畢業(yè)設計（論文）基于單片機的GPS設計

1、畢 業(yè) 設 計（論 文）說 明 書題 目：基于單片機的gps設計系 別：專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：提交時間：2015年5月10日摘 要本設計根據gps模塊數(shù)據輸出原理，基于gps接收模塊、51系列單片機、1602液晶顯示屏等元件實現(xiàn)的一臺小體積、方便攜帶、能夠獨立使用的實時定位導航設備。本設計主要研究gps接收模塊與單片機的串行通信，分別從硬件和軟件兩方面同步gps的實時顯示設計。硬件部分主要由stc90c51單片機最小系統(tǒng)模塊、，gps接收模塊、lcd液晶顯示模塊、電源模塊等組成。本設計軟件方面以單片機的匯編語言進行，編寫完成程序后，用軟件wave進行調試，無誤后在proteus 8軟件

2、進行單片機嵌入仿真。關鍵詞：單片機；gps；1602液晶屏；串行通信；abstractthe design module based on gps data output theory, based gps receiver module, 51 series, 1602 lcd display and other components to achieve a small size, portable, real-time positioning and navigation equipment can be used independently.this design study gps

3、receiver module and single-chip serial communications, gps synchronized separately from the hardware and software aspects of real-time display design. the hardware consists of stc90c51 smallest single-chip system module, gps receiver module, lcd liquid crystal display modules, power supply modules a

4、nd other components. the design software in microcontroller assembly language, after their completion program, using software wave debug and correct in proteus 8 software embedded microcontroller simulation.key words: gps(global positioning system )；mcu51；1602lcd screen目 錄摘 要iabstractii第1章 引 言11.1課題

5、的背景及意義11.2總體方案的設計1第2章gps全球定位系統(tǒng)介紹與接收gps定位信號方案22.1 gps全球定位系統(tǒng)及gps接收模塊的研究22.1.1 gps全球定位系統(tǒng)22.1.2 gps接收模塊的研究32.2 接收gps定位信號方案4第3章 基于單片機的gps硬件設計53.1 基于單片機的gps硬件總體結構53.2 基于單片機的gps設計硬件部分介紹63.2.1 stc90c51單片機器主要性能63.2.2 waveshare u-blox neo-6m信號接收模塊介紹73.2.3 1602lcd模塊介紹83.2.4 電源123.3 基于單片機的gps硬件連接介紹12第4章 基于單片機的g

6、ps軟件設計134.1 gps naea 0183數(shù)據格式介紹144.2 基于單片機的gps軟件開發(fā)環(huán)境144.2.1程序編譯環(huán)境keil uvision4144.2.2串口通信調試工具comport debuger v2.00154.2.3單片機程序編程軟件slispv1.3.2164.2.4 gps接收模塊調試軟件unav analyzer164.3基于單片機的gps軟件設計思路174.4 各模塊軟件設計184.4.1 串口初始化模塊184.4.2 液晶模塊初始化模塊194.4.3 數(shù)據接收模塊204.4.4 數(shù)據格式調整送顯模塊21第五章 總結25致 謝26參考文獻27第1章 引 言1.

7、1課題的背景及意義自第一顆gps試驗衛(wèi)星于1978年2月22日入軌運行以來，以衛(wèi)星為動態(tài)已知點的無線電導航定位時代就已經開啟。陸地、海洋及空間上的無數(shù)用戶可以通過具有接收、跟蹤、變換和測量gps導航定位信號功能的接收機就能夠隨時隨地共享gps衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，以此來計算gps測量點七維狀態(tài)和三維狀態(tài)參數(shù)。gps衛(wèi)星的運行，不僅為用戶提供定位信號，gps技術帶來的高精度、全天候、全天時的新的測量技術還在地球物理學、大地測量學、地球運動力學、天體力學、載人航天學、全球氣象學和全球海洋學等學科上做出了巨大貢獻。實時地顯示所在地的經緯度和utc標準時間是gps設備的最基本功能，但要能實現(xiàn)這一功能

