1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的 GPS 定位系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 GPS 系统的基本定位原理是每颗 GPS 卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可 以测量每颗卫星的信号发送到接收机的延迟时间，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集至少 4 颗卫星的数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。通过对比 AVR、 PIC、 MSP 430 发现各种单片机都各有优势， AVR 单片机的价格优势是其他类型的单片机所无法比拟的，PIC 单片机的 抗干扰性很好， MSP430 的功耗比较
2、低。但考虑到最终的性价比，本系统最终采用 AVR 的 atmega88V 单片机来开发一个 GPS 的定位系统，可以有效的实现经纬度 、时间等信息的显示。用 atmega88V 单片机作为主控芯片，Nokia5110 液晶屏作为数据显示界面，最后通过串口把 GPS 数据传输给电脑。在软件方面，使用 AVR Studio 软件来进行整个程序的编写，主要分成 GPS 模块数据处理、串口通信、 LCD 液晶显示这几块。通过对比各个 GPS 选出最合适的模块，通过性价比的对照来挑选出最适合的 LCD 液晶模块 Nokia 5110。 关键词： 单片机；定位；性价比 3 3 Abstract Princ
3、iple of GPS basic positioning system is each of the GPS satellites release its position and signals of time data all the time. Consumer receiver can measure the signal of each satellite to the receivers time delay, according to signal transmission speed can calculate the distance to different satell
4、ite receivers. Meanwhile collect at least four satellite data, can calculate 3d coordinate, speed and time.through comparing AVR， PIC and MSP430 find that all of the single-chip microcomputer has its advantages. AVR microcomputers price is the lowest.PIC microcomputer anti-interference is the best.M
5、SP430 is the lowest power dissipation.But considering the price what is the most important ,that the system uses atmega88V of AVR to develop a GPS positioning system,can effective realize the longitude and latitude and the other information displays.Use the atmega88V of AVR as the microcontroller ,N
6、okia 5110 LCD as the data showed,to transmission the GPS data to the computer finally through serial interface. In software, use the software to Studio AVR program compiling, and main into GPS module data processing, serial communication, LCD display this several pieces. Through comparing various GP
7、S module of choosing the most appropriate by cost-effective control to select the most appropriate LCD module Nokia 5110. Key Words: single-chip； position； appropriate 4 4 目 录 摘 要 . 2 ABSTRACT. 3 1 引言 . 5 1.1 产品的背景介绍 . 5 1.2 中国 GPS 的发展状况 . 5 2 总体设计 . 6 3硬件设计 . 7 3.1 主控芯片电路 . 7 3.2 串口通信部分电路 . 10 3.3
8、液晶显示 部分 . 11 3.4 按键部分 . 13 3.5 ISP 下载 . 13 3.6 GPS 模块的介绍 . 14 4 软件部分 . 16 4.1 AVR STUDIO 软件 . 16 4.2 主程序设计及流程图 . 17 4.3 GPS 模块数据处理 . 17 4.4 串口通信程序 . 19 4.5 LCD 液晶显示程序 . 22 5.总结 . 28 致 谢 . 28 参考文献 . 29 5 5 1 引言 1.1 产品的背景介绍 GPS为导航带来了革命性的变化，它在全球范围内为无限多的海陆空天用户提供精确的实时位置、速度和时间信息。今天从事各行各 业的人们都知道，无论白天还是晚上，在
9、城市还是乡村，只要凭借一台小小的 GPS接收机便能知道自己在哪里。以此为基础， GPS军民用途正在以前所未有的速度扩展。 GPS最早是由美国海陆空三军研制的空间卫星导航定位系统。随着社会不断的进步、科技水平不断的发展， GPS由最初的军事用途不断的向其他领域靠拢。 GPS所具备的全球性、全能性、全天性的导航定位、定时、测速优势是其他产品无法取代的 1。 GPS就象当初的计算机和 Internet一样，虽然处于幼年，但前景一定是无限广阔的。GPS市场将出现两个重大的变化。首先是市场将被 细分。这是因为 GPS现在拥有广泛的应用，客户所追求的功能不同，一些技术上的问题不能解决每个顾客的问题。当前的
