陈宝基于单片机的GPS定位系统设计Word文档格式.docx
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sinformationage.Becauseofitsgoodperformance,highaccuracy,wideapplication,makingitbyfarthebestnavigationandpositioningsystem.
ThisthesisisdescribedindetailbasedonmicrocontrollerGPSreceivermodule,12,864LCDdisplaysandotherdevicesGPSreal-timedisplayfunctionimplementation.Fromhardwareandsoftwareimplementationgaveadetailedexpositionofthedesign,andcombinedwiththehardwarefeaturesoftheMCS-51seriesmicrocontrollerGPSreceivermoduletoachieveserialcommunication,thesystemdesignisbasedonthebasicprincipleoftheGPSmoduledataoutput.Itisacompact,portable,andcanbeusedindependently,all-weatherreal-timepositioningandnavigationequipment.
KEYWORD:
GPS;
microcontroller;
GPSreceivermodule;
12864LCD
第一章绪论
1.1课题背景及意义
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
GPS技术在陆地上的开发应用可以体现在许多方面，如：
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
GPS技术在海洋方面有着极其重要的作用，比如：
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
GPS技术在航空方面的应用主要体现在：
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
GPS技术在航天方面同样也有着很重要的作用：
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。
第二章GPS定位信息显示系统方案设计
2.1GPS全球定位系统简介
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。
2.2GPS信号接收方案选择
要实现在液晶显示器上显示出接收到的GPS数据信息，首先要实现GPS信号的接收。
在接收GPS信号方案上可以有两种选择。
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，因此我选择第二种方案来完成本次设计。
2.3GPS接收模块的研究
GPS接收模块是接收机的关键部分，而且型号很多，功能各异，一般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
2.4总体方案的设计
本次设计要求通过单片机控制GPS器件实现定位信息显示功能。
在这里使用常见的MCS-51型单片机作为处理器，利用MCS-51单片机的串行接口接收SiRFStarIIGPS信号接收模块输出的数据信号，并通过软件方法筛选出其中有用的定位数据，最后通过单片机的并行接口输出至液晶显示模块显示的方案。
该GPS定位信息显示系统硬件部分主要由以下几个部分组成：
（1）接收部分：
以SiRFStarIIGPS接收模块为核心的GPS接收机；
（2）控制电路：
由51单片机作为微处理器控制GPS信号；
（3）显示部分：
12864LCD液晶显示模块；
（4）电源电路部分:
用以提供系统工作时所必须的电。
单片机系统：
本次设计使用51单片机作为微处理器，控制GPS数据的读取和传输过程。
利用其串行接口接收SiRFStarIIGPS接收模块输出的NMEA-0183语句数据，并将接收到的数据经过筛选和处理后发送到12864液晶显示器显示。
外围电路：
外围电路一部分是由GPS接收器件及其辅助电路组成，一部分是LCD液晶显示模块的电源电路和显示电路。
SiRFStarIIGPS接收模块主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构成。
它接收天线获取的卫星信号，经过变频、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、锁定和测量定位。
单片机控制程序：
编写程序，实现单片机控制系统的初始化，控制GPS器件完成数据的采集,进行相应的信号处理，并通过单片机接口输出至液晶显示模块显示必要的数据。
由此可知：
GPS接收模块将接收到的GPS卫星导航电文调制解码，转换为标准格式后，送给单片机，当单片机接收到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显示出来。
第三章基于单片机的GPS硬件电路设计
3.1基于单片机的GPS硬件电路总体结构
根据总体设计方案，该基于单片机的GPS硬件电路设计主要由GPS信号接收部分（SiRFStarIIGPS信号接收模块）、控制芯片（STC89C52单片机）、显示部分（12864LCD液晶显示模块）这几部分构成。
其大体结构框图如图3.1所示。
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定位信息显示系统设计硬件电路简介
3.2.1STC89C52简介
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，采用40引脚双列直插封装方式。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[4]。
STC89C52引脚如图3.2所示：
图3.2STC89C52引脚图
其引脚说明如下：
（1）主电源引脚（2根）：
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源；
GND（Pin20）：
接地线。
（2）外接晶振引脚（2根）：
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端；
XTAL2（Pin18）：
片内振荡电路的输出端。
（3）控制引脚（4根）：
RST（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号；
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号；
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
（4）可编程输入/输出引脚（32根）：
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8根引脚，共32根。
P0口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7；
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7；
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7；
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。
STC89C52主要功能如表3.1所示。
表3.1STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
（1）时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.3（a）所示，在RXD和TXD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3.3（b）所示，RXD接地，TXD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3.3时钟电路
（2）复位
复位是单片机的初始化操作。
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]。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3.2所示。
表3.2一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
TL0
PSW
TH0
SP
07H
TL1
DPTR
TH1
P0-P3
FFH
SCON
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号[7]。
3.2.2SiRFStarIIGPS信号接收模块
该设计中GPS信号接收模块所选用的是SiRFStarIIGPS接收模块，该模块是由美国瑟孚科技有限公司所生产。
主要使用到的引脚如图3.4所示。
该模块具有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，信号灵敏度达到－142dBm，冷启动定位时间为42秒，热启动时间为38秒，重新定位时间仅仅需要8秒。
图3.4SiRFStarII引脚图
GPS数据输出格式为标准的NMEA－0183标准，采集地理信息的更新速率为每两秒一次，地图坐标系为WGS－84坐标系[8]。
该模块天线采用的是体积小、可靠性高、灵敏度高的微带天线，该天线封装在模块内部，更进一步的提高了整个模块的可靠性。
该模块实物图如图3.5所示。
图3.5GPS接收模块
它的工作电压为2.7V－3.3V，工作电流仅为75mA，它由GSP2e数字IC、GRF2i射频IC和GSW2模块化软件组成。
GSP2e主要集成了一个增强型GPS内核、一个50MHz的ARM7CPU、独立的内部总线和外部总线、1MbEDODRAM、高精度实时时钟、GPS接收机外部设备和2个UART。
GRF2i主要由片内压控振荡器和基准振荡器、集成中频滤波器（IF）、集成LNA和数字接口等组成。
GSW2模块化软件很容易集成到现有系统中，并提供功能强大的开发环境。
SiRFStarII除增加了中央处理器和卫星信号追踪引擎,SiRFStarII在芯片组中集成了兆位存储器（DRAM）,这个是其它同类产品的八倍。
这使其不仅可执行各项GPS功能,还能为用户应用提供额外存储。
将IF滤波器集成到射频芯片内而无需新增外部滤波器,从而进一步降低了元件的数目并增加了可靠性。
该芯片的主要特征如表3.3所示。
表3.3SiRFStarII主要特征
SiRFStarII特点
功能
用处
信号捕捉
从有遮挡地区走出时快速重捕卫星信号
在遮挡环境下提供更多的定位结果
信号跟踪
跟踪弱信号比正常信号信噪比低20dB
改善信号可利用性，在信号衰减严重的地方也可定位
单卫星定位
在短暂的仅能收到一颗卫星的情况下定位
在信号阻塞的地区也可定位，适于车载GPS
多级消除误差
减小GPS反射径带来的误差
使GPS定位准确度提高到5m
差分GPS
周期（大约30分钟）更新星历和修正时间
功率几乎变成了以前的20%，增加使用时间
功率分配
1s内有800ms的时间接收机不工作，仅仅有200ms的时间用于重捕、跟踪、定位
工作在不想频繁给出定位结果的情况下，节省功耗
3.2.312864液晶显示模块介绍
（1）液晶显示模块概述
12864B液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128
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