大学论文关于单片机的GPS定位系统.docx

1、前 言 随着时代的发展，先进的科学技术给人们的生活带来了翻天覆地的变化。各种各样的智能化产品层出不穷，推动着社会的进步。全球定位系统 GPS 是美国从 20 世纪 70 年代开始研制，在 1994 年建成，以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航与定位系统，它以全球性、全能性、全天候性、连续实时高精度的实时时间、三维位置、三维速度为人们的生活带来了方便。随着全球定位技术的不断改进和完善，它的应用领域将会不断地扩大，必将成为信息时代不可缺少的一部分。在我们的生活中 GPS 定位系统给我们带来了便利，如车载 GPS 导航仪、 GPS 手持设备、 GPS/GPRS 远程终端控制设备等，但是他们的价格比

2、较昂贵。本设计使用低功耗的 AT89S52单片机、 GPS卫星定位模块和 LCD12864液晶显示模块来实现对 GPS 定位信息的计算和显示。 GPS 信息主要有 GPGSV（可见卫星信息）、 GPGLL（地理定位信息）、 GPRMC（推荐最小定位信息）、 GPVTG（地面速度信息）、GPGGA（ GPS 定位信息）和 GPGSA（当前卫星信息）。在设计中我用软件只对 GPRMC（最小定位信息）和 GPGGA（ GPS 定位信息）进行了解析，并将解析后的数据转换成字符，通过 LCD12864 显示日 期、时间、经度、纬度、航向、速度和海拔高度等卫星信息。本设计思路清晰、结构简易、性价比高，对研

3、究 GPS 定位系统二次开发有重要作用。 1.总体设计方案 1.1系统设计框图 本设计主要由电源电路、复位电路、时钟电路、串口通信电路、 GPS 接收模块、LCD12864 显示电路组成。电源电路为系统提供电源，复位电路用于单片机的初始化操作，时钟电路用于是单片机工作在统一的时钟脉冲。 GPS 接收模块由 GPS 接收电路和 GPS 接收天线组成。 GPS 接收机用于接收 GPS 卫星信号，并将接收到的信息通过串口通信方式发送到单片机中。单片机 通过软件程序对接收到的 GPS 定位信息进行计算解析，并将解析的结果通过 LCD12864 显示。系统设计框图如图 1所示： AT89S52时钟电路L

4、CD12864显示模块电路GPS接 收模块复位电路串口通信电路电源电路图 1 系统设计框图 2.设计原理 2.1 AT89S52 单片机结构和原理 2.1.1 AT89S52 单片机功能特性 AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能 COMS8 位控制器，具有 8K 可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，适宜于常规编程。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，

5、三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软 件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52 引脚分布图如图 2 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 4- J u n -

6、2 0 11 S he e t o f F i l e : E : 汽车课设等 2 01 1 年 6 月课程设计 G P S 定位系统设计 G P S 定位系统 .D d bD r a w n B y:R S T9X T A L 218X T A L 119GND20P 2. 0 ( A 8 )21P 2. 1 ( A 9 )22P 2. 2 ( A 1 0)23P 2. 3 ( A 1 1)24P 2. 4 ( A 1 2)25P 2. 5 ( A 1 3)26P 2. 6 ( A 1 4)27P 2. 7 ( A 1 5)28P S E N29A L E ( P R O G )30E A

7、( V P P )31P 0. 7 ( A D 7)32P 0. 6 ( A D 6)33P 0. 5 ( A D 5)34P 0. 4 ( A D 4)35P 0. 3 ( A D 3)36P 0. 2 ( A D 2)37P 0. 1 ( A D 1)38P 0. 0 ( A D 0)39V C C40P 1. 0 ( T 2)1P 1. 1 ( T 2E X )2P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 5 ( M O S I )6P 1. 6 ( M I S O )7P 1. 7 ( S C K )8P 3. 0 ( R X D )10P 3. 1 ( T X D )11P

8、3. 2 ( I N T 0 )12P 3. 3 ( I N T 1 )13P 3. 4 ( T 0)14P 3. 5 ( T 1)15P 3. 6 ( W R )16P 3. 7 ( R O )17J?8 9S 5 2图 2 AT89S52 引脚分布图 AT89S52 主要性能： 与 MCS-51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作： 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I/O 口线 三个 16 位定时器 /计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指

9、针 掉电标识符 2.1.2 复位控制电路原理 复位是单片机的初始化操作，单片机在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使单片机和其他部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个工作状态开始工作。但是单片机自身不能自动进行复位，必须使用外部复位电路来实现单片机的复位。 单片机的外部复位电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路两种。我们采用的是按键手动 复位，当复位按键按下后，复位端与 VCC 电源接通，电容迅速放电，使 REST 引脚为高电平；当复位键弹起后， VCC 电源通过 10K 欧姆电阻对 22uf 电容重新充电， REST 引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于 RC 电路时间常数。复位控