10、 GPS应用基本还处于最原始的位置信息采集与传输水平上。然而，人类对位置信息的需求远远现在的范畴。只有充分利用位置信息才能使 GPS业务前途更加广阔。 1.2 中国 GPS 的发展状况 目前， GPS 在中国各个领域中的应用是比较广泛的，例如车载 GPS、工程测量、军事定位等等。但在有些领域， GPS 技术的应用还处在刚起步阶段，如道路工程、交通管理。随着中国经济的发展，高速公路的修建和 GPS 技术的应用研究的不断深入， GPS 在道路工程中的应用也会更加广泛，并发挥更大的用途 2。 在 整个设计电路中， atmega88V 单片机 的主控起到了一个核心的部分，通过单片机接收 GPS 所提供
11、的信息，读取 GPS 的信息，最后用 LCD 来显示 GPS 信息 6 6 2 总体设计 用单片机来实现 GPS 的定位系统，由主控部分 、 按键部分 、 串口通信 、 ISP 下载 、 GPS 接口电路和液晶显示这几部分组成。 目的是最终 实现经纬度 、时间等信息的显示， 基于单片机的 GPS 定位系统的总体设计思路如下图 2-1 显示。图 2-1 GPS 定位系统总体设计图 在整个设计电路中，单片机的主控起到了一个核心的部分，通过单片机接收GPS 所提供的信息，读取 GPS 的信息，最后用 LCD 来显示 GPS 信息。串口通信在本电路中主要是和 GPS 进行数据方面的通信，其次对 GPS
12、 模块的数据进行读取。 液晶显示部分在整个电路中就是实现 经纬度 、时间等信息的显示。按键部分主要是用来控制经纬度 、 高度 、 时间等显示界面的切换，在整个电路中起到了一个控制显示的作用。整个电路就是合理的结合每个部分，最后使 GPS 信息能顺利的显示。 串口通 信 GPS 单片机 电源 LCD 液晶显示 按键 PC 机 7 7 3 硬件设计 3.1 主控芯片电路 本系统采用 AVR 单片机作为主控芯片，具体型号是 ATMEGA88V，图 3-1 是单片机小系统电路。主要包括时钟部分，使用了 12M 外部晶振；还有复位电路和电源部分组成。在本设计中单片机作用主要是通过软件的编程结合外部电路来
13、实现整体设计的功能。 Y11 2 MMOSIMISOS C KR11 0 K+ 3 .3 VRXDTXDINT0I N T 1T0T1 PD6PB1PD7PB0PB2C63 3 p FC73 3 p FRSTP D 31P D 42G N D3V C C4G N D5V C C6P B 6 ( X T A L 1 )7P B 7 ( X T A L 2 )8PD59PD610PD711PB012PB1(OC1A)13PB2(OC1B)14PB3(MOSI)15PB4(MISO)16P B 5 ( S C K )17A V C C18A D C 619A R E F20G N D21A D C
14、722P C 023P C 124PC225PC326PC4(SDA)27PC5(SCL)28PC6(RESET)29PD030PD131PD232U3A T M E G A 8 8 V+ 3 .3 V+ 3 .3 VX1X2C51 0 uR S T 1R S TPC2PC3PC4PC5P C 0P C 1P C 6P C 7X1X2图 3-1 主控芯片电路 现在市面上单片机有很多种类，本设计为什么采用 AVR单片机，以下是 AVR单片机和其他 单片机的论证比较。 AVR 单片机 拥 有预 先读 取指令 的 功能， 也就是 在执行一条指令时，先 让下一条指令 读取 进来，使指令 能够 在一个时
15、钟 的循环 内 完成 。 AVR 单片机 还拥 有 32 个通用工作寄存器， 就像 有 32 条桥，可以快速 的 通 过 。中断响应速度快。 AVR 单片机 拥有好几个 固定中断向量入口， 能够迅速的 响应中断。其次， AVR 单片机耗能低。对于典型功耗情况， WDT 关闭时为 100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低 1.8 V 即可工作。 而且 AVR 单片机保密性能好。它 有 加密锁技术， 在芯片内部有保密元件 ， 无法用肉眼 看到。一些 AVR 单片 机 还可以 组 合 外设 部 元件， 这样这些单片机在没有元器件的状态下也能正常工作 ， 操作简单 ， 价格也很低 。 AV
16、R 单片机 是可以复位的，这8 8 样 提高 了 单片机 的稳定性 。 AVR 单片机还 有 看门狗定时器来进行保护，以防程序的错误， 提高产品的 抗外部干扰的 。 有功能强大的 定时器 /计数器及通讯接口 3。总之， AVR 单片机的价格优势是其他类型的单片机所无法比拟的。 PIC 单片机 是控制外围设 备 的集成电路 。 这种 CPU 有分散的功能 。 PIC单片机不开虚伪的功能 ， 它更重视性能。 精简指令 使 PIC 的 效率 提高很多 。 PIC 8 位 CMOS 单片机 拥有 独特的 RISC 结构，数据和指令总线分离的哈佛总线结构，使指令单字 很 长， 这样指令码可以多于 8 位
17、的数据位数 ， 与传统的 8 位单片机对比 ， 能 达到 2:1 的代码压缩，速度 4:1。 PIC 的开发环境也非常好，通过推出新型号和仿真芯片， 仿真芯片支持 全部的开发系统 ， 实用性很好 。 它的 引脚具有防瞬态 的功能，用 限 制电 流电阻 然后连接到 220V 交流电源 。 可 以 直接 和 继电器 来控制电路 ,不必用 光电耦合器隔离， 使用非常的方便 。 PIC 单片机自已拥有 看门狗定时器， 这样能够使 程序运行的可靠性 提高。通过分析以上 PIC 单片机的特点，发现 PIC 单片机的 抗干扰性很好，但是价 格相比较而言比较贵。 MSP430 单片机是一 种 16 位的单片机
