三向速度和时间信息。其目标是在全球范围内对地面和空中目标进行正确定位和监测。现在，GPS接收机作为一个优异导航和定位仪器，已在军事及民用领域得到广泛应用。本设计是基于AT89C51单片机来实现简易GPS定位信息显示系统。本控制系统关键完成接收数据、时间显示、经度显示、纬度显示等常规功效。此方案基于单片机、GPS模块和12864液晶显示器等硬件, 并应用C语言实现了GPS信号提取、显示及基础键盘控制操作等。经过实践测试 ,这种接收机能够达成基础GPS信息接收和显示，能够做到体积小、精度高、连续导航，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。关键词：GPS定位系统，单片机，液晶显示器 DESIGN OF GPS RECEIVER BASED ON 51 SINGLE CHIP COMPUTERABSTRACTGPS is the abbreviation of the English term Global Positioning System global positioning system. The system is the United States laid the second generation satellite radio navigation system. It can provide users with continuous, real-time, global, round-the-clock, high precision three dimensional coordinates, three velocity and time information. Aimed at targets on the ground and in the air around the world an accurate positioning and monitoring. Now, as an advanced GPS receiver navigation and positioning equipment, has a wide range of applications in military and civilian areas.This design based on the AT89C51 microcontroller is used to implement a simple GPS positioning information display system. This control system is mainly done to accept the data, time display, latitude, longitude, and other routine functions. This program is based on single-chip, GPS module and 12864 LCD display, hardware, c language implementation and application of the GPS signal extraction, display and keyboard control of basic operations. Practice tests, this receiver can receive and display the basic GPS information. small size, high accuracy, continuous navigation can be done, and can be widely applied to individuals in the wild tour adventure, hire car positioning and operations at sea, and other areas.KEY WORDS: GPS positioning system, microcontroller, LCD display目录前言1第1章 GPS系统介绍31.1 GPS由来及发展31.2 GPS定位系统基础原理31.3 GPS模块定位步骤41.4 本设计关键工作4第2章 系统硬件设计52.1 单片机52.1.1 AT89C51单片机结构原理62.1.2 AT89C51单片机关键特征72.2 GPS模块72.2.1 概述72.2.2 关键技术参数及产品特点82.2.3 管脚介绍及和单片机接口电路82.3 显示部分102.3.1 LCD12864概述112.3.2 基础特征122.3.3 模块接口说明12第3章 系统软件设计143.1 系统软件概述143.2 软件程序编写143.2.1 初始化模块153.2.2 数据接收处理模块15第4章 系统调试174.1 硬件调试174.2 软件调试174.3 系统测试结果18结论20谢 辞21参考文件22附录24外文资料翻译44前言GPS卫星导航全球定位系统问世以来，在导航、定位领域发展势头迅猛，引发世界各界人士关注。