毕业设计论文GPS定位仪的设计制做.docx

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毕业设计论文GPS定位仪的设计制做

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业XXXXXX

班级学号：

***********

学生姓名：

XXXXX

指导教师：

XXXXXX）

二○一三年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

GPS定位仪的设计制做

DesignandfabricationofGPSpositioninginstrument

专业班级：

XXXX

学生姓名：

XXXX

指导教师：

XXXX

系别：

XXX

2013年6月

摘要

GPS技术的使用现在已经非常普及，在军事、气象、勘探、导航、通讯、遥感、大地测量、地球动力以及天文等众多学科领域有很广泛的应用，是当今信息时代发展中的重要组成部分。

GPS设计已经向便携式发展，逐步踏入寻常百姓的生活。

所以，对GPS的研究具有十分重要的意义。

论文主要研究GPS的定位原理与技术，单片机的编程及其应用，液晶屏的功能及其实现方法。

制作了一套以软、硬件相结合的方法完成整个GPS数据接收和显示的设计方案。

本毕业设计是基于GPS信号接收模块，At89S52单片机控制模块、12864液晶显示模块，电源模块等器件为一体的便携式GPS定位导航仪，可实现对地点的实时定位并显示所在经纬度功能。

论文从软件和硬件方面对系统作了详细的说明，该系统根据技术已成熟的GPS模块数据输出基本原理设计而成。

并研究了Atms8952系列单片机如何实现与GPS接收模块的串行通信。

是具有全球性、高精度、自动化、高效益，性能稳定，体积小，方便携带诸多优点的，并能全天候使用的实时定位导航仪。

关键词：

GPS；单片机；12864液晶显示屏;GPS信号接收器

ABSTRACT

TheuseofGPStechnologyisnowverycommon,itiswidelyusedinmanyareasofscience,military,meteorologicalexploration,navigation,communication,remotesensing,geodesy,geodynamicsandastronomyintheinformationage,isanimportantpartinthedevelopmentofit.TheGPSdesignhasbeentotheportabledevelopment,graduallyintothelivesofordinarypeople.So,hastheextremelyvitalsignificancetotheresearchofGPS.ThepositioningprincipleandtechnologyofthepapermainlystudiestheGPS,microcontrollerprogramminganditsapplication,theLCDscreenofthefunctionanditsrealizationmethod.Asetofcombinedwithsoft,hardwaremethodtocompletetheGPSdatareceivinganddisplaydesign.

ThisgraduationdesignisbasedontheGPSsignalreceivingmodule,At89S52controlmodule,12864liquidcrystaldisplaymodule,powermoduleandportableGPSpositioningnavigationdeviceasawhole,itiscanrealizereal-timepositioningoftheplacewherethelongitudeandlatitudeanddisplayfunction.Thepaperintroducedindetailthesystemfromtheaspectsofhardwareandsoftware,thissystemisbasedonGPSmoduledataoutputdesignprincipleoftechnologyhasbeenmature.AndstudiestheAtms8952SeriesMCUtorealizetheserialcommunicationwithGPSreceivingmodule.Isaglobal,highprecision,automation,highefficiency,stableperformance,smallsize,theadvantagesofconvenientcarrying,andreal-timepositioningnavigatorall-weatheruse.

KeyWords：

GPS;MCU52;12864LCD;GPSsignalreceiver

1引言

GPS（GlobePosition-findingSystem，全球导航定位系统[1]）主要有定位、导航、授时等功能。

美国从20世纪60年代提出方案，从70年代开始研制，历时20多年，于1993年全面建成的军用卫星导航系统，是美国拥有的一套高科技设施，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的系统。

该系统于1994年正式投入使用，最早用于美国军方，后期才延伸到民用，它能为地球上的使用者提供定位、导航和定时服务。

对远海航行、地质勘探、交通运输等部门起到很大的作用。

随着GPS应用的不断普及，目前已被广泛应用于各行各业。

最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。

由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。

为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。

1973年美国国防部制定了GPS计划。

从20世纪60年代开始，美军就不断地试验并改进以卫星为基础的无线电导航系统，从最早的TRANSIT，到NAVSTAR,一步一步地把GPS系统进行完善并降低了接收系统成本。

截止到1993年，分布在6个轨道平面内的（21＋3）颗卫星组成的GPS空间星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星[2]。

GPS系统拥有如下多种优点：

全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

卫星导航技术[2]的飞速发展已逐渐取代了无线电导航、天文导航等传统导航技术，而成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天候等方面取得了长足进步。

