基于單片機(jī)的簡易GPS定位信息顯示系統(tǒng)設(shè)計)

1、-基于單片機(jī)的簡易GPS定位信息顯示系統(tǒng)設(shè)計 系 部： 電子與通信工程系 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2012年 10 月 9 日聲 明本人所呈交的基于單片機(jī)的簡易GPS定位信息顯示系統(tǒng)設(shè)計，是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和查閱相關(guān)著作下獨立進(jìn)行分析研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名： 日期： 摘 要GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是當(dāng)今信息時代發(fā)展中的重要組成部分。由于其良好的性能，精度高，適用范圍廣等特點

2、，被廣泛應(yīng)用于陸地，海洋，航空航天等領(lǐng)域。本文提出了一種微控制器作為核心控制設(shè)備，由GPS接收模塊、實時顯示模塊等功能電路構(gòu)成的GPS實時顯示系統(tǒng)。文章從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面，闡述了MCS-51系列單片機(jī)如何與GPS接收模塊實現(xiàn)串行通信，結(jié)果顯示GPS定位信息，并利用Proteus仿真軟件，對其性能進(jìn)行了仿真測試。該設(shè)計電路簡單，成本低，性能好，具有一定的實用價值?！娟P(guān)鍵詞】：GPS；單片機(jī)；串行通信；實時顯示模塊ABSTRACTGPS ( Global Positioning System ) global positioning system in todays informatio

3、n age is the important part in the development of. Because of its good performance, high precision, wide application characteristics, are widely used in terrestrial, marine, aviation, aerospace field. This paper describes the design of a single chip microcomputer as the core control device, received

4、 by GPS module, display module and other functional circuit consisting of GPS real-time display system. This paper from the hardware design and the software design two aspects, elaborated the MCS-51 Series MCU and GPS receiving module to realize serial communication, the results showed that GPS posi

5、tioning information, and the use of Proteus simulation software. The performance of the simulation test. The design has the advantages of simple circuit, low cost, good performance, has a certain practical value.【KEY WORD】: GPS； microcontroller；Serial communication；The real-time display module目 錄一 概

6、述1（一）系統(tǒng)設(shè)計背景及意義1（二）系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容1二 GPS定位信息顯示系統(tǒng)方案設(shè)計1（一）GPS全球定位系統(tǒng)簡介1（二）GPS信號接收方案的解決2（三）GPS接收模塊簡介3（四）總體方案的設(shè)計3三 硬件電路設(shè)計4（一）硬件總體結(jié)構(gòu)框圖4（二）單片機(jī)性能概述5（三）SiRF Star II GPS信號接收模塊7（四）實時顯示模塊概述8（五）電路原理圖10四 軟件設(shè)計10（一）軟件設(shè)計思路10（二）程序流程圖10（三）模塊軟件設(shè)計11五 軟件調(diào)試與仿真測試14（一）軟件調(diào)試14（二）仿真測試過程14六 總結(jié)16致 謝17參考文獻(xiàn)17附錄一 電路原理圖18附錄二 仿真電路原理圖19附錄三 源程

7、序20一 概述（一）系統(tǒng)設(shè)計背景及意義 GPS是英文Global Positioning System全球定位系統(tǒng)的簡稱，它提供實時全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集，應(yīng)急通信和一些其他用途。目前已經(jīng)被廣泛用于陸?？杖箢I(lǐng)域。例如：陸地的GPS技術(shù)應(yīng)用，它可以應(yīng)用在各種車輛的行駛狀態(tài)監(jiān)控中；在海洋應(yīng)用中，GPS技術(shù)可以應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶的最佳航線測定；在航空航天應(yīng)用，GPS技術(shù)可以應(yīng)用到民用飛機(jī)在運輸過程中的自主導(dǎo)航?，F(xiàn)在的GPS技術(shù)中最關(guān)鍵的就是如何解決GPS信號是否能被準(zhǔn)確接收和調(diào)制輸出的的問題。此外，準(zhǔn)確顯示出當(dāng)時所在地方的經(jīng)度和緯度、時間，也直接關(guān)系到這種技術(shù)是否具有良好的實用價值。

