基于单片机的简易GPS定位信息显示系统设计.doc

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1、基于单片机简易GPS定位信息显示系统设计 系 部： 电子及通信工程系 学生姓名： 专业班级： 学 号： 指导教师： 2012年 10 月 9 日声 明本人所呈交基于单片机简易GPS定位信息显示系统设计，是我在指导教师指导与查阅相关著作下独立进行分析研究所取得成果。除文中已经注明引用内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过研究成果。对本文研究做出重要贡献个人与集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 日期： 摘 要GPS（Global Positioning System）全球定位系统是当今信息时代发展中重要组成部分。由于其良好性能，精度高，适用范围广等特点，被广泛应用于陆地，海洋

2、，航空航天等领域。本文提出了一种微控制器作为核心控制设备，由GPS接收模块、实时显示模块等功能电路构成GPS实时显示系统。文章从硬件设计与软件设计两个方面，阐述了MCS-51系列单片机如何及GPS接收模块实现串行通信，结果显示GPS定位信息，并利用Proteus仿真软件，对其性能进行了仿真测试。该设计电路简单，成本低，性能好，具有一定实用价值。【关键词】：GPS；单片机；串行通信；实时显示模块ABSTRACTGPS ( Global Positioning System ) global positioning system in todays information age is the i

3、mportant 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 by GPS module

4、, 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 positioning inform

5、ation, 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 录一 概述1（一）系统设计背景及意义

6、1（二）系统设计主要内容1二 GPS定位信息显示系统方案设计1（一）GPS全球定位系统简介1（二）GPS信号接收方案解决2（三）GPS接收模块简介3（四）总体方案设计3三 硬件电路设计4（一）硬件总体结构框图4（二）单片机性能概述5（三）SiRF Star II GPS信号接收模块7（四）实时显示模块概述8（五）电路原理图10四 软件设计10（一）软件设计思路10（二）程序流程图10（三）模块软件设计11五 软件调试及仿真测试14（一）软件调试14（二）仿真测试过程14六 总结16致 谢17参考文献17附录一 电路原理图18附录二 仿真电路原理图19附录三 源程序20第 10 页一 概述（一）

7、系统设计背景及意义 GPS是英文Global Positioning System全球定位系统简称，它提供实时全天候与全球性导航服务，并用于情报收集，应急通信与一些其他用途。目前已经被广泛用于陆海空三大领域。例如：陆地GPS技术应用，它可以应用在各种车辆行驶状态监控中；在海洋应用中，GPS技术可以应用于远洋船舶最佳航线测定；在航空航天应用，GPS技术可以应用到民用飞机在运输过程中自主导航。现在GPS技术中最关键就是如何解决GPS信号是否能被准确接收与调制输出问题。此外，准确显示出当时所在地方经度与纬度、时间，也直接关系到这种技术是否具有良好实用价值。今天，已经有很多基于此类GPS技术及基本功能

8、基础上开发产品，如GPS手持机，GPS导航设备等。GPS技术确具备功能强大、可扩展性好等优势，但同时也具有价格昂贵、电路复杂等缺点。本文拟设计一个简单基于单片机GPS定位信息显示系统，整个系统构成简单，基本性能齐全，价格便宜，具有一定实用价值。（二）系统设计主要内容在学习微控制器与GPS理论知识基础上，选择合适微控制器与GPS接收模块，通过GPS接收并提取卫星信息。以单片机为核心组成部分，对所提取信息进行分析，处理，利用液晶显示器构成显示电路，实时准确地显示所需数据。设计完成后利用Proteus软件仿真测试其性能。二 GPS定位信息显示系统方案设计（一） GPS全球定位系统简介GPS是新一代空

9、间卫星导航定位系统Global Positioning System简称，由美国在21世纪70年代研制开发。GPS技术在研究初始阶段其主要目是为收集情报。此外，包括实时监测核武器动向，对地、海、空三大领域进行全天候、实时无漏洞导航服务也是其主要目之一。目前，GPS技术还被广泛地应用及应急通信与其他一些军事目、经济领域。GPS技术整体比较复杂，但从不同技术领域来分，可以分为以下三个主要部分：第一， 地面控制部分。主要包括主控站、地面天线以及电台与通讯辅助系统；第二， 空间控制部分。目前全球一共有24颗卫星分布在6个不同轨道平面上，为GPS技术信息获取提供主要来源；第三， 用户装置部分。该部分主要

