1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 GPS 模块的时钟设计与开发 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 本论文 首先介绍 了 GPS 的发展状况、关键技术及其应用，探讨了基于GPS 模块的时钟开发研究的意义和方法。 然后 介绍了一种 基于 GPS 模块的时钟设计方案，简单地分为 GPS 接收模块，单片机处理模块，显示模块。阐述了 GPS 时钟的开发前景，因 GPS 具有全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点，成为近年来应用最广泛，最具发展前景的产业之一。 本系统主要分为三部分： GPS 接收器、单片机控制器以及显示器。单片机控制器通过 UA
2、RT 串口与 GPS 接收器进行通信。 GPS 接收器得到定位信息，传送至单片机，单片机提取出时间信息，之后发送至显示器显示准确的时间。本文用硬件实验搭建系统，验证系统的可行性，并给出了系统的测试结果。 结果表明 该系统能顺利接收来自 卫星的 GPS 数据，并能准确的显示了当前的北京时间。 关键词： 全球定位系统 （ GPS） ；数字时钟；微处理器 Abstract First,this paper analyzes the development status of GPS, key technology and its application, discusses the signific
3、ance and methods of research and development of GPS module clock. Then introduces a design scheme of clock based on GPS module, imply divided into GPS receiving modules, ingle-chip processor module, display module. Expounds the development of GPS clock, Because of its all-weathe, high-precision, aut
4、omation, high efficiency,and other notable features, become the most widely used in recent years, and one of the most promising industries in the world. This system is mainly divided into three parts: the GPS receivers, microcomputer controller and displays. CPU controller through a serial port and
5、GPS receivers UART to communicate. GPS receivers to locate information, transmitted to CPU, CPU extracted time information, then send to display the exact time. This paper is uses hardwared experimental to building system, the feasibility of verification system, and gives the system test results. Th
6、e hardware system can receive smoothly from satellite receiving the GPS data, and can exactly shows current Beijing time. Key Words: Global Positioning System(GPS); Digital Clock; Central Processing Unit 目 录 1 概述 . 1 1.1 课题的背景和意义 . 1 1.2 研究开发内容和论文主要内容 . 1 2 GPS 技术 . 3 2.1 全球卫星定位技术 GPS 技术 . 3 2.2 GPS
7、 时间系统 . 4 2.3 GPS 主要核心芯片和协议 . 5 3 常见数字时钟的设计 . 7 3.1 常见数字时钟设计方案 . 7 3.2 GPS 时钟基本设计方案 . 9 3.3 GPS 时钟的特点 . 9 4 系统硬件设计 . 10 4.1 SR-87H 模块介绍 . 10 4.2 微处理器系统 . 10 4.2.1 系统选用芯片介绍 . 11 4.2.2 晶振电路的设计 . 11 4.2.3 复位电路的设计 . 11 4.2.4 串口通信借 口设计 . 12 4.2.5 接收传输模块的设计 . 12 4.2.6 显示模块的设计 . 13 5 系统软件设计 . 15 5.1 总体方案 .
