1、 本 科 毕 业 设 计 简易车载 GPS 的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 GPS 全球定位系统又称为卫星测时测距导航系统，整个系统分为卫星星座、地面控制和监控站、用户设备三大部分。该系统是以卫星 为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、 全 球性、连续性的导航、定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。 GPS 系统的空间部分是由 21 颗卫星构成，均匀的分布在 6 个轨道上，地面高度是 2 千多公里，轨道倾斜角是 55度，周期约为 12 小时，卫星向地面发送两个波段的载波信号，载波信号频率分别为157
2、5.442 兆赫兹和 1227.6 兆赫兹，在卫星上安装了精度很高的原子钟，具有稳定频率的作用，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的 C/A 码和P码，以及其它相关信息，能够在全球范围内，向任意多的用户提供 高精度、连续、全天候、实时的三维测速、三维定位和授时。用 GPS 信号可以进行海洋、高空和陆地的导航、导弹的制导、大地测量和工程测量的精密定位、时间的传递和速度的测量等。随着我国 GPS 技术的发展，在大地测量方面，建立了各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙，南沙群岛各个岛屿与大陆的 GPS 联测，使海域与全国大地网联结为一整体。 本设计主要利用单片
3、机、液晶显示器和 GPS 的 OEM 板设计开发出能用于汽车位置定位的简易 GPS 定位器。所选器件是 MCS-51 系列单片机，液晶显示器模块。GPS OEM 板来接受 GPS 信号，将定位信息由串行口送出，单片机串行接受定位信息，经过处理后送显示模块，显示经纬度、运动速度及北京时间。 关键字 ：单片机； GPS；设计 II Abstract Also called global positioning system (GPS) satellite navigation system, test ranging the whole system into satellite constell
4、ation, ground control and monitor, the user equipment three sections. The system is based on satellite radio navigation and positioning system, has the versatility of sex, continuity, celestial navigation, location and timing function for all kinds of users with precision, the three-dimensional coor
5、dinates of speed and time. GPS system space composed partly by 21 satellite, evenly distributed in six rail surface, ground height is 20,000 kilometers, rail obliquity is 55 degrees, flat heart rate is about 0, is about 12 hours, periodic satellite to the ground to launch two bands carrier signal, c
6、arrier signal frequency 1575.442 trillion respectively Hertz (L1 band) and 1227.6 MHZ (L2 band), satellite install precision is high, the clocks to ensure the stability of the carrier frequency modulation, on the radio has said satellite location for the star calendar, rangefinder C/A code and P yar
7、ds, and other system information, can in the global scope, any amount of users to provide high precision, all-weather real-time three-dimensional, continuous and speed, three-dimensional localization and GPS clock. Use GPS signals can undertake sea, air and land navigation, missile guidance, geodesy
8、 and engineering measurement precision positioning, time relay and velocity measurement, etc. With Chinas GPS technology development on geodesy, established various measurement control network, provides high-precision plane and elevation 3d benchmark. China has completed west ham, nansha islands a o