10、包括卫星天线以及GPS接收机两个模块。这三部分关系图如图1所示。图1 GPS全球定位系统组成其主要工作原理是由地面监控部分来计算从卫星发出信号到达GPS接收机，即用户装置部分时间间隔，利用公式计算出用户装置到基准卫星距离。在此过程中共需要接收天空中大于3颗卫星信号所发信息。然后在三维坐标系中，利用距离计算工式，求解出观测点位置坐标。此外，由于来自卫星时钟信号及地面用户装置时钟信号之间难免存在误差现象，还需要考虑该时间差所造成距离偏差问题。（二） GPS信号接收方案关键问题为了能够实现在液晶显示器上准确、实时显示出所接收到GPS数据信息，核心问题就是如何处理来自卫星信号及GPS接收器芯片之间数据

11、通信。本设计难点就是如何进行软件程序编写实现GPS模块信息接收。此外，还应该根据核心芯片设计标准，对整个外围电路、天线模块等进行设计，进而保证在GPS完成卫星信息接收之后，能够准确计算出观测点经度、纬度以及高度，并将结果通过定位模块输出，在显示电路模块显示出来。（三）GPS接收模块简介GPS接收机是整个系统关键构成模块。目前，市场上GPS接收模块型号很多，不同型号接收模块在结构、功能、价格上也存在差异。但其基本构成往往由天线、前置放大、变频器、并行信号通道、中央处理器以及输入输出端口、内部存储器等部分构成，其基本原理图如图2所示：图2 GPS接收模块内部结构当GPS接收器捕获到来自卫星信号之后

12、，将对该信号进行跟踪，保证能够进行一系列连续测距。然后将对所测信号进行解调，将该信号转换为导航电文。在该过程中还要考虑到载波相位计算、测量伪距处理等一些列过程，最后计算出定位点相关坐标信息。在整个过程中，为保证信息获取实时性，要求用户能够通过输入与输出接口很方便实现及GPS接收模块信息交换，也就是系统应该具有友好人机交互界面。（四） 总体方案设计根据系统设计要求，要求能够以单片机为核心控制器件，实现GPS设备定位信息显示系统。目前市面上单片机种类繁多，功能各异。综合考虑单片机功能、通用性、可扩展性以及性价比，本设计将采用常见MCS-51单片机作为处理器。在GPS信号接收部分，将采用SiRF S

13、tar II GPS信号接收模块及MCS-51单片机串行接口相连实现数据信号输出。通过软件设计，对接收机信号进行筛选、计算、输出，获取定位数据信息。最终计算结果将通过MCU并行接口模块输出，利用液晶显示器（LCD）构成显示电路显示出结果。 整个GPS定位信息显示系统硬件构成主要包括以下几部分：第一，接收模块电路。主要包括以SiRF Star II GPS接收模块作为核心构成GPS接收机，主要负责将锁定卫星，并将捕获码最大相关输出，然后利用同步技术，通过对伪距、载波相位估计，计算出用户位置、速度与时间等数据信息；第二，控制电路模块。主要包括由51单片机构成核心电路，主要负责控制GPS数据读取与传

14、输过程，并将数据进行滤波等处理，并发送至显示电路；第三，显示电路部分。主要包括由LCD构成显示电路，通过及微控制器接口正确连接实现定位数据实时显示；第四，电源部分。为整个系统提供动力来源，保证系统正常工作。设计中还包括一些外围电路，主要负责在接收天线获取卫星信号后，在信号变换、放大、滤波等一系列处理过程中起到相应辅助作用，及主控电路及接收模块协同工作，锁紧、定位、测量并输出显示结果。此外，在控制电路完成信息捕获、跟踪与计算过程中，无论是卫星导航参数测量，还是伪距及伪距变化率测量，以及最终位置信息计算及经纬度变换显示，输入输出端口管理等，都必须通过软件指令进行控制。所以软件设计也是整体方案重要组

15、成部分。综上，本文将从硬件电路及软件设计两部分开展具体论述。三 硬件电路设计（一）硬件总体结构框图硬件总体结构框图如图3所示：图3 硬件总体结构框图（二）单片机性能概述1.STC89C52引脚功能本设计中所选择单片机型号为STC89C52，是由中国深圳宏晶科技生产。该单片机采用40引脚双列直插封装方式，是采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术生产。STC89C52能够及工业标准MCS-51指令集与输出管脚直接兼容。STC89C52引脚如图4所示图4 STC89C52引脚图其引脚说明如下：1）主电源引脚（2根）： VCC(Pin40)：电源输入端口，通常接+5V电源； GND(Pin20)：接