现在不仅应用于物理勘探、电离层测量和航天器导航等诸多民用领域，在军事领域更是取得了广泛的应用--在弹道导弹、野战指挥系统、精确弹道测量以及军用地图快速测绘等领域均大量采用了卫星导航定位技术。

有鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义，使其得到了许多国家的关注。

利用GPS信息接收模块、单片机AT89s52、液晶显示屏TG12864E以及自己设计的外接电路接口，完成一台液晶显示的手持式GPS定位设备，并能依次显示实时时间及所在地的经纬度。

卫星系统的更新与多个卫星定位系统共存将明显改善卫星导航定位的精度和可靠性。

双频高精度测地型接收机将继续高度垄断在几个技术领先的GPS厂家手中，美国将继续保持其绝对优势。

单频测地型接收机和导航接收机OEM板产业将扩散到世界各地，虽是低档次的GPS产品，但用途广、用户多、市场大。

美国把GPS单频OEM板的生产技术转让出口，因而推动了世界各地企业投资GPSOEM的生产。

陆地GPS导航定位产品将成为发展最快的领域。

2GPS信号接收系统设计

2.1GPS导航系统简介

全球定位系统（GlobalPositioningSystem简称GPS）是美国第二代卫星导航系统。

它是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，GPS能提供全天候、连续、实时高精度导航参数，实现三维定位，并可提供精确的时间信息。

GPS系统[3]包括三大部分：

地面控制部分—地面监控系统，空间部分—GPS卫星星座，用户设备部分—GPS信号接收机。

地面控制部分—地面监控系统由美国军方维护和运行，主要是保证卫星正常工作及其发送的信号准确无误。

地面控制部分包括位于美国科罗拉多的主控制站跟分布在全球范围的五个卫星监测站和三个注入站。

主控站提供全球定位系统的时间基准，从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星，向卫星发布指令从而控制卫星，当卫星出现故障时，启用备用卫星以代替失效的工作卫星。

监控站负责跟踪GPS卫星，不断的上传最新的导航数据，并且保持卫星系统的良好运行和正常的排列状态。

站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。

接收器对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监视卫星的工作状况。

原于钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。

所有观测资料内计算机进行初步处理并存储和传送到主控站，用以确定卫星的精密轨道。

注入站将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。

地面监控系统主要任务是收集数据、计算导航信息、诊断卫星状态以及调度等。

整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。

各站间用现代化的通讯系统联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

空间部分—GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。

24颗卫星在距离地面2万公里的高空，分布在六个不同轨道平面上。

卫星以12小时的周期绕地球飞行，这样使得在任意时刻，在地球上任意一点都可以同时接收到6颗以上GPS卫星的定位信息。

且只要有4颗卫星的定位信息，GPS接收机就能向用户提供该点的三维坐标、移动速度及时间等信息。

用户设备部分[1]主要由GPS接收机和卫星天线组成。

它能从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维坐标及时间。

GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。

用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

如下图所示：

GPS卫星GPS卫星

L1L2

s波段

监测站主控站注入站

图2-1GPS地面监控系统框图

2.2GPS系统定位原理

GPS系统采用高轨测距体制[3]，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。

为了获得距离观测量，主要采用两种方法：

一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。

采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。

通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

2.3GPS接收机的基本工作原理

GPS接收机[1]由天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源组成。

接收机任务是捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测出GPS信号从卫星到接收机天线的传时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，三维速度和时间。

原理图如下：

图2-2GPS卫星接收模块工作原理框图

2.4GPS信号接受器选择

世面现在上已经有许多基于GPS接收模块所开发的产品，有GPS手持机、车载GPS导航仪等，虽然功能强大，例如车载GPS导航仪都带大比例尺地图，但价格都比较昂贵，且对于普通应用有些功能没有必要。

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GPS定位设备。

本设计中GPS信号接收模块所选用的是GS-87SIRFStarIIIGPS接收模块。

GS-87SIRFStarIII[4]是高效能、低耗电的智能型卫星接收模块，采用美国瑟孚公司所设计的第三代卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器。

接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。

对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元则置于测站附近的适当地方，并用电缆线将两者连接成一个整机。

实际上，也可以将天线单元和接收单元制作成一个整体，而在观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源，同时采用机外机内两种直流电源。