8、今天，已經(jīng)有很多基于此類GPS技術(shù)及基本功能的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，如GPS手持機(jī)，GPS導(dǎo)航設(shè)備等。GPS技術(shù)的確具備功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢，但同時也具有價格昂貴、電路復(fù)雜等缺點。本文擬設(shè)計一個簡單的基于單片機(jī)的GPS定位信息顯示系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的構(gòu)成簡單，基本性能齊全，價格便宜，具有一定的實用價值。（二）系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容在學(xué)習(xí)微控制器和GPS的理論知識基礎(chǔ)上，選擇合適的微控制器和GPS接收模塊，通過GPS接收并提取衛(wèi)星信息。以單片機(jī)為核心組成部分，對所提取的信息進(jìn)行分析，處理，利用液晶顯示器構(gòu)成顯示電路，實時準(zhǔn)確地顯示所需的數(shù)據(jù)。設(shè)計完成后利用Proteus軟件仿真測試其性能。二 GPS定位

9、信息顯示系統(tǒng)方案設(shè)計（一） GPS全球定位系統(tǒng)簡介GPS是新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)Global Positioning System的簡稱，由美國在21世紀(jì)70年代研制開發(fā)。GPS技術(shù)在研究的初始階段其主要的目的是為收集情報。此外，包括實時監(jiān)測核武器動向，對地、海、空三大領(lǐng)域進(jìn)行全天候的、實時的無漏洞的導(dǎo)航服務(wù)也是其主要目的之一。目前，GPS技術(shù)還被廣泛地應(yīng)用與應(yīng)急通信和其他一些軍事目的、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。GPS技術(shù)整體比較復(fù)雜，但從不同的技術(shù)領(lǐng)域來分，可以分為以下三個主要部分：第一， 地面控制部分。主要包括主控站、地面天線以及電臺和通訊輔助系統(tǒng)；第二， 空間控制部分。目前全球一共有24顆衛(wèi)星分布在

10、6個不同的軌道平面上，為GPS技術(shù)的信息獲取提供主要來源；第三， 用戶裝置部分。該部分主要包括衛(wèi)星天線以及GPS接收機(jī)兩個模塊。這三部分的關(guān)系圖如圖1所示。 圖1 GPS全球定位系統(tǒng)組成其主要工作原理是由地面監(jiān)控部分來計算從衛(wèi)星發(fā)出的信號到達(dá)GPS接收機(jī)，即用戶裝置部分的時間間隔，利用公式計算出用戶裝置到基準(zhǔn)衛(wèi)星的距離。在此過程中共需要接收天空中大于3顆的衛(wèi)星信號所發(fā)的信息。然后在三維坐標(biāo)系中，利用距離的計算工式，求解出觀測點的位置坐標(biāo)。此外，由于來自衛(wèi)星的時鐘信號與地面用戶裝置的時鐘信號之間難免存在誤差現(xiàn)象，還需要考慮該時間差所造成的距離偏差問題。（二） GPS信號接收方案的關(guān)鍵問題為了能夠

11、實現(xiàn)在液晶顯示器上準(zhǔn)確、實時的顯示出所接收到的GPS數(shù)據(jù)信息，核心問題就是如何處理來自衛(wèi)星的信號與GPS接收器芯片之間的數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計的難點就是如何進(jìn)行軟件程序的編寫實現(xiàn)GPS模塊信息的接收。此外，還應(yīng)該根據(jù)核心芯片的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對整個外圍電路、天線模塊等進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而保證在GPS完成衛(wèi)星信息的接收之后，能夠準(zhǔn)確計算出觀測點的經(jīng)度、緯度以及高度，并將結(jié)果通過定位模塊的輸出，在顯示電路模塊顯示出來。（三）GPS接收模塊簡介GPS接收機(jī)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成模塊。目前，市場上的GPS接收模塊的型號很多，不同型號的接收模塊在結(jié)構(gòu)、功能、價格上也存在差異。但其基本構(gòu)成往往由天線、前置放大、變頻器、并行信