18、， 应用了 精简指令集结构， 有许多的 寻址方式、 简单明了 的 27 条内核指令 和很多 的模拟指令；大量的寄存器和 片内数据存储器都 能够 参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些 都保证了 能够 编出高效率的源程序。 MSP430 系列单片机 可以 在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 40ns 的指令周期 和 多种 功 效 的硬件乘法器 合作 ， 可以 实现 数字信号处理 的 一 些算法。 MSP430 单片机 拥有极 低功耗是因为 它 在降低芯片的电源电压 还有合理使用 运行时钟上 都非常出色 4。 MSP430 系列单片机的电源电压采用
19、的是 1.8-3.6V 电压。这样它能够 在 1MHz 的时钟下运行时，芯片的最低 电流 会在 165A 徘徊 ，RAM 在 保持 下 的只有 0.1A 的低功耗 。 MSP430 拥有自身 的时钟系统设计。在 MSP430 中有两个不同的时钟系统：基本时钟、锁频环时钟 还有 DCO 数字振荡器时钟。 三个时钟能够合用 一个晶体振荡器， 也能共用两个 。由系统时钟产生 CPU 和 其它 功能所 花费 的时钟。 而且 这些时钟 能够 在指令的控制下， 关和开 ， 完成控制住 总体功耗。 但因为 系统运行时开启的模块 都不尽相同 ， 这 样 芯片的功耗 都会明显不同 。在系统中 总共有 一种活动
20、还有 五种低功耗 的 模式。 结合 MSP430 的以上特点发现 MSP430 的功耗比较低，但是价格比9 9 较贵，所以本设计未作考虑。 台湾系列单片机，台湾系列单片机主要有义隆单片机和合泰单片机，此种单片机价格很便宜，但是功能比较简单，很多是 OTP 的，也就是一次性编程的单片机，所以不方便程序调试，所以在本设计中不是很适用。 微控制器除了单片机还有 FPGA、 DSP、等。 FPGA 就是现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成 电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数
21、有限的缺点。 DSP 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的两大特点是强大数据处理能力和高运行速度。但是这些都是功能比较强大，但是价 格比较贵，在本设计中应用这些微处理器有点资源浪费。 所以综合考虑，本系统采用了 AVR 单片机作为本设计的主控芯片。 图 3-1 就是设计所采用的主控芯片，单片机型号
22、是 ATMEGA88V。在系统中， ATMEGA88V 主要控制 GPS 模块进行数据的传输，通过接收 GPS 数据 ,读取GPS 数据。 ATMEGA88V 含有高性能 、 低功耗的 8 位 AVR 微处理器， 拥有非易失性程序和数据存储器 ,8K 字节的系统内可编程 Flash,具有独立锁定位的可选Boot 代码区。外设特点 :两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 ,一个 具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器 ,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 5。 AVR 与 51、 PIC 单片机相比具有一系列的优点 ： 1、在相同的系统时钟下
23、AVR 运行速度最快； 2、所有 AVR 单片机的FLASH、 EEPROM 蓄存器都可以反复烧写； 3、片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，使得电路设计变得非常简单； 4、每个IO 口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时 IO 口可以是高阻抗或者带上拉电阻； 5、片内具有丰富实用的资源，如 AD 模数器、 DA 数模器，丰富 的10 10 中断源、 SPI、 USART、 TWI 通信口、 PWM 等等； 6、片内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度； 7、片内 FLASH 空间大、品种多，引脚少的有 8脚，多的有 64 脚等各种封装
24、8、部分芯片的引脚兼容 51 系列，代换容易。经过比较，最终采用了 ATMEGA88V 单片机这款相对而言性价比更高的单片机。 3.2 串口通信部分电路 GPS 模块是通过串口数据传输的，所以系统中需要用到串口接收 GPS 数据，并且控制 GPS 模块。同时可以通过串口和 PC 机进行数据通信 。图 3-2 是串口通信电路图。 C 1 +1V S +2C 1 -3C 2 +4C 2 -5V S -6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 I N10T 1 I N11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14G N D15V C C16M A X 2
25、3 2U1M A X 3 2 3 2162738495Q1D B 9P C 3P C 2+ 3 . 3 V+ 3 . 3 VR X DT X DC30 . 1 u FC10 . 1 u FC20 . 1 u FC40 . 1 u F图 3-2 串口通 信电路 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISOS OSI 七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。本设计中是采用异步通信来实现串口数据通信的。 RS-232-C 标准对两个方面作了规定，即信号电平电压的一些标准和数据通信的格式标准。 RS-232 C 是使用 负逻辑规定逻辑电平，此电平和一般数字芯片的 TTL 或是 COMS 电平并不兼容。 RS-232-C 将 -5V -15V 规定为数字信号“ 1”，+5V +15V 规定为数字信号“ 0”。因为单片机 I/O 电平是 TTL 电平不能直接与RS232 进行数据通信，所以需要通过电平转换芯片来实现电平的转换。图 3-3 是TTL 标准和 RS-232-C 标准之间的电平转换 。