含有高精度、全天候、全球覆盖、高效率、多功效、操作简便等特点。广泛应用于地面车辆跟踪和城市智能交通管理方面。车载GPS系统配合电子地图，适时掌握自己方位和目标地，对锁定目标进行跟踪、监控，从而达成防御、求援之目标。满足对机动车辆指挥、调度、管理、监控、导航、通讯等需求。改变了大家工作方法，提升了工作效率，带来了巨大社会效益和经济效益。伴随大家对运输载体监控、跟踪和智能化管理要求提升，GPS在中国立即进入爆发性发展阶段，蕴藏着巨大发展空间。GPS系统包含三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。GPS系统经过使用来自多个卫星信号来确定地面或近地面任何位置移动接收机位置。中国卫星定位技术综合了GPS卫星导航全球定位，GSM全球数字蜂窝移动通信，GIS地理信息，计算机网络技术全方位技术应用。利用GPS卫星信号接收机，跟踪这些卫星运行，对所接收到GPS信号进行变换、放大和处理，测量传输时间，解译导航电文。接收机24h不间断地接收卫星发送数据参数，算出接收三维位置、三维方向和运动速度和时间信息。全球定位系统GPS是多年来开发最含有开创意义高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性导航定位、定时、测速优势肯定会在很多领域中得到越来越广泛应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。现在，GPS技术在中国道路工程和交通管理中应用还刚刚起步，相信伴随中国经济发展，高等级公路快速修建和GPS技术应用研究逐步深入，其在道路工程中应用也会愈加广泛和深入，并发挥更大作用。自20世纪90年代GPS系统向全世界无偿开放以来, GPS系统已广泛应用在导航、大地测量、正确授时、线路巡检及车辆防盗等领域。接收机是取得 GPS系统服务关键设备,现在已经有从手持式到台式数百种型号接收机可供用户选择。通用接收机功效齐全,除了信号接收单元外,往往还配置有显示单元和人机对话设备。这首先为用户提供了极大方便，但 GPS定位接收机价格比较昂贵而且使用灵活性低,难以满足特定条件下应用需求,造成了资金浪费。所以,众多用户期望根据自己使用环境和性能要求设计和使用个性化GPS定位接收机。本文首先介绍了GPS系统由来及其发展、基础概念、GPS接收机工作原理及接收机定位步骤。然后对单片机及其串口通信、M-87及其NMEA-0183语句数据格、液晶显示器进行了具体叙述，而且设置了所需外围电路。接着具体地介绍了该GPS接收机软件设计过程。经过C语言实现了GPS信号提取、显示等。经过实践测试,这种接收机能够达成基础GPS信息接收和显示，能够做到方便灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。 第1章 GPS系统介绍1.1 GPS由来及发展导航卫星定时测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System GPS)是美国第二代卫星导航系统。它在 1973年底由美国陆海空三军等单位协调分工提出能替换旧式导航设备,为军用舰船、飞机车辆等用户提供全球全天候、连续实时服务高精度三维导航系统。系统由空间部分、地面监控部分和地面接收机部分组成。定位服务包含精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS授权精密定位系统用户需要密码设备和特殊接收机。SPS对于一般民用用户,供全世界用户无偿、无限制地使用。因为GPS含有全球覆盖和精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点,多年来在中国外得到广泛应用,在各个领域发挥了极大作用,已成为信息时代不可缺乏一部分。多种GPS民用产品开发,已是经济和社会发展肯定要求,其前景将会很宽广和光明,尤其是在中国,经过这些年来对它认识不停加深,中国GPS开发应用也一定会以科技力量推进经济和社会发展一颗巨星,对中国经济和社会发展产生重大影响。1.2 GPS定位系统基础原理每颗GPS卫星时刻公布其位置和时间数据信号，用户接收机能够测量每颗卫星信号到接收机时间延迟，依据信号传输速度能够计算出接收机到不一样卫星距离。同时搜集最少4颗卫星数据时，经过变频、放大、 滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号跟踪、锁定和测量,从而产生计算位置数据信息(包含：纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星情况等),经由I/O口输出串行数据。1.3 GPS模块定位步骤（1）搜索可用卫星，接收卫星信号，和卫星信号同时，提取导航电文信息。