1、基于单片机的 GPS 定位器设计I摘要在当今这个快速发展的信息化时代，GPS 全球定位系统被广泛应用于实际生活中，扮演着重要的角色。它性能良好、精度准确、应用广泛，在当今世界导航定位系统中处于独一无二的尖峰位置。自 20世纪 90年代向全世界所有国家免费开放以来，以全球化的覆盖、全天候连续实时提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息的能力，很好的解决了人类导航和定位等问题。论文讨论基于单片机的 GPS接收系统设计,提出了对 GPS全球定位系统定位信息的接收以及对各定位参数数据的提取方法，介绍各个器件功能并给出了系统的硬件电路及软件流程图，通过本设计方法，本系统单片机控制 GPS模块较为精确地计
2、算和显示日期、时间、经度、纬度等卫星信息。研究 GPS的原理与技术的同时，介绍单片机的编程及其应用，液晶显示屏及其实现方法。制作完整的方案，以软硬件相结合的方法来完成整个 GPS数据接收和显示的过程。该定位系统的制作与学习完成时，本设计在测控领域的应用开发中具有一定的实用价值和借鉴价值。关键词 ：单片机 GPS 导航定位基于单片机的 GPS 定位器设计IIAbstractIn todays rapid development of the information age, Global Positioning System (GPS) is widely used in real life.I
3、t playing an important role in this world. It has good performance, accurate precision and used widely.At a unique peak position of the navigation and positioning system in todays world .Since the 1990s,it open and free for all the country in the world,it solve many problems of human navigation and
4、positioning very well by the globalization of the cover,offer the high precision of three dimensional position around the clock and continuous real-time, the speed of the 3D and the ability of time information.Paper discusses the GPS receiving system based on singlechip design， proposed to the Globa
5、l Positioning System (GPS) how to receivers positioning information and each positioning parameters of data extraction method,it introduce each device function .The system hardware circuit and the soft ware flow chart was given out.Through this design method,the single-chip microcomputer control GPS
6、 calculated exactly and show some information of satellite like the date the time the longitude and the latitude. At the same time with the principle and technology of GPS,It introduce the programming and the application of the singlechip microcomputer,LCD and its realization method.Complete the who
7、le GPS data receiving and display the process with the method of combining the software and hardware,and make a complete solutions to solve problems.When the positioning system of production and learning had completed,this design is practical valuable and reference valueable in the application devel
8、opment of Measurement and control field.Keywords ：singlechip ,GPS,navigation positioning 基于单片机的 GPS 定位器设计III目录摘要 .IAbstract.II目录 .III前言 .11 GPS的组成及基本理论 .21.1 GPS的基本组成 .21.2 GPS系统基本原理 .31.2.1 GPS 导航系统基本原理 .31.2.2 GPS 接收机 .31.2.3 GPS 定位原理 .42 硬件介绍 .62.1.核心控制模块 STC89C52.62.1.1 STC89C52 外观介绍 .62.1.2 STC
9、89C52 引脚功能 .62.1.3 STC89C52 的主要功能 .82.1.4 STC89C52 总控制电路 .82.1.5.0592 晶振 .122.2上拉电阻 .132.3 SIRF 3III GPS模块 .142.3.1 SIRF 3III GPS 模块参数 .142.3.2 GPS NMEA-0183 协议 .152.3.3 NMEA-0183 协议详解 .162.3.4 RoyalTek3571LP GPS 数据通信 .192.4蓝色背光字库 LCD.192.4.1 控制器 STN7920.202.4.2 STN7920 部分指令详解 .202.4.3 STN7920 初始化流程
10、 .252.4.4 STN7920 与微机接口 .253 硬件电路 .273.1 系统框图 .273.2 硬件电路设计 .273.2.1 单片机最小系统 .273.2.2 GPS 模块设计 .29基于单片机的 GPS 定位器设计IV3.2.3 电源模块设计 .294 软件设计 .314.1 主程序流程 .314.2数据接收处理程序流程 .324.3程序语句 .335调试与检测 .365.1 硬件调试 .365.2 软件调试 .36总结 .37致谢 .38参考文献 .39附件 .40基于单片机的 GPS 定位器设计1前言GPS是英文 Navigation Satellite Timing and
11、 Ranging/Global Positioning System 的字头缩写词（NAVSTAR/GPS ）的简称。其含义为，由卫星的测时和测距经行导航，而构成的全球卫星定位系统。国际上已经公认将这一全球定位系统简称为 GPS。GPS系统的前身为美军研制的“子午仪”导航卫星系统（Transit） ，由 1958年研制，1964 年正式开始投入使用。此系统涉及 56颗卫星而组成的星网工作，每天最多可绕地球 13次，并且没有办法读出高度信息，在定位经度上也差强人意。子午仪系统的诞生令研发部门对卫星定位取得了初步的经验，同时验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS系统的研发与制造奠定了坚实的基
12、础。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海军实验室（NRL）创建出全球定位网计划，名为 Tinmation。该计划用 12到 18颗卫星组成 10000km高度。并且在于 67年、69 年和 74年这三年分别发射了一颗试验卫星，并将原子钟计时系统初步试验在这些卫星上，这就是 GPS系统精确定位的基础。但美国空军后来提出了名为 621-B的以每星群 4到 5颗卫星组成 3至 4个星群的计划，计划中，所有卫星里除 1颗卫星采用同步轨道，其余的所有卫星都使用周期为 24h的倾斜轨道。这个计划用伪随机码（PRN）作为基础来传播卫星的测距信号，它的
