苏州市职业大学 基于51单片机的GPS定位系统的设计.docx

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苏州市职业大学基于51单片机的GPS定位系统的设计

苏州市职业大学

实习（实训）报告

名称基于51单片机的GPS定位系统的设计

2013年6月24日至2013年6月28日共1周

院　系电子信息工程学院

班级

学号

姓名

院长

系主任

指导教师

苏州市职业大学

实习（实训）任务书

名称：

基于51单片机的GPS定位系统的设计

起讫时间：

2013年6月24---2013年6月28

院系：

电子信息工程学院

班　　级：

11通信技术1

指导教师：

院长：

一、实习（实训）目的和要求

1、掌握液晶显示模块与单片机接口及编程方法。

2、掌握8250工作原理及编程控制。

3、了解GPS定位原理，学会使用GPS接收系统，掌握NMEA-0183数据格式。

4、在液晶屏上显示接收到的GPS定位信息，显示纬度、经度、高度、时间、定位有效信息。

二、实习（实训）内容

图1系统总体结构图

1、根据图1，连接各部分功能模块实验连线，并设置各模块功能。

2、利用keil3编写运行实验程序GPS.ASM，完成规定功能。

3、观察实验箱上液晶屏上GPS信息显示。

三、实习（实训）方式

√集中□分散√校内□校外

四、实习（实训）具体安排

1、指导教师概述系统功能、结构以及工作原理，说明安全注意事项、实训报告书写规范。

--2课时

2、了解EL-MUT-III型单片机实验箱、8051CPU模块以及GPS扩展模块的结构和主要功能。

--2课时

3、根据设计要求，连接各个系统模块。

--2课时

4、利用keil3编写软件程序。

--6课时

5、系统调试并记录测量数据。

--4课时

6、完成实训报告。

--6课时

7、指导教师逐个检查实验并收实训报告。

--2课时

五、实习（实训）报告内容

1、系统概述

2、系统结构（硬件电路、软件设计）

3、测试结果及分析

4、实验总结

5、参考文献

第一章51单片机概述

1.1单片机概述

单片机一词最初源于“singleChipMicrocomputer”，简称SCM。

在单片机诞生时，因为它的组成与原理都基于计算机，所以SCM是一个准确的、流行的称谓。

随着SCM在技术上、体系结构上的不断进步，使其控制功能不断扩展，它的主要作用已不是计算，而是控制。

国际上也逐渐采用“MCU”（MicroControllerUnit），即微控制器来代替SCM，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。

单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。

就其组成和基本工作原理而言，一块单片机芯片就是一台计算机。

其内部总线包括地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。

Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的MCS-51单片机系列。

80C51系列单片机是在MCS-51系列单片机的基础上发展起来的。

1998年以后，80C51系列单片机又出现一个新的分支，称为AT89系列单片机。

AT89系列单片机的引脚和80C51是样的，所提，用AT89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换，新增加型号的功能是向下兼容的，并且有些型号可以不更换仿真机。

在89系列中，AT89C51（AT89S51）、P89C51、STC89C51、W78E51都是与MCS-51系列的80C51兼容的型号。

1.251单片机系统结构组成及功能

AT89S51单片机与Intel公司的MCS-51单片机系列的80C51型号单片机在芯片结构与功能上基本相同，外部引脚完全相同。

主要不同点是89系列产品中程序存储器全部采用快擦写存储器，简称闪存。

AT89S51单片机与AT89C51单片机主要不同点是增加了ISP串行接口（可实现串行下载功能）和看门狗定时器。

AT89S51仅是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机，但是它的主要作用是控制，所以又成为微控制处理器。

1.2.151单片机组成结构

AT89S51单片机集成了一台微型计算机的各个主要部分。

其中主要有CPU、存储器、可编程I/O口、定时/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。

下图为AT89S51单片机的基本组成功能图：

图1-2-1AT89S51单片机的基本组成功能图

图中的P0、P1、P2、P3为4个可编程I/O口，TED、RXD为串行口的输入、输出端，以上各部分通过总线相连。

AT89C51/AT89C51与AT89S51/AT89S51在结构上的主要不同点是没有看门狗、双DPTR和ISP端口。

在AT89S51单片机内部除了有CPU、RAM、ROM和定时器、串行口等主要功能部件外，还有驱动器、指令寄存器、锁存器、地址寄存器等辅助电路部分。

1.2.2AT89S51各引脚功能介绍

图1-2-2AT89S51引脚图

1.VCC：

AT89S51电源正端输入，接+5V。

2.VSS：

电源地端。

3.XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

4.XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

5.RESET：

AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

6.EA/VPP：

"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

7.ALE/PROG：

ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入

8.PSEN：

此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

9.P0～P3在1.3.3节有详细介绍。

1.2.351单片机主要部件及其功能

1.中央处理器（CPU）

中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能，这一点与通用的微处理器基本相同，只是它的控制功能更强。