8、，就要求設備最基本的能夠接收gps信號并可以調制輸出?，F(xiàn)今市面上的車載gps導航儀、gps手持機等基于gps接收模塊開發(fā)的產品，雖然功能強大，但是造價昂貴，對于一般應用而言沒有必要。故基于這一背景，此設計制作了一款低成本的能夠滿足用戶對于gps的一般需求的基于單片機的采集與顯示定位信息的gps手持設備。1.2總體方案的設計該gps設備在硬件上主要包括u-blox neo-6m（gps信號接收模塊）、at890c51、1602lcd、電源四部分。gps信號接收模塊（u-blox neo-6m）將收到的gps衛(wèi)星導航電文調制解碼，轉換為ttl的電平直接傳送給單片機串口。單片機經程序識別篩選接收到的

9、gps導航電文后送到顯示模塊，按照預先設定的排版方式顯示在1602lcd液晶顯示器上。第2章gps全球定位系統(tǒng)介紹與接收gps定位信號方案2.1 gps全球定位系統(tǒng)及gps接收模塊的研究2.1.1 gps全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(gps)是本世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。最初gps建立主要誰為了給美國獨霸全球戰(zhàn)略的軍事目的服務。到1994年3月，歷時20多年的研究開發(fā)，耗資300億美元，布設完成的24顆gps衛(wèi)星組成的星座全球覆蓋率已達98%。構成全球定位系統(tǒng)的三大部分：l 地面控制部分；l 空間部分；l 用戶裝置部分。gps星座 gps信號信號注入gps信

10、號gps接收地面監(jiān)控部分圖21 構成gps全球定位系統(tǒng)的三大部分全球定位系統(tǒng)的主要特點：l 全天候；l 全球覆蓋；l 定位精度高；l 高效率：l 應用廣泛多功能。 在離地面2萬公里的高空上，24顆gps衛(wèi)星以固定的周期繞地運轉，保證至少6顆衛(wèi)星的定位信息能夠在任一時間任一地點被同時接收到。只需其中4顆衛(wèi)星的信號，gsp接收模塊就能給出三維坐標，時間和移動速度等參數(shù) 因為已知衛(wèi)星的位置精確，在gps觀測中，我們得出衛(wèi)星與gps接收設備之間的距離，所以觀測點的位置(x,y,z)可以利用3顆衛(wèi)星組成三個方程式根據三維坐標中的距離公式解出。實際上存在x、y、z和鐘差這四個未知量，這是因為衛(wèi)星時鐘與接收

11、機時鐘存在誤差，因此需要引入第4顆衛(wèi)星，組成4個方程式求解，才能得到定位點的經緯度和高程。 2.1.2 gps接收模塊的研究接收機的關鍵部分是gps接收模塊，不同的接收模塊功能各不相同，普通的接收模塊結構主要由低噪聲下變頻器、并行信號通道、cpu、儲存器等組成。gps接收模塊的工作原理：通過接收天線獲取的衛(wèi)星信號，再經過變頻、放大、濾波、相關、混頻等一系列處理，可以實現(xiàn)對天線視界內衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量。得到了衛(wèi)星的位置信息和信號傳播時間便可計算出天線所在的位置。用戶采用異步串行通信方式通過i/o接口與gps接收模塊進行通信。前置放大低噪聲下變頻器并行信號通道本振cpuramrom天線gps接

12、收模塊 圖22 gps接收模塊內部結構2.2 接收gps定位信號方案只有先完成接收和調制好gps信號后，才能將接收到的gps地理信息顯示在液晶顯示屏上。我們有兩種接收gps信號的方案。方案一：選用gps芯片，基于芯片設計gps接收模塊接收定位信號，然后在基于設計的接收模塊完成本設計。方案二：直接選用產品gps接收模塊獲得定位信號完成本設計。選用方案一的話可以使我們掌握gps接收模塊的部分技術，但是難度較大不易實現(xiàn)，方案二的成品模塊很容易在市面上買到，比較容易實現(xiàn)。故經過分析， 選擇方案二比較適合本設計。第3章 基于單片機的gps硬件設計3.1 基于單片機的gps硬件總體結構根據總體設計方案，該

13、基于單片機的gps硬件設計主要四部分構成:1 由gps信號接收部分（u-blox neo-6m信號接收模塊）;2 控制芯片(at89c51單片機）;3 顯示部分（1602lcd液晶顯示模塊）;4 電源這幾部分構成。gps信號1602液晶顯示模塊電源gps信號接收模塊at89c51圖31基于單片機的gps硬件總體結構框圖3.2 基于單片機的gps設計硬件部分介紹3.2.1 at89c51微處理器主要性能在本次設計中，采用微控制器為at89c51單片機，其小體積、結構簡單、性價比高、可靠性高、功耗小及應用范圍廣等特性適用于移動便攜設備。at89c51的全雙工異步通信口 ,更夠跟u-blox neo