12、號通道、中央處理器以及輸入輸出端口、內(nèi)部存儲器等部分構(gòu)成，其基本原理圖如圖2所示：圖2 GPS接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)GPS接收器捕獲到來自衛(wèi)星的信號之后，將對該信號進(jìn)行跟蹤，保證能夠進(jìn)行一系列連續(xù)測距。然后將對所測信號進(jìn)行解調(diào)，將該信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航電文。在該過程中還要考慮到載波相位的計算、測量偽距的處理等一些列過程，最后計算出定位點的相關(guān)坐標(biāo)信息。在整個過程中，為保證信息獲取的實時性，要求用戶能夠通過輸入和輸出接口很方便的實現(xiàn)與GPS接收模塊的信息交換，也就是系統(tǒng)應(yīng)該具有友好的人機(jī)交互界面。（四） 總體方案的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，要求能夠以單片機(jī)為核心控制器件，實現(xiàn)GPS設(shè)備的定位信息的顯示系統(tǒng)。

13、目前市面上單片機(jī)的種類繁多，功能各異。綜合考慮單片機(jī)的功能、通用性、可擴(kuò)展性以及性價比，本設(shè)計將采用常見的MCS-51單片機(jī)作為處理器。在GPS信號的接收部分，將采用SiRF Star II GPS信號接收模塊與MCS-51單片機(jī)串行接口相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的輸出。通過軟件的設(shè)計，對接收機(jī)信號進(jìn)行篩選、計算、輸出，獲取定位數(shù)據(jù)信息。最終的計算結(jié)果將通過MCU并行接口模塊輸出，利用液晶顯示器（LCD）構(gòu)成的顯示電路顯示出結(jié)果。 整個GPS定位信息顯示系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要包括以下幾部分：第一，接收模塊電路。主要包括以SiRF Star II GPS接收模塊作為核心構(gòu)成的GPS接收機(jī)，主要負(fù)責(zé)將鎖定衛(wèi)星，

14、并將捕獲碼的最大相關(guān)輸出，然后利用同步技術(shù)，通過對偽距、載波相位的估計，計算出用戶位置、速度和時間等數(shù)據(jù)信息；第二，控制電路模塊。主要包括由51單片機(jī)構(gòu)成的核心電路，主要負(fù)責(zé)控制GPS數(shù)據(jù)讀取和傳輸?shù)倪^程，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，并發(fā)送至顯示電路；第三，顯示電路部分。主要包括由LCD構(gòu)成的顯示電路，通過與微控制器接口的正確連接實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的實時顯示；第四，電源部分。為整個系統(tǒng)提供動力來源，保證系統(tǒng)的正常工作。設(shè)計中還包括一些外圍電路，主要負(fù)責(zé)在接收天線獲取衛(wèi)星信號后，在信號的變換、放大、濾波等一系列處理過程中起到相應(yīng)輔助作用，與主控電路與接收模塊協(xié)同工作，鎖緊、定位、測量并輸出顯示結(jié)果。此外，

15、在控制電路完成信息的捕獲、跟蹤和計算的過程中，無論是衛(wèi)星導(dǎo)航參數(shù)的測量，還是偽距及偽距變化率的測量，以及最終位置信息的計算及經(jīng)緯度的變換顯示，輸入輸出端口的管理等，都必須通過軟件指令進(jìn)行控制。所以軟件設(shè)計也是整體方案的重要組成部分。綜上，本文將從硬件電路與軟件設(shè)計兩部分開展具體論述。三 硬件電路設(shè)計（一）硬件總體結(jié)構(gòu)框圖硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示： 圖3 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖（二）單片機(jī)性能概述1.STC89C52引腳功能本設(shè)計中所選擇的單片機(jī)型號為STC89C52，是由中國深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)。該單片機(jī)采用40引腳雙列直插封裝方式，是采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)生產(chǎn)的。STC89

16、C52能夠與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳直接兼容。STC89C52引腳如圖4所示圖4 STC89C52引腳圖其引腳說明如下：1）主電源引腳（2根）： VCC(Pin40)：電源輸入端口，通常接+5V電源； GND(Pin20)：接地端口。 2）外接晶振引腳（2根）： XTAL1(Pin19)：芯片內(nèi)部振蕩電路的輸入端口； XTAL2(Pin18)：芯片內(nèi)部振蕩電路的輸出端口。 3）控制引腳（2根）：ALE/PROG(Pin30)：用來控制地址鎖存允許信號；PSEN(Pin29)：用來控制外部存儲器讀選通信號；4）可編程輸入輸出引腳（32根）：STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程輸