10、制电路图如图 3所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R e v i s io nS iz eBD a t e : 1 2- J u n -2 0 11 S he e t o f F ile : F :我的 p ro te l客车超员自动检测系统 超员自动检测 .D d bD ra w n B y:C12 2u fS1S W -P BR31 0KR12 00V C CR E S T图 3 复位控制电路图 2.1.3 时钟控制电路原理 单片机的工作是在统一的时钟脉冲控制下进行的，这个时钟脉冲由单片机时钟电路发出，单片机的时钟产生有内部时钟和

11、外部时钟两种，我们采用的是内部时钟方式。 此方式是利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端接晶体振荡器，就构成了自激的振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时， C4和 C5 的值通常选择为 15PF 33PF 之间，电容对频率有微调作用。时钟控制电路图如图 4所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 2- J u n - 2 0 11 S he e t o f F i l e : F : 我的 p r o t e l 客车超员自动检

12、测系统 超员自动检测 .D d bD r a w n B y:C43 0pC53 0pY21 1. 0 59 2 MX1X2图 4 时钟控制电路图 2.2 GPS 结构组成 全球定位系统（ Global Positioning System） GPS 是美国第二代卫星导航系统 ， 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验 ， 和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面控 制 部分和用户 设备 三大部分组成。 GPS结构组成图如图 5所示： 图 5 GPS 结构组成图 2.2.1 空间部分 GPS 的空间部分由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成，它们位于距

13、离地球表面20200Km 的高空中。平均分配在 6个轨道平面上（每个平面 4 颗），轨道倾斜角为 55 ，各轨道平面升交点的赤径相差 60 度。 此外 ， 还有 4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方 、 任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星 ， 并能保持良好定位解算精度的几何图象 ， 这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 GPS 卫星产生两组电码 , 一组称为 C/A 码 ( Coarse/Acquisition Code11023MHz) ； 一组称为 P 码 (Precise Code 10123MHz)， P 码因频率较高 ， 不易受干扰 ， 定位精度高 ，因此受美国

14、军方管制 ， 并设有密码 ， 一般民间无法解读 ， 主要为美国军方服务 。C/A 码人为采取措施而刻意降低精度后 ， 主要开放给民间使用 。 GPS 卫星有如下基本功能： 接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制命令。 借组与卫星上设有的微处 理机进行必要的数据处理工作。 通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准。 向用户发送定位信息。 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 2.2.2 地面控制部分 地面控制部分由 1个主控站、 5个监测站和 3 个地面控制站组成。检测站是主控站直接控制下的数据自动采集中心，站内配有双频的 GPS 接收

15、机和高精度原子钟。检测站将卫星 观测数据 ,包括电离层和气象数据 ， 经过初步处理后 ， 传送到主控站 。 主控站从各监测站收集跟踪数据 ， 计算出卫星的轨道和时钟参数 ， 然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时 ， 把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次 ， 并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障 ， 那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间 ， 但导航精度会逐渐降低。 2.2.3 用户设备部分 用户设备即为 GPS 接收机本设计主要是设计该部分，其主要功能是能够捕获一定卫星截止角所选择的待测卫星，并

16、跟踪这些卫星。利用已经设计好的 GPS 接收模块接收卫星发送的定位信息，通过 MCU处理采集到的数据，并将数据转换成字符，显示定位信息 。 GPS 接收机的硬件，一般包括主机（包括 GPS数据采集芯片）、天线和电源，接收机中的微处理机算机是用户设备的核心部分，它可以按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在位置的经度、纬度、海拔高度、速度和日期时间信息。 2.3 GPS 工作原理 GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。本设计采用 GPS 绝对定位原理，参照坐标系为 WGS 84 坐标系。假设 t时间在地面安置 GP

17、S 接收机，测得 GPS 信号到达 GPS 接收机的时间为 t，再根据 GPS 接收 机上接收到的从 GPS 卫星发射回来的星历信息。测伪距观测方程图如图 6 所 6示： 图 6 测伪距观测方程图 上述四个方程式中待测点坐标 X、 Y、 Z 和 Vt0 为未知参数，其中 di=C ti（ i=1、 2、3、 4）。 di（ i=1、 2、 3、 4）分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 到接收机之间的距离。 ti（ i=1、 2、 3、 4）分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的信号到达接收机所经历的时间。 C为 GPS 信号的传播速度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如

18、下： X、 Y、 Z为待测点坐标的空间直角坐标。 Xi、 Yi、 Zi（ i=1、 2、 3、 4）分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 Vti（ i=1、 2、 3、 4）分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的卫星时钟差它由卫星星历提供。 Vt0 为接收机的时钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 X、 Y、 Z和接收机的时钟差 Vt0。 2.4 GPS 数据解析 本设计的 GPS 接收机根据 NMEA-0183 协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到单片机系统。 NMEA-0183 协议是 GPS 接收机应