9、f the island to mainland GPS league to measure, make the connection with the sea. A whole network This design main USES singlechip, LCD monitors and GPS OEM design developed can be used in automobile positioning simple GPS locator. The selected device is MCS - 51 series microcontroller, LCD module,
10、GPS OEM board to accept the GPS signal. Will locate information sent out by a serial port, microcontroller serial accept positioning information, the processed send display module. For the GPS positioning information required to display longitude and latitude, movement speed, Beijing time. Key word:
11、 SCM; GPS; design III 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1 GPS 系统的构成 . 1 1.2 GPS 系统基本定位原理 . 2 第 2 章 系统总方案设计 . 4 2.1 GPS-OEM 接收板 . 4 2.2LCD 液晶显示器 . 5 2.3 MCU 的选择 . 6 第 3 章系统硬件设计 . 6 3.1 电源电路的设计 . 6 3.2 51 单片机系统 . 7 3.3GPS-OEM 接受电路。 . 8 3.4 液晶显示器接收口设计 . 12 第 4 章系统软件设计 . 15 4.1 系统软件设计原理 . 15 4.2LCD 液晶显示器程序 . 15 4.3 显示控制
12、程序 . 20 4.4 GPS 接收子程序 . 22 4.5 初始化程序 . 23 小结 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 附录 1电路原理图 . 27 附录 2程序清单 . 28 附录 3液晶字模文件 . 47 1 第 1 章绪论 GPS 即全球定位系统（ Global Positioning System）是美国从本世纪 70 年代开始研制的， 在 1994 年建成的，历时 20 年 ， 耗资 200 亿美元，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星定位与导航系统。最近 10年的我国测绘等部门的使用统计表明， GPS 以全天候、 自动化 、
13、高精度、高效益等特点， 取得 广大测绘工作者的信赖，并 且 成功地应用 到了 工程测量、运载工具管制和导航、工程变形监测、地壳 运动监测、资源勘察、地球动力学 、大地测量 等多 个领域 ，从而给测绘领域带来一场深刻的技术 风暴 。 全球定位系统的主要用途： (1)航空航天应用，包括飞机导航、卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测 (2)海洋应用，包括海洋救援、最佳航程航线制定、水文地质测量、船只实时调度、海洋平台定位、海平面升降测 量等。 (3)陆地应用，主要包括车辆导航、地球物理资源探测、工程测量、地壳运动监测、大气物理测量、 市政规划控制等。 GPS 系统的特点：（ 1）观测时间
14、短。目前， 20KM 以内相对静态定位，仅需1520 分钟（ 2） 定位精度高。应用实践已经证明， GPS 相对定位精度在 50KM 以内可达 10 -6 ， 100500KM 可达 10 -6， 1000KM 可达 10 -6 （ 3）测站之间无需通视，只需测站上空开阔即可（ 4）操作简便 (5)可提供三维坐标（ 6）全天候作业。目前， GPS 观测可在一天 24 小时内的任何时间进行，不受白天黑夜，狂风暴雨等气候的影响。 1.1 GPS 系统的构成 GPS 系统包括三大部分 :GPS 信号接收机、 GPS 卫星星座、地面监控系统。 1、 GPS 工作卫星及其星座 GPS 由 3颗在轨备用卫
15、星和 21 颗工作卫星构成。 24 颗卫 星均匀分布在 6个轨道平面内，轨道倾斜角度为 55度，各个轨道平面之间的距离为 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度。在 GPS 系统中， GPS 卫星的作用为 : （ 1）用 L波段的两个无线载波 (19cm 和 24cm)向广大用户持续的发送导航定位信号。 （ 2）接收和储存来自地面监控站的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。 （ 3）卫星计算机进行数据处理。 （ 4）接收地面主控站发送卫星的调整命令，及时的调整运行偏差或启动备用2 卫星等。 2、地面监控系统 GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三 个注入站和五
16、个检测站。主控站的主要任务是处理、收集本站和监控站收集到的全部信息，编算出每颗卫星的 GPS 时间系统，再将预测的卫星星历、状态数据以及大气传播编制成导航电文，并送入到注入站。 主控站还负责纠正卫星的轨道偏离度，调整卫星的运行方向，启动备用卫星用来取代出问题的工作卫星。另外还负责监控整个地面监测系统的工作情况，检验导航电文，监测卫星是否已将导航电文传送到用户端。 1.2 GPS 系统基本定位原理 GPS 定位的基本原理是 把 高速运动卫星 的 瞬间位置作为起算数据， 然后 采用空间距离后方交会的方法，确定 待测点的位置。 GPS 定位实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定 GPS 接收器的位置
17、 ，其中 3颗 卫星 是测量在用 WGS-84 作为标准的三维坐标 ， 本来 3 维数据已足够定位 ,但是卫星传播的工具是电磁波 ， 而电磁波经过传播会产生误差 ，从而 导致传播时间 有偏差， 为了使这传播的数据同步 ， 引入 第四 颗卫星来提供时间数据 。 如图 1.1 所示，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 为 t ，再加上接收机所接收到的卫星 信号 等其它数据可以确定双模式定位 (GPS 卫星信号定位 再 加上无线网络定位相结合的方式定位 )。 图 1.1 GPS 定位原理图 3 如图 1.1 中的 GPS 接收器 是 当前要确定位