17、入輸出端口，分別為P0口、P1口、P2口以及P3口。每個端口都8根引腳，一共32根，其各端口功能詳見表1：表1 IO 端口功能綜上，整個STC89C52的主要功能如表2所示： 表2 STC89C52主要功能2.時鐘電路時鐘電路的一共有內(nèi)部產(chǎn)生或者外部產(chǎn)生的兩種模式可供選擇。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘電路模式。其中外接定時元件與X1和X2腳相聯(lián)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩。外接的定時元件具體是由石英晶體以及一個電容并聯(lián)構(gòu)成諧振電路。為了保證最好的定時效果，產(chǎn)生所需要的時鐘信號，在本電路中，擬選擇大小約為在530pF的電容，用以產(chǎn)生1.212兆赫茲的晶體振蕩頻率，發(fā)揮最佳定時效果。時鐘電路如圖5所示。圖5時

18、鐘電路圖3. 復(fù)位電路復(fù)位信號從RESET引腳輸入，整個電路主要包括由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的外部電路以及內(nèi)部電路。在單片機(jī)上電瞬間，RESET引腳將出現(xiàn)正脈沖，只要能夠在RESET端保證一定幅度大小的高電平，就能夠使單片機(jī)有效地復(fù)位。值得注意的是，復(fù)位脈沖的高電平時間間隔必須要大于2個機(jī)器周期。例如，如果在整個設(shè)計中采用6MHz的晶振，那么一個機(jī)器周期自然為2微秒，也就是說復(fù)位信號的周期應(yīng)該大于等于4微秒。圖6復(fù)位電路圖（三） SiRF Star II GPS信號接收模塊設(shè)計中以SiRF Star II GPS作為GPS信號接收模塊。該模塊是由美國瑟孚科技有限公司生產(chǎn)的GPS第二代芯片。，它能夠并

19、行接收12通道，其所接收的信號頻段主要位于民用的GPS L1頻帶信號，即1575.42兆赫茲。在沒有SelectiveAvailability干擾的前提下，改接收模塊的平均位置誤差僅僅只有10 m ，動態(tài)的速度誤差大約在0.1m/s. SiRF Star II GPS接收模塊的信號靈敏度大約為-142dBm。在冷啟動狀態(tài)下僅需要約42秒的定位時間；而在熱啟動的情況下，其所需的定位時間僅僅為38秒左右；如果是重新定位，其所花時間僅僅為8秒左右。SiRF Star II GPS接收模塊引腳如圖7所示。圖7 SiRF Star II引腳圖其引腳說明如下：1號管腳為GND端口，用來提供電源的接地端；3

20、號管腳為電源的輸入端，一般情況下連接+5V電源；2號管腳為TXD端口，通常與外部振蕩器相連。該GPS信號接收模塊的正常工作電流約為75毫安。其正常工作電壓約為2.7伏至3.3伏之間。整個GPS接收模塊主要由GRF2i射頻集成電路以及GSP2e數(shù)字集成電路構(gòu)成。在該GPS信號接收中所采用的天線已經(jīng)被封裝在模塊內(nèi)部了。該天線是一種可靠性高，靈敏度高的迷你天線，為整個接收模塊的正常工作提供了可靠的保證。SiRF Star II主要特征如表3示：表 3 SiRF Star II主要特征（四）實時顯示模塊概述本設(shè)計中的實時顯示模塊采用LCD液晶顯示模塊。其內(nèi)部點陣為16X16，相當(dāng)于8192個漢字。該模