80C51系列的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，它对数据的处理是按字节为单位进行的。

在执行程序中起关键作用的是。

CPU的主要由运算器与控制器这两大部分组成。

.控制器

控制器是用来统一指挥和控制计算机工作的部件，它的功能是接收来自存储器中的逐条指令，进行指令译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。

它由指令部件、时序部件、操作控制部件等三部分组成。

指令部件由16位程序计数器PC、8位指令寄存器、8位指令译码器等组成。

.运算器

运算器是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术/逻辑部件ALU、累加器ACC、暂存寄存器、程序状态字PSW、通用寄存器、BCD码运算调整电路等。

2.数据存储器（内部RAM）

数据存储器用于存放变化的数据。

在80C51单片机中通常把控制与管理寄存器（简称专用寄存器）在逻辑上划分在内部RAM中，因为其地址与RAM是连续的。

AT89S51单片机中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面的128个，后128个被专用寄存器占用。

片内数据存储器为8位地址，寻址空间为00H～FFH。

AT89S51片内供用户使用的RAM为片内低128字节，地址范围为00～7FH，对其访问可采用直接寻址和间接寻址的方式。

其中80H～FFH为特殊功能寄存器SFR所占用的空间。

.低128字节RAM

低128字节RAM分为三个部分。

其中00～1FH地址空间为通用工作寄存器区，20H～2FH地址空间为位寻址区，30H～7FH地址空间为用户RAM区。

.特殊功能寄存器SFR

特殊功能寄存器SFR主要用于管理片内和片外的功能部件（指定时器、中断系统以及外部扩展的存储器、外围芯片等）。

SFR主要包括：

累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW、堆栈指针SP、数据指针寄存器DPTR、端口P0～P3、中断优先级IP、中断允许IE、定时器/计数器方式TMOD、定时器/计数器控制TCON、定时器/计数器0/1、串行控制SCON、串行数据缓存器SBUF、电源控制PCON等。

3.程序存储器（内部ROM）

程序存储器用于存放程序和固定的常数。

通常采用只读存储器，只读存储器有多种类型，89系列单片机中全部采用了闪存，51单片机内部配置了4KB闪存。

通过片外16位地址线可扩展到64KB，两者是统一编址。

在AT89S51中，程序存储器有6个入口地址：

0000H：

51系列单片机上电复位后，PC=0000H，程序将自动从0000H开始执行指令。

0003H：

外部中断0入口。

000BH：

定时器0溢出中断入口。

0013H：

外部中断1入口。

001BH：

定时器1溢出中断入口。

0023H：

串行口中断1入口。

4.定时/计数器

定时/计数器用于实现定时和技术功能。

51单片机中有2个16位的定时/计数器。

并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。

5.并行I/O口

并行I/O口主要用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他多种功能。

51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。

P0～P3是AT89S51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O端口。

.P0口是一个真正的双向口，它的每一位都具有输出锁存、输入缓冲和悬浮状态，这3种工作状态。

P0口既可做I/O端口使用，也可做地址/数据总线使用。

.P1口除作为一般的I/O端口外，某些位还具有第二功能：

T2、T2EX、MOSI、MISO、SCK。

.P2口除作为一般的I/O端口外，在具有片外并行扩展存储器的系统中，P2口通常作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。