18、置的设备，卫星 1、 2、 3、 4 是 本次定位 设计要用到的四颗卫星 :d1、 d2、 d3、 d4 分别 是 四颗卫星到 GPS 接收器的距离 。 我们已经知道每一个 GPS 卫星都在 不停的工作散播着 自己的位置，那么在发送位置信息的同时，也会附加上该数据包 扩 发出时的时间戳。 当 GPS 接收器收到数据后，用当前时间 (当前时间只能由 GPS接收器自己来确定 )减去时间戳上的时间，就是数据包在空中传输所用 的时间。知道了数据包在空中的传输时间 然后 乘上他的传输速度， 也 就是数据包在空中传输的距离 了 ，就是该卫星到 GPS 接收器的距离了。数据包是通过无线电波传送的，那么理想速
19、度就是光速 c，把传播时间记为 Ti 的话，用公式表示就是： di=c*Ti(i=1,2,3,4) 这就是 di(i=1,2,3,4)的来源了。 GPS 定位是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术，以后将会成为每一个移动设备的标配之一。 4 第 2 章 系统总方案设计 2.1 GPS-OEM 接收板 GPS 模块性能的 选择如下 : 1、时间定位 :这是指重启 GPS 接收器时，用来确定现在位置所需要的时间。对于 2通道接收器，冷启动时间大多要超过 15 分钟，而热启动时时间一般低于5分钟。而对于 12 通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时5 的定位时间一般为 3 5分钟，
20、热启动时为 15 30 秒。因为最多可能有 12 颗卫星是可见的， GPS 接收器必须按顺序访问每一颗卫星以获取每颗卫星的信息。大多数的 GPS 接收器是 12 并行通道型的，这使得他们可以追踪每颗卫星的信息，12通道接收器的优点包括快速冷启动和对卫星的信息快速初始化，而在 森林地区的接收效果更好 . 一般 12 通道接收器不需要天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。 2、信号干扰：如果在很好的位置上， GPS 接收器至少可以接收 3 5 颗卫星。如果在峡谷中或者两边高楼耸立的街道上或者在茂密的树林里，可能不能够接收到足够多的卫星，从而导致无法定位或者只能得到一个二维坐标。同样，如果呆
21、在一个建筑里面，可能无法接收或传送一些信息，一些 GPS 接收器有单独的天线可以贴在玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这样有助于你的接收器接收到更多的信号。 3、定位经度：大多数 GPS 接收器的水平位置定位精度在 5m 10m 左右，但这只是在 SA 没有开启的情况下。 这次采用的是 GARMIN 公司所制造的 GPS 25 LP 型 GPS OEM 接收板。 GARMIN公司作为全球最大的 GPS OEM 板的供应商，他们生产的 GPS 25 LP 型 GPS OEM板具有四个特点： 1、重捕时间小于 2S，热启动时间为 15S，冷启动时间为 45S，自动搜索时间为 90S； 2、并
22、行 12 通道接收； 3、定位精度高 4、提供外接天线以帮助接收。 GARMIN GPS 25 LP 接收板完全能满足这次设计的需要。 2.2LCD 液 晶显示器 一般嵌入式系统可供选择的显示器有： 1、 LED 显示器： LED 显示器是由 LED 发光二极管发展而来的一种显示器。一般分为 LED 点阵显示器和 LED 数码管显示器。它具有亮度高、反应速度快、视角宽、可靠性高、使用寿命长等特点。由于 LED 数码管只能显示数字和极少数英文字符，显示很单调。而 LED 点阵虽然能显示各种信息，但它的体积很大，不适合用于移动设备。 2、 VFD显示器： VFD显示器是由电子管发展而来的一种显示器
23、。它是真空二极管或三极管的一种改造型。 VFD显示器具有高清晰度、高亮度、宽视角、反 应速度快、色彩多，显示效果好、使用寿命长等特点。但它需要 5.5 6.3V的灯丝电压、 150 450mA的灯丝电流、 12 36V的阳极加速电压、 15-36V的栅极电压。如果不考虑阳极和栅极电流，就灯丝功耗就达 825mW，功耗较大，不适合在移动设备上使用。而且它需要多组不同的供电电压供电，使用不方便。 3、 LCD 液晶显示器： LCD 液晶显示器是利用光的偏振现象来显示的。一般也分为数字型 LCD 和点阵型 LCD。前者用于只需显示简单字符的地方，如时钟等。后者能显示各种复杂的图形和自定义的字符。因此
24、应用比较广泛。 LCD液晶器具6 有本身不发光、靠反射或者透射其他光源、功耗小、可靠性高、寿命长、体积小、电源简单等特点，非常适合于嵌入式系统、移动设备等。 此次设计采用点阵型 LCD 液晶显示器 CGM 12232。具有 122*32 点阵，不仅可以显示数字，还可以显示中文、英文甚至图片，体积很小，功率损耗低于12.5mW。 2.3 MCU 的选择 一般 GPS 导航器都是 GPS OEM 配合矢量电子地图来进行导航和航线记录的。这些设备 CPU 的运算量和需要储存的数据量都很大，一般都使用 X86、 ARM 等 32位 CPU。考虑到本设计只需要显示定位和 时间等简单的信息，因此在单片机方面我们选择 Atmel 的 AT89C51 单片机来作为处理器。 第 3 章系统硬件设计 3.1 电源电路的设计 电源电路的作用是给各个硬件供电，本次设计有两种形式的电源电路即机内变压器供电电路和机外外接电源供电电路如图 3.1 所示。 将 220V 的交流电通过电源电路转换变成稳定的 5V 直流电源，以便单片机可以稳定工作。主要流程为降压、整流、滤波、稳压。 220V 的交流电进来后先经过变压器降压，然后经过由四个二极管组成的全桥整流电路进行整流 ，接着再经过电容滤波形成比较稳定的直流电，最后由 7805 进行稳压，输出稳定的 5V 电源供单片机工作。