（2）从导航电文中获取计算位置所需信息，这些信息应该包含时钟信息和星历等数据。（3）计算卫星正确位置，这包含计算卫星高度和方位角，从而进行必需对流层校正。（4）计算伪距，并进行电离层校正等。（5）反复上述过程，对全部可用卫星进行对应计算。（6）进行其它必需校正，比如依据卫星信号抵达GPS接收机时间，校正地球旋转所造成卫星位置偏差。（7）依据定位原理，计算出GPS接收机初始位置，并将其转换成所需坐标格式进行显示或输出。（8）加入闰秒和UTC（标准世界时）时间赔偿计算目前正确时间。（9）分析可用卫星信息，计算最好DOP(Dilution of Precision)，进行选星，并计算和修正GPS接收机位置，给出GPS接收机三维坐标和正确时间信息。1.4 本设计关键工作本文关键目标是在GPS和单片机理论知识上，选择Atmel企业AT89C51提取GPS模块接收数据并由12864液晶显示接收数据。在此设计过程中，关键熟悉Holux-M-87 GPS模块各性能指标，学习NMEA封包并知道使用NMEA输出命令，结合单片机串行通信知识，实现对GPS接收到卫星信息进行提取，并在12864液晶显示平台上选择性显示数据。第2章 系统硬件设计课题要求研制GPS接收机要含有接收、处理、显示信息功效。硬件上必需有对应接收处理部分、显示部分和配置输入部分，同时需要处理器实现各部分功效联合。因为单片机集成度高，系统结构简单，价格低廉，同时技术成熟，处理器部分使用单片机实现。本课题设计硬件系统关键由：单片机、GPS模块、显示部分等组成。图2-1所表示：图2-1 系统框图2.1 单片机硬件关键控制任务是由单片机来完成，单片机采取使硬件电路设计大大简化，而且性能愈加可靠。现在，可采取微处理器有很多个，如:MCS-51、Me6sol、280、eopsoo等8位单片机，即使16位单片机在1982年已经问世，但其发展并不像大家想象那样快，尽管在一些性能指标方面超出了8位单片机，但从性价比及开发周期等综合效益上却不如8位单片机，所以应用并不普及。在此次设计中，采取MCS-51系列单片机，即使信号处理和计算功效相对差些，但其结构简单、体积小、性价比高、可靠性高、功耗小及应用范围广，适合于小型化作业。所以，选择AT89C51单片机作为微控制器。它含有全双工异步通信口,可和M-87接口进行数据读取、处理和输出。GPS信号接收和处理部分和单片机进行串口通信时,因为全部采取了TTL电平,故二者之间不需进行电平转换就可直接通信。2.1.1 AT89C51单片机结构原理AT89C51是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除100次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效精简微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价格低廉方案，其引脚排列图2-2所表示：图2-2 AT89C51引脚图引脚XTAL1和XTAL2分别为反向放大器输入和输出。该反向放大器能够配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采取。如采取外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要经过一个二分频触发器，所以对外部时钟信号脉宽无任何要求，但必需确保脉冲高低电平要求宽度。2.1.2 AT89C51单片机关键特征(1) 和MCS-51兼容。 (2) 4K字节可编程闪烁存放器。 (3) 寿命：1000写/擦循环。(4) 数据保留时间：。(5) 全静态工作：0Hz-24MHz。(6) 三级程序存放器锁定。(7) 1288位内部RAM。(8) 32可编程I/O线。(9) 两个16位定时器/计数器。(10) 5个中止源。 (11) 可编程串行通道。(12) 低功耗闲置和掉电模式。(13) 片内振荡器和时钟电路。2.2 GPS模块2.2.1 概述 依据设计需要，GPS模块选择M-87，图2-3所表示。M-87是一个依据低耗电Mediatek GPS处理方案设计超小型25.425.47 mm GPS引擎机板。它是一个高性能、低功耗、小型并很轻易联合GPS模块，应用范围广泛。它对于导航应用提供高达-159dBm绝佳灵敏度和快速第一次定位时间。M-87是您想要内嵌在使用于GPS服务PDA、PND、行动电话、可携式装置设计中最好选择。图2-3 M-87 GPS模块2.2.2 关键技术参数及产品特点关键技术参数：(1) 工作电压：3.55V直流。(2) 接收灵敏度：-159dBm。(3) 体积大小：25.425.47 mm。(4) 模块重量：7克。(5) 定位精度：= 24) /判定得到时间是否超出二十四小时，超出变作减24处理 j - = 24; g_DisTime0 = j/10+0; /将北京时间高一位作码型变换并给予高一位显示 g_DisTime1 = j%10 +0;/将北京时间高二位作码型变换并给予高二位显示在调试中出现一个问题，在做了以上处理后，时间小时位数据并不完全正确，高位显示和北京时间相同，但低位却和UTC时间相同。