16、地端口。 2）外接晶振引脚（2根）： XTAL1(Pin19)：芯片内部振荡电路输入端口； XTAL2(Pin18)：芯片内部振荡电路输出端口。 3）控制引脚（2根）：ALE/PROG(Pin30)：用来控制地址锁存允许信号；PSEN(Pin29)：用来控制外部存储器读选通信号；4）可编程输入输出引脚（32根）：STC89C52单片机有4组8位可编程输入输出端口，分别为P0口、P1口、P2口以及P3口。每个端口都8根引脚，一共32根，其各端口功能详见表1：表1 IO 端口功能综上，整个STC89C52主要功能如表2所示： 表2 STC89C52主要功能2.时钟电路时钟电路一共有内部产生或者外部

17、产生两种模式可供选择。本设计采用内部时钟电路模式。其中外接定时元件及X1与X2脚相联，由内部振荡器产生自激振荡。外接定时元件具体是由石英晶体以及一个电容并联构成谐振电路。为了保证最好定时效果，产生所需要时钟信号，在本电路中，拟选择大小约为在530pF电容，用以产生1.212兆赫兹晶体振荡频率，发挥最佳定时效果。时钟电路如图5所示。图5时钟电路图3. 复位电路复位信号从RESET引脚输入，整个电路主要包括由施密特触发器构成外部电路以及内部电路。在单片机上电瞬间，RESET引脚将出现正脉冲，只要能够在RESET端保证一定幅度大小高电平，就能够使单片机有效地复位。值得注意是，复位脉冲高电平时间间隔必

18、须要大于2个机器周期。例如，如果在整个设计中采用6MHz晶振，那么一个机器周期自然为2微秒，也就是说复位信号周期应该大于等于4微秒。图6复位电路图（三） SiRF Star II GPS信号接收模块设计中以SiRF Star II GPS作为GPS信号接收模块。该模块是由美国瑟孚科技生产GPS第二代芯片。，它能够并行接收12通道，其所接收信号频段主要位于民用GPS L1频带信号，即兆赫兹。在没有SelectiveAvailability干扰前提下，改接收模块平均位置误差仅仅只有10 m ，动态速度误差大约在m/s. SiRF Star II GPS接收模块信号灵敏度大约为-142dBm。在冷启

19、动状态下仅需要约42秒定位时间；而在热启动情况下，其所需定位时间仅仅为38秒左右；如果是重新定位，其所花时间仅仅为8秒左右。SiRF Star II GPS接收模块引脚如图7所示。图7 SiRF Star II引脚图其引脚说明如下：1号管脚为GND端口，用来提供电源接地端；3号管脚为电源输入端，一般情况下连接+5V电源；2号管脚为TXD端口，通常及外部振荡器相连。该GPS信号接收模块正常工作电流约为75毫安。其正常工作电压约为2.7伏至3.3伏之间。整个GPS接收模块主要由GRF2i射频集成电路以及GSP2e数字集成电路构成。在该GPS信号接收中所采用天线已经被封装在模块内部了。该天线是一种可

20、靠性高，灵敏度高迷你天线，为整个接收模块正常工作提供了可靠保证。SiRF Star II主要特征如表3示：表 3 SiRF Star II主要特征（四）实时显示模块概述本设计中实时显示模块采用LCD液晶显示模块。其内部点阵为16X16，相当于8192个汉字。该模块同时包括由8X16点阵构成128个字符，以及显示RAM功能，其点阵大小为64X256。整个显示模块能够实现汉字与基本图形实时显示。LCD液晶实时显示模块引脚分布如图8所示。图8实时显示电路图主要技术参数与显示特性祥见表4:表 4 实时显示模块技术参数及显示特性实时显示模块引脚如表5所示。表 5 实时显示模块引脚分布表 5引脚说明（五）

21、电路原理图电路原理图见附录一。四 软件设计（一）软件设计思路本设计核心问题是如何实现GPS接收模块及单片机通讯，与微控制器接收到信息如何筛选编排显示到液晶显示模块位置。整个软件编程是由C语言完成。在软件设计上是用模块化思想。之所以采用模块化设计理念，主要是考虑软件模块化具有功能清晰，调试方便特点。此外，在考虑到软件更新及功能扩展，以及保证软件能够方便在不同硬件平台上移植性等因素，整个方案软件主要分为实时显示模块，GPS数据接收模块，单片机模块三部分开展。（二）程序流程图整个程序流程图如图9所示图9 软件程序流程图图9 程序流程图（三）模块软件设计1.实时显示模块在设计中所使用LCD液晶显示模块