8、 15 5.2 单片机串口及中断软件设计 . 15 5.3 GPS 信息获取及时间信息的提取 . 16 6 调试与运行结果 . 19 6.1 程序运行情况 . 19 6.2 单片机调试情况 . 19 致 谢 . 21 参考文献 . 22 附录 1 系统实物图 . 23 附录 2 实验原理图 . 24 附录 3 毕业设计作品说明书 . 25 附录 4 系统主要软件源代码 . 26 1 概述 1.1 课题的背景和意义 全球定位系统 （ Global Positioning System-GPS）利用导航卫星进行测时和测距，是目前最先进 、 最广的卫星导航定位授时系统。它具有全天候、全球性和连续的精
9、确三维定位能力，而且能实时地对相对运动载体速度、姿态测定以及精 确授时。 GPS 已成为导航授时技术现代化的里程碑 1。 GPS 时钟，更是具有高精度、全天候、多功能的特点，信号接收可靠性高，不受地域条件和环境的限制，误差极低，且高效稳定，即使断电也不影响其正常工作。对广播电视系统的时间授时 ,同步锁定及车站、码头、机场、宾馆及户外广场等场合的时间显示提供了较大帮助。 本课题的设计采用高性能的单片机控制各个系统模块，来实现整个 GPS 时间系统。根据 GPS 系统将电路设计成模块，使设计和调试更加简便，硬件电路更加明朗。 1.2 研究开发内容和论文主要内容 1、主要开发内容 首先查阅 大量的资
10、料熟悉 Keilc51 编程仿真软件的使用，以及 C 语言编程基础与技巧，并且了解 GPS 定位原理，还需了解 AT89C51 单片机的一些重要参数及其开发过程，了解单片机如何接 收 数据、处理数据、发送数据以及如何进行串口编程。硬件设计方面，须熟悉 protel99se 软件的使用，学会电路原理图的设计和绘制。 着重研究在 Keilc51 编程仿真软件的使用，利用 C 语言编写程序，以及在PC 机上利用 C 语言开发 GPS 数据的接收和计算解析与数据提取。然后利用AT89C51 单片机解析 GPS 数据，提取出我们所需的时间信息，所有的控制操 作都由单片机处理。 通过调试基本完成了从 GP
11、S 模块接收卫星信号并通过串口接 收 数据发送至 单片机，以及处理后发送显示模块显示的整个过程。 本系统中， 对卫星信号的接收采用一种专用的 GPS 模块： SR-87H 模块。单片机定时从 SR-87H 模块接收 GPS 数据，数据的格式符合 NMEA 协议标准。从接收的数据中提取出时间信息，最后发送至显示模块， 这里的显示模块采用单片机直接驱动，由 4 个三极管和 1 个四位数码管组成。若电路一切正常，最后便能显示出准确的时间信息。 2、论文主要内容 本文共分六章，主要介绍利用单片机技术实现从 GPS 卫星数据中提取时间信息并显示的设计方法。第一章重点介绍本课题的背景和主要工作内容。第二章
12、介绍了普通数字时钟设计的一般方法以及 GPS 时钟的特点。第三章介绍了 GPS技术，包括 GPS 发展状况、 GPS 定位原理以及 GPS 的应用。第四章介绍了本系统的硬件设计，特别是 GPS 模块的基本功能和特性，以及依据这个模块开发设计的基本电路图。第五章主要介绍了软件编写的主要思路。通过对模块通信特性的分析，合理考虑软件的逻辑思路，并且编写了软件代码。第六章简要记录了系统调试中出现的一些问题，以及分析问题和解决问题的方案 2 GPS 技术 2.1 全球卫星定位技术 GPS 技术 GPS 是美国从 20 世纪 70 年代开始研制，于 1994 年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与
13、定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 GPS 能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通 （ 船舶、飞机、汽车等 ） 导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活 （ 人员跟踪、休闲娱乐 ） 等不同领域。 随着全球定位系统的不断发展和改进，硬、软件的不断 完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 GPS 系统包括三大部分：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