14、-6m接口進行數(shù)據讀取 、處理和輸出。且由于兩者串口通信時,采用的電平方式均為ttl ,故不需要電平轉換便可直接連接。at89c51功能性能:1.主要特性：1. 與mcs-51 兼容2. 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器3. 全靜態(tài)工作：0hz-24hz4. 三級程序存儲器鎖定5. 128*8位內部ram6. 32可編程i/o線7. 兩個16位定時器/計數(shù)器8. 兩個優(yōu)先級別的五個中斷源9. 可編程串行通道10. 低功耗的閑置和掉電模式11. 片內振蕩器和時鐘電路圖3-3 at89c51引腳圖3.2.2 waveshare u-blox neo-6m信號接收模塊介紹該設計中的gps信號接收模塊所選用的

15、是由深圳市微雪電子有限公司所生產的waveshare u-blox neo-6m接收模塊。該模塊在5v10%范圍的電壓工作時，電流低至60ma，u-blox neo-6m優(yōu)異的節(jié)能特性使其得以更廣泛的應用在移動手持設備上。 特性：使用u-blox neo-6m模組，自帶高增益有源天線波特率默認為9600，可以通過u-center修改自帶ipx接口，可以連接各種有源天線自帶可充電后備電池，可以掉電保存星歷數(shù)據，實現(xiàn)熱啟動自帶eeprom，保存配置信息參數(shù)：接口特性：ttl電平，兼容3.3v/5v系統(tǒng)接收特性：50通道， gps l1(1575.42mhz) c/a碼，sbas:waas/egno

16、s/msas定位精度：2.5mcep (sbas:2.0mcep)更新速率：最大5hz(默認1hz)捕獲時間：冷啟動：27s（最快） 熱啟動：1s追蹤靈敏度：-161dbm捕獲靈敏度(冷啟動)： -147dbm通信協(xié)議：nmea(默認)/ubx binary串口通信波特率：默認9600速度限制：500m/s高度限制：50000m工作溫度：-40攝氏度 85攝氏度工作電壓：2.7v-5.0v(vcc引腳輸入)工作電流：45matxd/rxd阻抗：510歐使用說明：vcc：接3.3v/5vgnd：接gndtxd：接mcu.rxrxd：接mcu.txpps：接mcu.io 時鐘脈沖輸出（可不接）3.

17、2.3 1602lcd液晶顯示模塊介紹顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.55.5v工作電流:2.0ma(5.0v)模塊最佳工作電壓:5.0v字符尺寸:2.954.35(wh)mm配置led背光內帶cgrom、cgram 能夠顯示160個不同的點陣字符圖形多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符其字符與圖形在cgrom和cgram中的對應的關系如表31所示。圖34 1602液晶顯示模塊表31 cgrom和cgram中字符代碼與字符圖形對應的關系1602采用標準的16腳接口，其中: 引腳功能說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據2vdd電源正極10d3數(shù)據3vl液晶

18、顯示偏壓11d4數(shù)據4rs數(shù)據/命令選擇12d5數(shù)據5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據6e使能信號14d7數(shù)據7d0數(shù)據15bla背光源正極8d1數(shù)據16blk背光源負極表3-2引腳接口說明表14腳時無背光，16腳時帶背光引 線 號符 號名 稱功 能1vss接地0v2vdd電路電源5v10%3vl液晶顯示偏壓信號調節(jié)對比度4rs寄存器選擇信號h:數(shù)據寄存器 l:指令寄存器5r/w讀/寫信號h:讀 l:寫6e片選信號下降沿觸發(fā),鎖存數(shù)據7|14db0|db7數(shù)據線數(shù)據傳輸15bla背光源正極提供背光16blk背光源負極提供背光表3-3 16腳接口根據編程時所采用的方法，決定采用1602lcd液晶顯示

19、模塊和單片機連接的方式：p0.0p0.7p2.2p2.1p2.0db0db7er/wrsvlblkbla5kat89c511602lcm5v0v0v圖36 at89c51與1602lcd液晶顯示模塊的連接方式3.2.4 電源為了設備的能夠方便攜帶，所以決定選擇電池給設備供電，考慮到系統(tǒng)各模塊的最佳工作電壓，故選擇了5v鋰電池。3.3 基于單片機的gps硬件連接介紹整個硬件設計要求gps接收模塊輸出的信號連接器件將單片（stc90c51）、gps信號接收模塊、1206液晶顯示模塊、電源相連接實現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬件電路設計詳圖。3-7 1206lcd與單片機的連接圖3-8單片機與gps的接口圖第4章

