基于单片机的GPS设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的GPS设计毕业设计论文

毕业设计（论文）说明书

题目：

基于单片机的GPS设计

系别：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

教研室：

提交时间：

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

本设计详细介绍了一种基于单片机、GPS接收模块、1602液晶屏等器件的GPS实时显示功能的实现。

分别从硬件和软件实现等方面对设计作了详细的阐述，并且结合硬件的特点研究了MCS－51系列单片机如何与GPS接收模块实现串行通信，该系统是根据GPS模块数据输出基本原理设计而成的。

是一台体积小巧、携带方便、可以独立使用的全天候实时的定位导航设备。

关键词：

单片机；GPS；1602液晶屏；串行通信；

ABSTRACT

ThedesingnofGPS（GlobalPositioningSystem）portablereceiverisintroducedindetail.ThereceiverhasbeenrealizedonthebasisofMCU,GPSreceiverand1602LCDscreenetc.Thesystemisdiscussedintwoaspects,softwareandhardware.Itiswidelyusedintraveling,navigations,landsurveys,prospectingandmanyotherfields.AnditisdesignedbasedonprinciplesofGPS,whichissmallbulk,easytotakeandcanbeindependentlyused.

KEYWORDS:

GPS（GlobalPositioningSystem）；MCU51；1602LCDscreen

第1章引言

1.1课题的背景及意义

1978年2月22日第一颗GPS试验卫星的入轨运行，开创了以导航卫星为动态已知点的无线电导航定位的新时代。

GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息资源。

陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以全天时、全天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数和三维状态参数。

其用途之广，影响之大，是任何其他无线电接收设备望尘莫及的。

不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度、全天时、全天候的测量新技术。

纵观现状，GPS技术有下述用途。

1.GPS技术的陆地应用

各种车辆的行驶状态监控；旅游者或旅游车的景点导游；应急车辆（如公安、急救车等）的快速引导行驶；高精度时间比对和频率控制；大气物理观测；地球物理资源勘探；工程建设的施工放样测量；大型建筑和煤气田的沉降检测；板内运动状态和地壳形变测量；陆地以及海洋大地测量基准的测定；工程、区域、国家等各种类型大地测量控制网的测量和建设；请求救援在途实时报告；引导盲人行走；平整路面的实时监控，精细农业。

2.GPS技术的海洋应用

远洋船舶的最佳航线测定；远洋船队在途中航行的实时调度和监测；内河船只的实时调度和自主导航测量；海洋救援的搜索和定点测量；远洋渔船的结队航行和作业调度；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测；海底管道铺设测量；海岸地球物理勘探；水文测量；海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；船运货物失窃报警；净化海洋（如海洋溢油的跟踪报告）；海洋纠纷或海损事故的定点测定；浮筒抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位；港口交通管制；海洋灾难检测。

3.GPS技术的航空应用

民航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油控制；飞机编队飞行的安全保护；航空援救的搜索和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定测量；摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量。

4．GPS技术的航天应用

低轨道通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载入航天器的在轨防护探测；星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。

由此可见GPS技术已经延伸到各个领域的方方面面，但是要完成以上所述的各种用途，最基本的就是要具备能够接收GPS信号并且能够调制输出的设备，而设备最基本的功能就是能显示当时所处地点的经纬度以及UTC标准时间。

现在世面上已经有许多基于GPS接收模块所开发的产品，GPS手持机、车载GPS导航仪等等，虽然其功能强大，如车载GPS导航系统都带有大比例尺地图，但价格都比较昂贵，而且对于普通应用完全没有必要。

所以基于这种情况本次设计针对普通用户使用GPS的切实需要，设计并制作实现了基于单片机采集与显示GPS定位信息的低成本手持GPS设备。

1.2总体方案的设计

该手持GPS设备硬件主要由GPS信号接收部分（SERFGS1100GPS信号接收模块）、控制芯片（AT89S51单片机）、显示部分（1602LCM液晶显示模块）、电平转换电路（MAX232）构成。

GPS接收模块将收到的GPS卫星导航电文调制解码，转换为标准格式后送到电平转换电路再由MAX232芯片进行RS-232——TTL的电平转换，再送给单片机串口接收，当单片机收到GPS发送过来的导航电文后，经过片内程序的识别筛选，将筛选出来的导航电文送到显示模块，并且最后通过液晶显示器按照要求的编排格式所显示。

第2章GPS全球定位系统介绍与接收GPS定位信号方案

2.1GPS全球定位系统及GPS接收模块的研究

2.1.1GPS全球定位系统

全球定位系统（GPS）是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。

其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。

经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

全球定位系统由三部分构成：

（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；

（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。

其系统的结构框图如图2－1所示。

图2－1由三大部分构成的GPS卫星全球定位系统

1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始。

1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段。

GPS系统经过16年来的发射试验卫星，到开发GPS信号应用，进而发射工作卫星，终于在1994年3月建成了信号覆盖律达到了98％的GPS工作星座它由9颗Block2卫星和15颗Block2A卫星组成。

1985年11月以前发射的11颗Block1GPS试验卫星已经完成了它们的历史使命，于1993年12月31日全部停止了工作。

图2－2BlockⅡ/ⅡR卫星

全球定位系统的主要特点：

（1）全天候；

（2）全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：

（5）应用广泛多功能。

24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

图2－3GPS卫星工作星座图

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。

考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。

美国政府宣布2000年起，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米。

为了达到更高的定位精度，往往还采用了差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。

接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。

实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

2.1.2GPS接收模块的研究

GPS接收模块是接收机的关键模块，而且型号很多，功能各异，一般的组成结构主要由低噪声下变频器、并行信号通道、CPU、储存器等组成。

GPS接收模块的工作原理是它接收天线获取的卫星信号，进过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。