21、塊同時包括由8X16點陣構(gòu)成的128個字符，以及顯示RAM的功能，其點陣大小為64X256。整個顯示模塊能夠?qū)崿F(xiàn)漢字和基本圖形的實時顯示。LCD液晶實時顯示模塊的引腳分布如圖8所示。圖8實時顯示電路圖主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性祥見表4:表 4 實時顯示模塊技術(shù)參數(shù)及顯示特性實時顯示模塊引腳如表5所示。表 5 實時顯示模塊引腳分布表 5引腳說明（五）電路原理圖電路原理圖見附錄一。四 軟件設(shè)計（一）軟件設(shè)計思路本設(shè)計的核心問題是如何實現(xiàn)GPS接收模塊與單片機(jī)的通訊，和微控制器接收到的信息如何篩選編排顯示到液晶顯示模塊的位置。整個軟件編程是由C語言完成的。在軟件設(shè)計上是用模塊化思想。之所以采用模塊化設(shè)計

22、理念，主要是考慮軟件的模塊化具有功能清晰，調(diào)試方便的特點。此外，在考慮到軟件的更新及功能的擴(kuò)展，以及保證軟件能夠方便的在不同的硬件平臺上的移植性等因素，整個方案的軟件主要分為實時顯示模塊，GPS數(shù)據(jù)接收模塊，單片機(jī)模塊三部分開展。（二）程序流程圖整個程序流程圖如圖9所示圖9 軟件程序流程圖圖9 程序流程圖（三）模塊軟件設(shè)計1.實時顯示模塊在設(shè)計中所使用的LCD液晶顯示模塊，其流程圖如圖10所示：圖10實時顯示模塊流程圖部分子程序如下： 2.GPS數(shù)據(jù)接收模塊GPS接收模塊必須先有能夠識別的信號發(fā)送到微控制器。其流程圖如圖11所示：圖11 GPS數(shù)據(jù)接收模塊流程圖部分子程序如下： 3. 單片機(jī)模

23、塊由GPS模塊接收的數(shù)據(jù)接收到微控制器的數(shù)據(jù)，分析，處理，將處理后的數(shù)據(jù)，由液晶顯示器顯示。其流程圖如圖12所示： 圖12單片機(jī)模塊流程圖部分程序段代碼如下：源程序其它代碼詳見附錄三。五 軟件調(diào)試與仿真測試（一） 軟件調(diào)試軟件調(diào)試的任務(wù)是使用在線仿真調(diào)試的開發(fā)工具，找出并糾正編程錯誤，而且還可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。檢查GPS模塊步驟程序，了解情況，通過觀察LCD ，GPS信號的接收條件。第三步驟中的程序，通過GPS模塊和液晶顯示模塊程序，結(jié)合在LCD顯示器上的信息的GPS觀測。（二） 仿真測試過程1.建立一個新工程，如圖13所示。圖13 建立新工程2.再進(jìn)入菜單File/New生成一個*.C格式的源

24、文件，然后單擊“Target 1”前面的“+”號，然后在“Source Group 1”上單擊右鍵，彈出如下圖14所示界面加入源文件。圖14 加入源文件界面3. 加入源程序完成后進(jìn)入菜單Project/Build target編譯工程，如圖15所示。圖15 生成文件4.Proteus仿真測試結(jié)果圖，如圖16所示。仿真電路原理圖見附錄二。圖16 仿真測試結(jié)果圖GPS衛(wèi)星信號由Q1接收，通過P3.0口送到單片機(jī)分析、處理，同時時鐘電路通過XTAL1和XTAL2接口對單片機(jī)進(jìn)行定時，復(fù)位電路通過RST和EA接口對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，單片機(jī)整理好的數(shù)據(jù)再由P0.0P0.7口傳送到LCD1顯示器顯示。六 總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計，主要是學(xué)習(xí)了GPS的原理，熟悉GPS接收機(jī)的工作原理及其各部分工作流程。GPS信號處理模塊由SiRF Star II實現(xiàn)，通過SiRF Star II與MCS-51兼容系列單片機(jī)相連，配備必要的外圍電路，液晶顯示的結(jié)果和GPS接收機(jī)的硬件和軟件設(shè)計的細(xì)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計是一個非常重要的學(xué)習(xí)階段，專業(yè)理論和實踐相結(jié)合的機(jī)會，通過這種更完整的設(shè)計，我擺脫了純粹的理論知識狀態(tài)，