14、 的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息 2。图 2-1 所示为卫星定位原理。 图 2-1 卫星定位原理 假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间 t，再加上接收机所 接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： (x1-x) 2+(y1-y)2+(z1-z)2 21 +c(Vt1Vt0)=d1 (x2-x) 2+(y2-y)2+(z2-z)2 21 +c(Vt2Vt0)=d2 (x3-x) 2+(y3-y)2+(z3-z)2 21 +c
15、(Vt3Vt0)=d3 (x4-x) 2+(y4-y)2+(z4-z)2 21 +c(Vt4Vt0)=d4 上述四个方程式中 x、 y、 z 为待测点的坐标， Vto 为接收机的钟差是未知参数，其中 di=c ti， (i=1、 2、 3、 4)， di分别为卫星到接收机之间的距离， ti 分别为卫星的信号到达接收机所经历的时间， xi、 yi、 zi 为卫星在 t 时刻的空间直角坐标， Vti为卫星钟的钟差， c 为光速。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x、 y、 z 和接收机的钟差 Vto3。 表面上看，三颗卫星，三个球面，交汇于一点，就可以定出接收机所在的位置了。但实际上， GPS
16、 接收 器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效 GPS 卫星信号时，才能完成包含高度的 3D 定位 4。 2.2 GPS 的时间系统 、 GPST 的定义与实现 GPS时间系统采用原子时秒长作为时间基准，时间起算原点定义在 1980年 1月6日 UTC零时。时间系统内包括三种钟：铯钟，铷钟、石英钟。系统守时选用高精度的铯原子钟组，数台钟同时运行，选择优良钟作为主钟，主钟发布的时间即为 GPST，其余为备份钟。 GPS导航卫星上采用的是铷原子钟，因为铷钟抗干扰能力强，寿命长，能够 适应空间飞行的恶劣环境。而地面接收机内部只备有石英钟计时。
17、 2、 UTC 的实现 UT是以地球自转周期为基础定义的秒长，这一定义反映了地球在空间与太阳的相对位置。世界时符合人类的生活习惯，同时在大地测量、天文导航等领域也有着广泛的应用。而原子时的秒长十分稳定，建立的时 间 尺度精度明显优于世界时。 BIPM综合两种时间的优势，定义了 UTC时间。 UTC以原子时秒长作为时间单位，而在时刻上靠近世界时。在 1958年 0时 0分 0秒， UTC与 UTl同步，此后一旦（ UTCUT1）的绝对值 0.9s， UTC则进行跳秒。根据定义， UTC具有与 TAI相同的计量学性质，同时在 ls精度内与 UTI一致。 3、 GPST与 UTC、 TAI的关系 从
18、 1980年开始，美国国防部开始利用 GPS系统服务于时间的维持和发布，其系统时间和频率要求同步于美国海军实验室 （ USNO） 主钟发布 UTC（ USNOMC） 。在当时， TAIUTC=19S，在此后 UTC经历了多次跳秒，而 GPS由于没有跳秒，因此直到目前， GPS时间仍然非常接近于 TAI减去 19s。为了保证 GPS时间的准确性， USNO规定 GPST与 UTC（ USNO MC） 的非整秒差限制在 lus以内。为了实现这一指 标， GPS系统主钟一直在进行定期的调整，以便在非整秒的时间尺度上与UTC（ USNO MC） 保持一致，目前二者的非整秒误差控制在了 40ns以内。从
19、 GPS的广播信号中可以获取 3种可用的时间信号： GPST、 UTC（ USNOMC） 和卫星原子钟时间。在目前的精度水平下， GPST估计 UTC（ USNO MC） 的精度在 10ns（ 1） ，而 UTC（ USNO MC） 与 UTC的时差也大约为 10Ils，因此 GPST估计 UTC的不确定度为 14ns。 2.3 GPS主要核心芯片和协议 不同 GPS 产品在性能上的差异主要取决于核心芯片， GPS 未来的发展也是有核心芯片技术决定的。 GPS 芯片主要由射频电路、软件 （ 固件 ） 及存储器、处理器三部分组成。2003 年以后 GPS 芯片产业如雨后春笋般呈现出一种蓬勃发展的局面。目前设计生产 GPS 芯片的厂家超过 10 家，包括美国 SiRF（ 瑟孚 ） 、 Garmin（ 高明 ） 、摩托罗拉、索尼、富士通、飞利浦、 Nemerix、 uNav、 uBlox 等。 然而，各个生产商都根据 NMEA 协议制定芯片，以下简要地介绍了 NMEA协议所包含的消息头及内容，如表 2-1 所示。 表 2-1 NMEA 协议的消息头和内容 消息头 内 容