在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，即可计算出天线位置。

用户通过输入输出接口，采用异步异步串行通信方式与GPS接收模块进行信息交换。

图2－4GPS接收模块内部结构

2.2接收GPS定位信号方案

要实现在液晶显示器上显示出接收到的GPS地理信息，首先要实现GPS信号的接收和调制。

在接收GPS方案上我们可以有两种选择。

第一种方案是选择GPS接收芯片然后再根据芯片设计标准，设计外围电路和安装天线等，选择这个方案的优点是可以掌握到GPS接收部分的电路设计技术，但是这个方案的缺点也是显而易见的，首先实现的难度较大不容易成功，其次由于GPS接收芯片一般都是厂商直接供货，单独采购价格会很高。

第二种方案是选择成品的GPS接收模块，采用这个方案的优点是由于现阶段GPS接收模块的制造技术已经相当成熟，性能稳定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通过模块的串口输出GPS地理信息。

当然其缺点就体现在，由于GPS接收模块已经由厂家完成了设计与封装，所以其核心技术我们就不得而知。

不过对于我们也并不影响其应用。

并且在经过大规模的商业化生产后价格已经很低，这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。

从上面的分析可以知道，GPS接收模块就能够很好的作为本次设计接收GPS定位信号的解决方案，经过大规模工厂生产后价格已经很低，并且这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。

第3章基于单片机的GPS硬件设计

3.1基于单片机的GPS硬件总体结构

根据总体设计方案，该基于单片机的GPS硬件设计主要由GPS信号接收部分（SERFGS1100GPS信号接收模块）、控制芯片（AT89S51单片机）、显示部分（1602LCM液晶显示模块）、电平转换电路（MAX232）这几部分构成。

其大体结构框图如下。

图3－1基于单片机的GPS硬件总体结构框图

3.2基于单片机的GPS设计硬件部分介绍

3.2.1AT89S51微处理器主要性能

AT89S51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（Flash）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89S51提供了高性价比的解决方案。

AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3－2AT89S51管脚示意图

AT89S51的主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程Flash存储器；寿命：

1000写/擦循环；数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·最高工作频率为33MHz

·ISP在线编程功能

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·内部集成看门狗计时器

·双数据指示器

·电源关闭标识

·全新的加密算法

·具有双工UART串行通道

·可编程串行通道

·低功耗的内置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

3.2.2SERFGS1100GPS信号接收模块介绍

该设计中GPS信号接收模块所选用的是SERFGS1100GPS接收模块，该模块是由深圳市瑟孚电子有限公司所生产。

模块具有12通道并行接收能力，所接收的GPS信号属于民用频段的L1信号（1575.42MHz），在没有SA干扰的情况下平均定位误差为10米，动态速度误差为0.1米/秒，信号灵敏度更是高达－153dBm，冷启动定位时间为50秒，热启动时间为35秒，重新定位时间仅仅需要8秒。

而在数据输出方面信号电平是采用的标准的RS－232电平，为应用的通用性提供了便利，其波特率为常用的9600，GPS数据输出格式为标准的NMEA0183V3.0标准，采集地理信息的更新速率为每秒一次，地图坐标系为WGS－84坐标系。

天线采用的是体积小、可靠性高、灵敏度高的微带天线，该天线与整个模块封装在防水的塑料外壳里，更进一步的提高了整个模块的可靠性。

工作电压为5V±％10，工作电流仅为60mA，其优异的节能特性完全可以和AT89S51等芯片共用一组电池电源，使得这一模块在移动手持设备上有了更广泛的用途。

图3－3SERFGS1100GPS信号接收模块

3.2.31602液晶显示模块介绍

主要技术参数数和显示特性：

显示容量：

16×2个字符

芯片工作电压：

4.5～5.5V

工作电流：

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压：

5.0V

字符尺寸：

2.95×4.35（W×H）mm

配置LED背光

内带字符发生存储器（CGROM，CGRAM）能够显示160个不同的点阵字符图形

多种软件功能：

光标显示、画面移位、自定义字符

其字符与图形在CGROM和CGRAM中的对应的关系如表3－1所示。

图3－41602液晶显示模块

表3－1CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应的关系

1602采用标准的16脚接口，其中:

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第15～16脚：

空脚。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

根据编程时我所采用的方法，决定采用图3－6的连接方式连接单片机和1602LCM液晶显示模块。

图3－6AT89S51与1602LCM液晶显示模块的连接方式

3.2.4电平转换电路介绍

由于我们所采用的SERFGS1100GPS信号接收模块输出信号为RS－232电平，而AT89S51单片机串口所使用的电平为TTL电平，所以为了能使单片机正常的与SERFGS1100GPS信号接收模块进行通讯，故需要对电平进行相互转换，经查阅资料后决定采用MAXIM公司生产的MAX232电平转换芯片。

图3－7MAX232芯片在单片机中的典型应用

该电路就可以实现GPS接收模块与AT89S51单片机之间的通讯。

3.2.5电源

考虑到该系统的移动便携性，因此决定使用电池作为电源，在电池的选择上我参考了单片机、液晶模块、GPS接收模块、232电平转换电路的最佳工作电压，选择了四节镍氢电池串连作为电源，该电池在充满电后实测电压为1.4V左右，四节电池串连后电压为5.6V左右，其最佳供电电压平台在5.2V左右，足以满足上述模块的电压要求。

镍氢电池可以反复充电，从而降低了该系统的使用成本。