19、当遵守的标准协议，也是目前 GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的 GPS 接收机、 GPS 数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。 NMEA 通讯协议所规定的通讯语句都已是以 ASCII 码为基础的， NMEA-0183 协议语句的数据格式如下：“ $”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“ $”和“ *”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）；“ ”为终止符，所有的语句必须以“ ” 或“ ”来结束，也就是 ASCII 字符的“回车”（十六进制的 0D）和“换行”（十六进制的 0A）。所有的信息由 $开始，以换行结束

20、，紧跟着 $后的五个字符解释了信息的基本类型，多个参数之间用逗号隔开。 NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者兼容性最广的语句有 $GPGGA、$GPGSA、 $GPGSV、 $GPRMC、 $GPVTG、 $GPGLL 等。 在设计中我们只对 GPRMC 数据和 GPRMC数据进行了解析。 2.4.1 GPRMC 数据详解 $GPRMC,*hh UTC 时间， hhmmss(时分秒 )格式 定位状态， A =有效定位， V =无效定位 纬度 ddmm.mmmm(度分 )格式 (前面的 0 也将被传输 ) 纬度半球 N(北半球 )或 S(南半球 ) 经度 dddmm.mmmm

21、(度分 )格式 (前面的 0也将被传输 ) 经度半球 E(东经 )或 W(西经 ) 地面速率 (000.0 999.9 节，前面的 0也将被传输 ) 地面航向 (000.0 359.9 度，以真北为参考基准，前面的 0 也将被传输 ) UTC 日期 ， ddmmyy(日月年 )格式 磁偏角 (000.0 180.0 度，前面的 0 也将被传输 ) 磁偏角方向， E(东 )或 W(西 ) 模式指示 (仅 NMEA0183 3.00 版本输出， A=自主定位， D=差分， E=估算， N=数据无效 ) 解析内容： 1. 时间，这个是格林威治时间，是世界时间（ UTC），我们需要把它转换成北京时间（

22、 BTC）， BTC 和 UTC 差了 8个小时，要在这个时间基础上加 8个小时。 2. 定位状态，在接收到有效数据前，这个位是 V，后面的数据都为空，接到有效数据后，这个位是 A，后面才开始有数据。 3. 纬度，我们需要把它转换成度分秒的格式，计算方法： 如接收到的纬度是： 4546.40891 4546.40891/100 = 45.4640891 可以直接读出 45 度 4546.40891 45 * 100 = 46.40891 可以直接读出 46分 46.40891 46 = 0.40891 * 60 = 24.5346 读出 24 秒 所以纬度是： 45 度 46分 24 秒。 4

23、. 南北纬，这个位有两种值 N（北纬）和 S（南纬） 5. 经度的计算方法和纬度的计算方法 一样 6. 东西经，这个位有两种值 E（东经）和 W（西经） 7. 速率，这个速率值是 海里 /时，单位是节，要把它转换成千米 /时，根据： 1 海里 = 1.85 公里，把得到的速率乘以 1.85。 8. 航向，指的是偏离正北的角度 9. 日期，这个日期是准确的，不需要转换 2.4.2 GPGGA 数据详解 $GPGGA,M,M,*xx $GPGGA：起始引导符及语句格式说明 (本句为 GPS 定位数据 ) UTC 时间，格式为 hhmmss.sss 纬度，格式为 ddmm.mmmm(第一位是零也将传

24、送 ) 纬度半球， N 或 S(北纬或南纬 ) 经度，格式为 dddmm.mmmm(第一位零也将传送 ) 经度半球， E 或 W(东经或西经 ) 定位质量指示， 0=定位无效， 1=定位有效 使用卫星数量，从 00 到 12(第一个零也将传送 ) 水平精确度， 0.5 到 99.9 天线离海平面的高度， -9999.9 到 9999.9 米 M 指单位米 大地水准面高度， -9999.9 到 9999.9 米 M指单位米 差分 GPS 数据期限 (RTCM SC-104)，最后设立 RTCM 传送的秒数量 差分参考基站标号，从 0000 到 1023(首位 0也将传送 ) 2.5 LCD128

25、64 液晶显示原理 LCD12864是一种具有 4/8位并行、 2线或 3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为 128 64，内置 8192个16*16点汉字和 128个 16*8点 ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 8 4行 16 16点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压低功耗是它的又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不但硬件电路结构和显示程序简单，该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 2.5.1 LCD12864 的