设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。

在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。

关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防丢失数据。

选择成品的GPS接收模块，优点是由于现阶段GPS接收模块的制造技术已经相当成熟，使用非常方便并且性能稳定，定位成功后直接就可以通过模块输出GPS相关信息。

并且在经过大规模的商业化生产后价格已经能被我们所接受，这样的模块在市面上也容易买到。

所以选择最新的SIRFStarIII独立GPS模块。

该芯片的定位精度[4]小于10米，能够同时追踪20个卫星信道。

其内部的可充电电池，可以保持星历数据，快速定位。

具有极佳的灵敏度（追踪感度：

-159dBm）。

讯号微弱时，TTFF（TimetoFirstFix）定位仍十分迅速。

支持NMEA0183语言格式：

GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG。

内建超大电容，可储存快速获取的卫星讯号数据。

内建陶瓷天线。

LED指示灯显示卫星定位状况。

LED不亮时接收器关闭，LED恒亮时未定位或搜寻讯号，LED闪烁时已定位。

此外，GS-87SIRFStarIIIGPS接收模块体积小巧，外形尺寸为30mm×30mm×10.5mm,操作溫度摄氏–40°C——+80°C，储存溫度摄氏–45°C——+85°C。

工作时供电电压为4.5～6.5V,消耗电流为搜索时：

45mA，定位后:

35mA。

定位资料更新一秒一次。

定位时间（平均值）热启动1秒，暖启动38秒，冷启动42秒。

使用范围小于海拔高度18000米，移动速度小于515米/秒。

对外提供6个引脚，使用时引脚1、5接地，引脚2接电源，引脚3为串口输出数据线，引脚4为串口输入数据线，引脚6悬空。

SIRFStarIII是一个独立的GPS芯片。

他能快速接收信号的能力和对信号进行高效处理的能力。

无论在野外还是城市，SIRFstarIII都不会丢失信号。

如果我们处于峡谷环境内，除了那些直接从卫星发射过来的信号，SIRFstarIII还会接收到很多从其它坚硬的表面（比如悬崖、高楼）反射的信号，也就是通信中常说的多径衰落。

事实上GPS是通过计算卫星信号到达接收器所用的时间来确定用户所在的位置，所以那些反射信号就成为难以摆脱的干扰源。

不过SIRFstarIII具备强大的数字处理能力，它能够通过众多的“whatif’s”算法剔除掉无用的干扰，并且把那些被其他GPS产品所忽略的较弱的有用信号筛选出来。

另外，SIRFstarIII具备非常快的收集信号的速度，当GPS掉线以后它也能够快速重新定位。

3单片机控制系统设计

3.1AT89S52单片机原理

AT89S52[5]为Atmel所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程闪存。

AT89C52单片机有如下特征

1、兼容MCS-51®产品

2、1000写入/擦除周期

3、4.0V—5.5V的操作范围

4、全静态操作：

0Hz—33MHz

5、32可编程I/O线

6、256×8位的内部RAM

7、三级程序存储器锁

8、三个16位定时器/计数器

9、八个中断源

10、全双工UART串行通道

11、低功耗空闲和掉电模式

12、中断从掉电模式下的恢复

13、看门狗定时器

14、双数据指针

15、掉电标志位

图3-1AT89S52单片机引脚图

其引脚说明如下：

VCC:

AT89S52电源端输入，接+5V。

GND:

电源地端。

P0口（P0.0～P0.7）

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以驱动8个的TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口（P1.0～P1.7）

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），如下所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。

P1.5MOSI（在系统编程用）。

P1.6MISO（在系统编程用）。

P1.7SCK（在系统编程用）。

P2口（P2.0～P2.7）

P2口是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

P3（P3.0～P3.7）

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0：

RXD，串行通信输入。

P3.1：

TXD，串行通信输出。

P3.2：

INT0，外部中断0输入。

P3.3：

INT1，外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号。

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2单片机工作基本电路

3.2.1电源电路

电源电路：

向单片机供电。

AT89S52单片机的工作电压范围：

4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。

连接方式为VCC，接电源+5V端。

VSS接地。

3.2.2时钟电路

时钟电路确定单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。

时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。

AT89S52单片机时钟频率范围：

0—33MHz。

AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。

石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。

内部方式的时钟电路如图3-2（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用[5]。

外部方式的时钟电路如图3-2（b）所示，XTAL2接地，XTAL1接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路

（b）外部方式时钟电路

图3-2时钟电路

3.2.3复位电路

复位电路确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动[6]。

单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。

手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。

图3-3复位电路

3.2.4单片机的最小系统

由电源电路，时钟电路，复位电路，AT89S52单片机组成的最小系统如下图。

图3-4AT89S52单片机最小系统

4导航信息显示系统设计

4.112864液晶显示模块

4.1.1概述

12864点阵液晶显示模块（LCM）就是由128*64个液晶显示点组成的一个128列*64行的阵列。

FYD