在做了多种尝试（如在UTC时间上做加9处理、直接给六位时间g_DisTime5赋值等）后总结出这么一个问题，以上算法处理只对六位数据位高一位处理有效，低五位显示一直全部是正确UTC时间。经过分析，初步认定上面程序并没有被完全实施。因GPS接收模块源源不停传送数据给单片机处理，在运行过程中定位信息大约每秒钟更新一次，在主函数中对收到时间进行处理时有可能会出现还没来得及处理完成时便接收到下一帧数据，故时间处理就可能会有只对高一位处理完成而没完成处理好低五位时又进入了串行口中止，那么液晶显示结果就是经过处理高一位(北京时间)和未经处理低五位(UTC时间)。考虑到以上原因，将原放在主函数时间转换处理程序放置在到中止时一收到UTC时间就对其进行转换处理。经过了调试，最终在液晶上显示出来正确北京时间，证实了以上分析、推断正确性。4.3 系统测试结果经过数次测试和改善，5月12日早晨在洛阳理工学院试验楼D楼进行测试，接收天线放置于户外接收信号，开启GPS接收系统，经过测试，液晶显示结果以下图5-1：图5-1 液晶显示结果 结论本课题是在了解了目前GPS导航系统条件下，自行开发一套GPS接收系统。GPS接收机开发和研制，关键是了解GPS原理，熟悉GPS接收机工作原理及其各部分工作步骤。GPS信号处理这一块由M-87实现，经过M-87和MCS-51兼容系列单片机串口相连，配置了所需外围电路，同时配有液晶显示器，能够显示字符，并具体介绍了该GPS接收机硬件和软件设计。开发GPS接收机已经能够正常工作，同时显示定位精度和定位速度等各方面指标全部满足要求。经过试验模拟仿真，结合本课题人机界面、参数设置和计算等，能够满足课题要求，能够实现导航功效。经过本课题完成，我对GPS原理有了深入了解，熟练地掌握了GPS接收机工作原理。同时，我对单片机应用有了更深入掌握，提升了单片机外围电路设计和软件设计经验和能力。这些对我以后工作提升全部有所帮助。同时，因为水平有限和时间问题，还存在很多不足。没有进行误差分析，且定位数据可能有误差，这些方面有待改善和提升。谢 辞在此，首先我要感谢耐心细致、知识丰富，给我们很大帮助王老师！在毕业设计期间，从设计题目标选择，到资料查找、原理讲解，再到以后毕业论文结构布局和汇报内容修改全部给我们耐心教导。在这里我要向老师表示最衷心最真挚地感谢！我们有很多基础理论知识掌握不牢，一面帮我们查漏补缺，一面发挥我们专长，让我们课题能够顺利有序地进行到满足要求。其次，我还要感谢我们课题组一起奋斗同学，在共同学习中，我们互帮互助，愉快地完成了毕业设计！另外，还要感谢以前代课老师,她们在各方面全部给了我不少帮助,愿她们工作愉快,身体健康！最终，向在这三年期间帮助过、关心过我老师和同学致以衷心地感谢，愿大家身体健康、工作愉快轻松、生活幸福安康！参考文件1洪大永. GPS全球定位系统技术及应用M. 福建: 厦门大学出版社, 19982高锋. 单片微型计算机原理和接口技术M. 北京: 科学出版社, 3徐惠民, 安德宁. 单片微型计算机原理接口和应用M. 北京: 北京邮电大学出版社, 19964郑晓霞. 基于AT89S51单片机试验开发系统设计D. 内蒙古大学 5戴佳, 戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计M. 北京: 电子工业出版社, 6何立民. 从Cygnal 80C51F看8位单片机发展之路J. 单片机和嵌入式系统应用, ,第5期: 587郝振涛,张建北,江恒,乔曼. GPS定位监控装置P. 中国专利: CN29819U, -11-108俞海红, 陈素珊, 何勇. GPS定位试验及提升定位精度方法研究J. 浙江大学学报(农业和生命科学版). ,第6期: 76819邹于丰,基于AT89C2051单片机GPS时钟系列J. 电子世界.,第5期: 3910张俊中, 杨传宽, 雷伟伟. GPS技术在工程测量中应用J. 黑龙江科技信息. ,第25期: 1711张海龙. 基于单片机GPS定位显示系统J. 网络和信息. ,第4期: 4712 GPS Forward Model Computing Study On CPU/GPU Co-Processing Parallel System Using CUDAA. Proceedings of the IEEE International Conference on Progress in Informatics and ComputingC. 13 Yu Wang 1; a; Zhenyao Zheng 2; b; Department of Physics;Xiamen University; Xiamen. 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