26、基本特性 低电源电压（ VDD:+3.0 +5.5V） 显示分辨率 :128 64点 内置汉字 字库，提供 8192个 16 16点阵汉字 (简繁体可选 ) 内置 128个 16 8点阵字符 2MHZ时钟频率 显示方式： STN、半透、正显 驱动方式： 1/32DUTY， 1/5BIAS 背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED的 1/5 1/10 通讯方式：串行、并口可选 内置 DC-DC转换电路，无需外加负压 无需片选信号，简化软件设计 工作温度 : 0 +55 ,存储温度 : -20 +60 表 1 LCDD12864 并行接口表 管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述 1 V

27、SS 0V 电源地 2 VCC 3.0+5V 电源正 3 V0 - 对比度（亮度）调整 4 RS(CS） H/L RS=“ H” ,表示 DB7 DB0 为显示数据 RS=“ L” ,表示 DB7 DB0 为显示指令数据 5 R/W(SID) H/L R/W=“ H” ,E=“ H” ,数据被读到 DB7 DB0 R/W=“ L” ,E=“ H L” , DB7 DB0 的数据被写到 IR 或 DR 6 E(SCLK) H/L 使能信号 7 DB0 H/L 三态数据线 8 DB1 H/L 三态数据线 9 DB2 H/L 三态数据线 10 DB3 H/L 三态数据线 11 DB4 H/L 三态数

28、据线 12 DB5 H/L 三态数据线 13 DB6 H/L 三态数据线 14 DB7 H/L 三态数据线 15 PSB H/L H： 8 位或 4 位并口方式， L：串口方式（见注释 1） 16 NC - 空脚 17 /RESET H/L 复位端，低电平有效（见注释 2） 18 VOUT - LCD 驱动电压输出端 19 A VDD 背光源正端（ +5V）（见注释 3） 20 K VSS 背光源负端（见注释 3） 注释 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 PSB接固定高电平，也可以将模块上的 J8和“ VCC”用焊锡短接。 注释 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场

29、合可将该端悬空。 注释 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 JA、 JK用焊锡短接。 3.模块电路设计 3.1单片机最小系统 单片机最小系统由复位电路、时钟电路、 P0 口加上拉电阻组成。 我们采用的是按键手动复位，当复位按键按下后，复位端与 VCC 电源接通，电容迅速放电，使 REST 引脚为高电平；当复位键弹起后， VCC 电源通过 10K 欧姆电阻对 22uf 电容重新充电， REST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于 RC 电路时间常数。时钟电路我们采用的是内部时钟方式。 此方式是利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端接晶体振荡器，就够成了自激

30、的振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。最小系统电路图如图 7 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9- J u n - 2 0 11 S he e t o f F i l e : E : 汽车课设等 2 01 1 年 6 月课程设计 G P S 定位系统设计 超员自动检测 .D d bD r a w n B y:R S T9X T A L 218X T A L 119GND20P 2. 0 ( A 8 )21P 2. 1 ( A 9 )22P 2. 2 ( A

31、 1 0)23P 2. 3 ( A 1 1)24P 2. 4 ( A 1 2)25P 2. 5 ( A 1 3)26P 2. 6 ( A 1 4)27P 2. 7 ( A 1 5)28P S E N29A L E ( P R O G )30E A ( V P P )31P 0. 7 ( A D 7)32P 0. 6 ( A D 6)33P 0. 5 ( A D 5)34P 0. 4 ( A D 4)35P 0. 3 ( A D 3)36P 0. 2 ( A D 2)37P 0. 1 ( A D 1)38P 0. 0 ( A D 0)39V C C40P 1. 01P 1. 12P 1. 23P

32、 1. 34P 1. 45P 1. 5 ( M O S I )6P 1. 6 ( M I S O )7P 1. 7 ( S C K )8P 3. 0 ( R X D )10P 3. 1 ( T X D )11P 3. 2 ( I N T 0 )12P 3. 3 ( I N T 1 )13P 3. 4 ( T 0)14P 3. 5 ( T 1)15P 3. 6 ( W R )16P 3. 7 ( R O )17U1A T 89 S 5 2123456789R21 0KC12 2u fC43 0pC53 0pS1S W - P BY21 1. 0 59 2R31 0KR12 00V C CV C CV C Cp 1 0p 1 1p 1 2p 1 3p 1 5p 1 6p 1 7p 0 0p 0 1p 0 2p 0 3p 0 4p 0 5p 0 6p 0 7p 2 0p 2 1p 2 2p 2 3p 2 4p 2 5p 2 6p 2 7p 3 0p 3 1p 3 2p 3 3p 3 4p 3 5p 3 6p 3 7X1X2X1X2R E S TR E S T图 7 最小系统电路图 3.2 电源电路 本设计电源电路由三个部分组成：包括整流电路、滤波电路、稳压电路。 U5 为整流桥它将交流电转化直流电。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式、和倍压整流电路。