20、基于單片機的gps軟件設計4.1 gps naea 0183數(shù)據格式介紹nmea0183是美國國家海洋電子協(xié)會（national marine electronics association）為海用電子設備制定的標準格式。它是在0180和0182的標準格式的基礎上加入gps接收機輸出。nmea0183將包含經度、緯度、速度、時間、日期、航向、以及衛(wèi)星信號情況等信息的語句以asc字符碼輸出。本設計只運用定位數(shù)據語句$gprmc的結構為：$gprmc,*hh；gp：交談識別符；rmc：語句識別符；hh：校驗和，表示“$”與“*”之間所有字符（不包括$和*）的按位異或值。：utc時間，hhmmss（

21、時分秒）格式；：定位狀態(tài)，a有效定位，v無效定位；：定位點緯度，ddmm.mmmm（度分）格式；：緯度半球，n（北半球）或s（南半球）；：定位點經度，dddmm.mmmm（度分）格式;：經度半球，e（東經）或w（西經）；：地面速率，000.0節(jié)999.9節(jié)；：地面航向，000.0度359.9度；：utc日期，ddmmyy（日月年）格式；：磁偏角，000.0度180度；：磁偏角方向，e（東）或w（西）。4.2 基于單片機的gps軟件開發(fā)環(huán)境4.2.1程序編譯環(huán)境keil uvision4本設計的軟件的開發(fā)環(huán)境為keil uvision4。keil uvision4開發(fā)環(huán)境具有以下優(yōu)點：真正的集成

22、調試環(huán)境；眾多強大軟硬件調試手段,包括邏輯分析儀、跟蹤器、邏輯筆、波形發(fā)生器、影子存儲器、記時器、程序時效分析、 數(shù)據時效分析、硬件測試儀、事件觸發(fā)器；集成了各種類的單片機,不僅支持匯編，還支持c、pl/m源程序混合調試；支持項目管理和軟件模擬；支持點屏功能；支持各種數(shù)據類型的窗口觀察；樹狀結構顯示；在線修改、編譯、調試源程序，錯誤定位4.2.2串口通信調試工具comport debuger v2.00設計使用comport debuger v2.00進行串口通訊調試。此款軟件能夠選擇串口端口，設定波特率、數(shù)據位、停止及校驗位等等，且能夠自定義自動發(fā)送數(shù)據的時間間隔。如圖42，軟件正在模擬gp

23、s將地理數(shù)據傳輸給單片機，以輔助調試程序和硬件。圖41 comport debuger v2.00界面圖4.2.3單片機程序編程軟件slispv1.3.2所以我選擇了slispv1.3.2這款編程配合燒錄程序。在程序在keil uvision4調試、編譯完成后，還需要通過編程軟件跟編程器將燒錄到單片機的硬件系統(tǒng)中進行整體調試。圖 42 slispv1.3.2界面圖4.2.4 gps接收模塊調試軟件u-center第一次使用gps接收模塊時需要在電腦上對其進行串口輸率初始化以及gps地理數(shù)據的測試接收。waveshare u-blox neo-6m信號接收模塊生產商推薦使用u-center。u-

24、center上可以設置輸出語句，還能查看分析接收gps數(shù)據后的狀態(tài)。4.3基于單片機的gps軟件設計思路設計的關鍵是at89c51通過串行通訊接收到u-blox neo-6m的數(shù)據，并篩選編排后顯示到1602lcd上。考慮到調試及移植，故使用模塊化進行軟件設計。軟件包括四個主要模塊：1 串口初始化模塊；2 液晶模塊初始化模塊；3 數(shù)據接收模塊；4 數(shù)據格式調整送顯模塊。at89s51串口、液晶顯示模塊初始化開始判斷是否為$gprmc語句接收并儲存到單片機分配的地址中篩選utc時間、經緯度數(shù)據并調整格式送液晶顯示模塊顯示utc時間、經緯度ny圖 43軟件程序流程圖4.4 各模塊軟件設計4.4.1