22、，其流程图如图10所示：图10实时显示模块流程图部分子程序如下：2.GPS数据接收模块GPS接收模块必须先有能够识别信号发送到微控制器。其流程图如图11所示：图11 GPS数据接收模块流程图部分子程序如下：3. 单片机模块由GPS模块接收数据接收到微控制器数据，分析，处理，将处理后数据，由液晶显示器显示。其流程图如图12所示：图12单片机模块流程图部分程序段代码如下：源程序其它代码详见附录三。五 软件调试及仿真测试（一） 软件调试软件调试任务是使用在线仿真调试开发工具，找出并纠正编程错误，而且还可以发现硬件故障。检查GPS模块步骤程序，了解情况，通过观察LCD ，GPS信号接收条件。第三步骤中

23、程序，通过GPS模块与液晶显示模块程序，结合在LCD显示器上信息GPS观测。（二） 仿真测试过程1.建立一个新工程，如图13所示。图13 建立新工程2.再进入菜单生成一个*.C格式源文件，然后单击“Target 1”前面“+”号，然后在“Source Group 1”上单击右键，弹出如下图14所示界面加入源文件。图14 加入源文件界面3. 加入源程序完成后进入菜单Project/Build target编译工程，如图15所示。图15 生成文件4.Proteus仿真测试结果图，如图16所示。仿真电路原理图见附录二。图16 仿真测试结果图GPS卫星信号由Q1接收，送到单片机分析、处理，同时时钟电路

24、通过XTAL1与XTAL2接口对单片机进行定时，复位电路通过RST与EA接口对单片机进行复位，单片机整理好数据再由LCD1显示器显示。六 总结通过本次毕业设计，主要是学习了GPS原理，熟悉GPS接收机工作原理及其各部分工作流程。GPS信号处理模块由SiRF Star II实现，通过SiRF Star II及MCS-51兼容系列单片机相连，配备必要外围电路，液晶显示结果与GPS接收机硬件与软件设计细节。毕业设计是一个非常重要学习阶段，专业理论与实践相结合机会，通过这种更完整设计，我摆脱了纯粹理论知识状态，我综合运用知识能力，通过理论及实践相结合，并行使解决实际工程能力，也提高了我访问，文学，设计

25、手册，设计规范与绘画水平，以及细节控制，可以使我能力加强与丰富经验。总之，做毕业设计过程中，我们已经学到专业知识，在我生命中一个很好学习经验与学到实践经验，也是对自己综合能力测试与提高。致 谢本课题是在罗红艳教师悉心指导下完成，论文从选题到写作及最后成稿，罗教师都给予了我精心指导与极大帮助。罗教师尽心尽责给了我深刻影响，而罗教师随与个性让我感到温暖。在设计阶段，罗教师在数据收集，程序调试，征文等方面给了我严格要求与重要指导。在此感谢罗教师对我帮助。感谢电子系所有教师在毕业设计期间为我们提供良好知识基础。此外，我还要对在这次设计中，帮助与支持我同学，表示感谢！参考文献1 刘基余.GPS卫星导航定

26、位原理及方法M.科学出版社.2003. 2 刘基余，李征航.全球定位系统原理及其应用M.测绘出版社.1993. 3 王惠南.GPS导航原理及应用M.科学出版社.2003. 4 潘永雄.新编单片机原理及应用M.西安电子科技大学出版社.2003.5 张鹏.单片机原理及应用M.电子科技大学出版社.2004. 6 张立科.单片机典型模块设计实例导航M.人民邮电出版社.2000. 7 余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术M.西安电子科技大学出版社.2010. 8 蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用.北京高等教育出版社.1992.9 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社.2002.10 李洪涛.GPS应用程序设计M.科学出版社.1999.附录一 电路原理图附录二 仿真电路原理图附录三 源程序主程序GPS接收模块程序= GPS 显示终端 ;= GPS 初始化.;= 搜索定位卫星.;液晶显示模块程序GPS显示程序= 北纬;= 南纬;= 东经;= 西经;= 年 月 日 ;