13、功能强大，就算信号密度低于环境噪声的 1%时仍然能将其检测出来。伪随机码的成功运用对于 GPS系统的研发成功有着重要的奠基作用。海军计划主要用于为舰船提供低动态的二维定位，空军的计划则是用于为其提供高动态服务，但是系统类型太过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，并且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，因此 1973年美国国防部将二者合二为一，同时由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局领导，将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。组成该机构的成员很多，美国陆军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表，都是该机构的重要成员。基于单片机的 GPS 定位器设计2基于单片机的 G
14、PS 定位器设计31 GPS的组成及基本理论1.1 GPS的基本组成GPS的三大重要组成部分分别为空间卫星星座、地面监控站和用户设备。1.GPS空间卫星共有 24颗卫星。由 21颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星组成。所有卫星均匀的分布在轨道平面的倾角为 55的 6个轨道平面内，卫星的平均高度为 20200千米,运行周期为 11h58分钟。空间卫星用 L波段的两个无线电载波分别向广大用户连续不断地发送含有卫星的位置信息的导航定位信号，使得卫星成为一个动态的已知点。存在于在地球的任何地点、任何时刻、在高度 15以上。平均可同时观测到 6颗至 9颗卫星。GPS 卫星产生两组电码，一组称为 P码（Pro
15、ciseCode10123MHz） 。一组频率 1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距 1微秒，相当于 300m，称为 C/A码（Coarse/AcquisitionCode11023MHz） 。一组频率 10.23MHz，重复周期 266.4天，码间距 0.1微秒，相当于 30m，称为 P码（ProciseCode10123MHz） 。2.地面控制部分是由 5个全球监测站、3 个地面控制站和一个主控站组成。5 个监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，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
16、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以用一段时间，但导航精度会随之慢慢越降越低。3.GPS用户设备由 GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS 接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并且对信号进行交换、放大基于单片机的 GPS 定位器设计4和处理，再通过计算机和相应软件，经过基线解算、网平差，而求出GPS接收机中心的
17、三维坐标。GPS 接收机的结构分为两部分。分别为天线单元和接收单元。体积小，重量轻等指标渐渐成为优质接收机的标准。1.2 GPS系统基本原理GPS定位系统工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的注入站向 GPS卫星注入这些信息。1.2.1 GPS导航系统基本原理测量出用户接收机与已知位置的卫星之间的距离，这是 GPS的基本原理。之后结合多颗卫星的数据变可以得知接收机的具体坐标。卫星的位置是根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出的，而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将得到的结果乘
18、以光速。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是一种叫做伪距（PR）的距离。当 GPS卫星正常运行时，源源不断地用 1和 0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。这些信息从卫星信号中解调制出来，以 50b/s调制在载频上发射。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长 6s。前三帧各为 10个字码；每隔三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧一共 15000b。导航电文中的内容主要包括遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最为重要的当数星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星
19、时间并将卫星时间与自己的时钟做对比，由此可以得到卫星与用户的距离，这时再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处的具体位置，用户在 WGS-84大地坐标系中的位置或速度等定位信息。1.2.2 GPS接收机基于单片机的 GPS 定位器设计5源源不断地发射导航电文是 GPS导航系统卫星工作的主要作用。但是，由于卫星星载时钟与用户接受机使用的时钟并不可能时时同步，所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个 t 的未知数来作为卫星与接收机之间的时间差，在此条件下再利用 4个方程解出x、y、z 和 t。因此若要想了解接收机所处的具体位置，最少也要能接收到 4个卫星的信号。GPS 接
20、收机能够收到可用于授时的精准度数达到纳秒级的时间信息，还可以用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历，计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米，以及卫星状况等 GPS系统信息。接收机对码的量测可以得到卫星与接收机之间的距离，由于含有接收机卫星钟的误差和大气传播的误差，则该距离称为伪距。对 0A码测得的伪距为 UA码伪距，精度约为 20米左右，对 P码测得的伪距为P码伪距，精度约为 2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。载波相位学术上更应被称为载波拍频相位，因为它收到的是受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接
21、收机本机振荡产生信号相位这两者之差。一般情况下，在接收机钟可确定的历元时刻量测，同时保持着对卫星信号的有效跟踪，就可以记录下相位的变化值，但是开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是未知的，起始历元的相位整数也是未知的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但是前提是必须解出整周模糊度，由此而来只有在相对定位、并有一段连续观测值的情况下才能使用相位观测值，而要为达到优于米级的定位，精度也必须只能采用相位观测值。1.2.3 GPS定位原理GPS定位分为两种类型：（1）单点定位，根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式就是单点定位，它只能采用伪距观测量，可用
22、于车船等的概略导航定位。（2）相对定位（差分定位）根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法即为相位定位或差分定位，它既可采基于单片机的 GPS 定位器设计6用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在 GPS观测量中存在很多种误差，其中包括卫星和接收机的种差、大气传播延迟、多路径效应等，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被削弱或者抵销，因此定位精度将有很大的提升，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别） ，应选用双频接收机。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。