25、 串口初始化模塊波特率設為9600，定時器為工作方式2，將#0fdh分別賦值給th1和tl1。其程序如下：mov tmod,#20h;定時器工作方式選擇mov th1,#0fdh;定時器初始賦值mov tl1,#0fdh;mov pcon,#00h;串口工作方式選擇setb tr1mov scon,#70h;串口工作方式選擇4.4.2 液晶模塊初始化模塊1602液晶模塊的標準初始化描述如下：延時15ms寫指令38h（不檢測忙信號）延時15ms寫指令38h（不檢測忙信號）延時15ms寫指令38h（不檢測忙信號）寫指令38h寫指令38h：顯示模式設置寫指令08h：顯示關閉寫指令01h：顯示清屏寫指

26、令06h：顯示關標移動設置寫指令0ch：顯示開及光標設置程序如下：mov p0,#0h;清屏acall enablecall delay1mov p0,#38hacall enable mov p0,#38hacall enable mov p0,#38hacall enable mov p0,#8hacall enable mov p0,#1hacall enable mov p0,#6hacall enable mov p0,#0chacall enable4.4.3 數(shù)據接收模塊數(shù)據接收先要檢測串口是否給單片機發(fā)送信息，而且需要識別語句，才能取入所需的語句$gprmc，。由于這些語句都是

27、已$gp開頭的，故在程序中也只需要判斷m和c這兩個字母。其識別和儲存的程序如下：read:call reccjne a,#04dh,read;m?;判斷是否mcall reccjne a,#043h,read;c?; 判斷是否ccall recmov r0,#10h;數(shù)據儲存起始地址mov r1,#42h;數(shù)據位數(shù)store: ;儲存call recmov r0,ainc r0djnz r1,storeretrec:jb ri,gooutinc r2cjne r2,#255,recmov r2,#0hinc r3cjne r3,#255,recmov r3,#0hinc r4cjne r4,#

28、5,recmov r4,#0hcall nosignaljmp waitgoout:clr rimov r2,#0hmov r3,#0hmov r4,#0hmov r5,#0hmov a,sbufret4.4.4 數(shù)據格式調整送顯模塊我們需按位選取gprmc中緯度、經度、utc時間和utc日期等的數(shù)據并進行格式調整后再送液晶屏顯示。其程序模塊如下：time:;時間格式調整模塊 mov r2 ,#0c0h lcall enable lcall write mov p0,#01h;清屏 acall enable mov 60h ,#20h mov 61h ,#20h mov 62h ,#20h m

29、ov 63h ,#20h mov 64h ,10h;時 mov 65h ,11h; mov 66h ,#: ; mov 67h ,12h;分 mov 68h ,13h; mov 69h ,#: mov 6ah ,14h;秒 mov 6bh ,15h; mov 6ch ,#20h mov 6dh ,#20h mov 6eh ,#20h mov 6fh ,#20h mov r0 ,#60h mov r3 ,#10h call disdat: ;日期格式調整模塊 mov r2 ,#80h lcall enable lcall write mov 63h ,#32h mov 64h ,#30h mov

30、 65h ,44h mov 66h ,45h mov 67h ,#/ mov 68h ,42h mov 69h ,43h mov 6ah ,#/ mov 6bh ,40h mov 6ch ,41h mov 6dh,#20h mov 6eh ,#20h mov 6fh ,#20h mov r0 ,#60h mov r3 ,#10h call dislon: ;緯度格式調整模塊 mov r2 ,#0c0h lcall enable lcall write1 mov p0,#01h;清屏 acall enable mov 70h,#20h mov 71h,#20h mov 72h ,#4eh mov

31、 73h ,#: mov 74h ,#20h mov 75h ,1ch mov 76h ,1dh mov 77h ,#2eh mov 78h ,1eh mov 79h ,1fh mov 7ah ,20h mov 7bh ,21h mov 7ch ,22h mov 7dh ,23h mov 7eh ,24h mov 7fh ,#20h mov r0 ,#70h mov r3 ,#10h call dislat: ;經度格式調整模塊 mov r2 ,#080h lcall enable lcall write1 mov 60h ,#20h mov 61h ,#20h mov 62h,#45h mov 63h ,#: mov 64h,28h mov 65h,29h mov 66h,2ah mov 67h,#2eh mov 68h,2bh mov 69h,2ch mov 6ah,2dh mov 6bh,2eh mov 6ch,2fh mov 6dh,30h mov 6eh,31h mov 6fh ,#20h mov r0 ,#60h mov r3 ,#10h cal