.P3口除作为一般的I/O端口外，其各位增加了第二功能：

RXD、TXD、

、

、T0、T1、

、

。

6.串行口

AT89S51有一个UART全双工异步串行口，用以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。

RXD（P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。

AT89S51还有一个ISP全双工同步串行口，用于实现串行在线下载程序。

7.时钟电路

时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

AT89S51单片机CPU执行指令的一系列动作都是在统一的时钟脉冲控制下进行的。

为了便于CPU时序进行分析，人们按指令的执行过程规定了时钟周期、机器周期、指令周期。

.振荡周期定义为时钟脉冲频率的倒数，又称为时钟周期。

.机器周期是指完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

80C51系列单片机的一个机器周期等于六个状态周期，即12个时钟周期。

.指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。

8.中断系统

中断系统的主要作用是对外部或内部的中断请求进行管理和处理。

AT89S51的中断系统主要由几个与中断有关的特殊功能寄存器、中断允许、顺序查询逻辑电路等组成。

AT89S51单片机共有5个中断源，其中2个外部中断源

和

、，3个内部中断源，即2个定时/计数中断和1个串行口中断。

1.38255可编程接口芯片

目前已生产了多种可编程接口芯片，如，可编程芯片8155、8255、计数/定时器8253、可编程串行接口8250、可编程中断控制器8259等。

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

1.3.18255A可编程接口的结构

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

1）与CPU连接部分

根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。

由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。

此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。

各信号的引脚编号如下：

（1）数据总线DB：

编号为D0～D7，用于8255与CPU传送8位数据。

（2）地址总线AB：

编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。

（3）控制总线CB：

片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。

当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。

2）与外设接口部分

根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。

各通道的引脚编号如下：

（1）A口：

编号为PA0～PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

（2）B口：

编号为PB0～PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

（3）C口：

编号为PC0～PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。

3）控制器

8255将3个通道分为两组，即PA0～PA7与PC4～PC7组成A组，PB0～PB7与PC0～PC3组成B组。

如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：

（1）A组控制器：

控制A口与上C口的输入与输出。

（2）B组控制器：

控制B口与下C口的输入与输出。

1.3.28255A的引脚介绍

8255A共有40个引脚，采用双列直插式封装，引脚分布图如下：

图1-3-28255A引脚分布图

各引脚功能介绍：

.数据总线：

D0～D7、PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7，此32条数据线均为三态双向数据线。

D0～D7与单片机数据总线连接，用来传送CPU与8255A之间的命令与数据信息，PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7分别与A、B、C三个口相对应，以实现8255A与外设之间的数据传送。

.控制线：

、

、RESET

：

读信号，低电平有效。

当这个引脚输入为低电平，CPU对8255A进行读操作。

：

写信号，低电平有效。

当这个引脚输入为低电平，CPU对8255A进行写操作。

RESET：

复位信号，高电平有效。

当这个引脚输入为高电平，所有8255A内部寄存器都清零。

.寻址线：

、A0、A1

:

芯片选择线，低电平有效。

当这个引脚输入为低电平，表示芯片被选中。

A1、A0：

地址线，用来选择8255内部端口。

1.3.38255A的工作方式

8255A具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，有三种工作方式，即：

方式0（基本输入输出方式）：

这种工作方式不需要任何选通信号。

A口、B口以及C口的高4位和低4位都可以被设定为输入或输出。

方式1（选通输入/出方式）：

在这种工作方式子下，A、B、C三个口被分为两组。

A组包括A口和C口的高4位，A组包括B口和C口的低4位。

方式2（双向选通输入/输出方式）：

在这种工作方式子下，A口为8位双向数据口，C口的PC3～PC7用来作为输入或输出的控制同步信号。

1.3.48255A的控制寄存器

位操作制字的方式实现的。

8255A有2个控制字，分别为方式选择控制字和C口置/复位控制字。

.方式选择控制字

方式选择控制字的作用是选择8255A的工作模式，选择3个端口各位的工作状态是输入还是输出。

它的格式如下图1-4-4-1。

例如，当将83H（10000011B）写入控制寄存器后，8255A被编程为A口为方式0输出，B口为方式0输人，PC7～PC4为输出，PC3～PC0为输人。

图1-3-4-18255A方式选择控制字格式

.C口置/复位控制字

C口置/复位控制字格式如下图1-4-4-2。

C口具有位操作功能，把一个置/复位控制字送入8255A的控制寄存器，就能把C口的某一位置1或清零而不影响其他位的状态。

例如，将07写入控制寄存器后，8255A的PC3置1；写入0EH时，PC7复位0。

图1-3-4-28255AC口置/复位控制字格式

假设应用中要求8255A按工作方式0工作，A口各位作为输入，B口各位作为输出，C口高4位作为输出，低4位作为输入。

将A口数据存入R1，则编程如下：

MOVDPTR，#0FF7FH；指向控制寄存器地址

MOVA，#10010001B；按要求设置控制字

MOV@DPTR，A；控制字送入控制寄存器

MOVDPTR，#0FF7CH；指向A口地址

MOVA，@DPTR；取A口数据

MOVR1，A

1.3.58255A可编程芯片程序编写应用实训

1.源程序

;8255A的PA0～PA7接发光二极管L1～L8；

;PB0～PB7接开关K1～K8；

;片选信号8255CS接CS0

NAMET7;8255A实验一

CSEGAT0000H

LJMPSTART

CSEGAT4100H

PAEQU0CFA0H

PBEQU0CFA1H

PCTLEQU0CFA3H

START:

MOVDPTR,#PCTL;置8255A控制字，A、B、C口均工作

;方式0，A、C口为输出，B口为输入

MOVA,#82H

MOVX@DPTR,A

LOOP:

MOVDPTR,#PB;从B口读入开关状态值

MOVXA,@DPTR

MOVDPTR,#PA;从A口将状态值输出显示

MOVX@DPTR,A

MOVR7,#10H;延时

DEL0:

MOVR6,#0FFH

DEL1:

DJNZR6,DEL1

DJNZR7,DEL0

JMPLOOP

END

2.硬件连接

.将8255A的PA0～PA7接发光二极管L1～L8；

.PB0～PB7接开关K1～K8；

.片选信号8255CS接CS。

硬件连接图如下：

图1-3-5-18255A实训硬件连接图

3.程序分析

此程序是通过B口输入，A口输出，当把开关K1～K7按上去，则LED1～LED8灯全亮，如果按下开关K1，则LED1灯熄灭，以此类推，8个开关K1～K7一一对应控制LED1～LED8灯。

如果改成从A口输入，B口输出，当把开关K1～K7按上去，则LED1～LED8灯全亮，但是与上面不同的是，如果按下开关K1，则LED8灯熄灭，按下开关K2，则LED7灯熄灭，以此类推，8个开关K1～K7一一对应控制LED8～LED1灯。

则只需将下面一段程序“MOVA,#82H

MOVX@DPTR,A

LOOP:

MOVDPTR,#PB;从B口读入开关状态值

MOVXA,@DPTR

MOVDPTR,#PA;从A口将状态值输出显示”改写成

“MOVA,#90H

MOVX@DPTR,A

LOOP:

MOVDPTR,#PA;从A口读入开关状态值

MOVXA,@DPTR

MOVDPTR,#PB;从B口将状态值输出显示”

对应的连接：

.将8255A的PB0～PB7接发光二极管L1～L8；

.PA0～PA7接开关K1～K8；

.片选信号8255CS接CS。

硬件连接图如下：

图1-3-5-28255A实训硬件连接图

1.48250可编程接口芯片

8250可编程接口芯片内部结构图：

1.4.18250的初始化

.设置波特率

MOVAL，80H通信控制寄存器的D7=1，为了寻址

MOVDX，3FBH分频锁存器（除数寄存器）DLH、DLL

OUTDX，AL

MOVAL，60H设波特率为1200b/s，分频次数=843200/16×1200

MOVDX，3F8H=0096=0060H

OUTDX，AL先写低分频值到DLL（3F8H）

MOVAL，0

MOVDX，3F9H

OUTDX，AL再写高分频值到DLH（3F9H）

.设置通信数据格式（对通信控制寄存器写入命令字）

假定7个数据位，1个停止位，偶校验。

MOVDX，3FBH

MOVAL，1AH

OUTDX，AL

1.5液晶显示器

在单片机中，常用的显示器是LCD液晶显示器。

LCD显示器功耗低，显示清晰度高。

液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件．英文名称叫“LCDModule”，简称“LCM”，中文一般称为“液晶显示模块”。

　　液晶显示器件是一种高新技术的基础元器件，虽然其应用巳很广泛，但对很多人来说，使用、装配时仍感到困难。

特别是点阵型液晶显示器件，使用者更是会感到无从下手．特殊的连接方式和所需的专用设备也非人人了解和具备，故此液晶显示器件的用户希望有人代劳，将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。

1.5.1液晶显示器的功能

用户通过用户命令调用OCMJ系列液晶显示器的各种功能。

命令分为操作码及操作数两部分，操作数为十六进制。

共分为3类10条。

分别是：

（以下所示取值范围分别为：

2X8、4X8、5X10的取值范围）

.显示国标汉字

命令格式：

F0XXYYQQWW

该命令为5字节命令（最大执行时间为1.2毫秒，Ts2=1.2mS），其中

XX：

为以汉字为单位的屏幕行坐标值，取值范围00到07、02到09、00到09

YY：

为以汉字为单位的屏幕列坐标值，取值范围00到01、00到03、00到04

QQWW：

坐标位置上要显示的GB2312汉字区位码