基于单片机的GPS定位GSM无线通讯搜索追踪器.doc
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天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
电子科学与技术
班级学号：
0901-05
学生姓名：
冯斌
指导教师：
王利强副教授
二○一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
基于单片机的智能搜索器
IntelligentSearchingDeviceBasedonMicrocontroller
专业班级：
电科0901
学生姓名：
冯斌
指导教师：
王利强副教授
系别：
电子工程学院
2013年6月
摘要
自从进入新世纪以来，由于生活节奏的加快，工作压力变大，导致很多人经常忘记一些比较贵重物品的存放位置，从而影响了生活和工作效率。
本人通过调查发现，如果能够设计出一款实时显示位置信息的搜索器，那么就能从根本上解决这一问题。
GPS模块能够实现物体的定位，通过它可以知道物体的经纬度信息。
然后GPRS模块可以实现无线通讯功能，所以本人决定将二者结合到一起，用GPRS模块将GPS模块所定位的经纬度信息通过短信息的形式发送到指定的手机号码上。
这样一来就可以实现贵重物品的实时定位，一旦忘记或者丢失，都可以通过相应的手段将其找回。
本搜索器的系统核心采用STC12C5A60S2单片机，通过编辑好的程序驱动各个模块的正常工作，使整体紧密联系。
本搜索还可以用于企业对下属的管理，老人儿童的追踪，以及监狱对犯人的看管。
随着GPS定位技术的不断发展和测量需要，会被越来越多的领域所需要。
关键词：
单片机；GPS；GPRS；搜索器
ABSTRACT
Sinceenteringthenewcentury,duetotheacceleratingrhythmoflifeandworkingpressuregetsbigger,manypeopleoftenforgetsomevaluablesstoragelocation,whichaffectthelifeandworkefficiency.Throughtheinvestigation,Ifoundifwecandesignareal-timedisplayoflocationinformationsearcher,thenwecanfundamentallysolvetheproblem.
GPSmodulecanrealizepositioningoftheobject,inordertoknowthelongitudeandlatitudeinformationobjects.Inaddition,GPRSmodulealsocanrealizethewirelesscommunicationfunction,soIdecidedtotakethecombinationtogether,positioningwithGPSmodule,GPRSmodulewillthroughtheshortmessageintheformoflatitudeandlongitudeinformationsenttothespecifiedphonenumber.Sothatwecanrealizereal-timepositioning,valuablesgoodsonceforgetorlost,canthroughsuchmeanstofindit.ThecoreofthesystemsearcheruseSTC12C5A60S2microcontroller,agoodprogramdrivenediteachmoduletoworkproperlyandclosely.
Thissearchcanalsobeusedforenterprisemanagementofthesubordinates,theelderlyandchildren’stracking.WiththecontinuousdevelopmentofGPSpositioningtechnologyandmeasurementneeds,willbemoreandmoreareasofneed.
KeyWords：
microcontroller;GPS;GPRS;searcher
目录
1总体方案设计 1
1.1硬件部分 1
1.2软件部分 1
2GPS模块 3
2.1GPS信号接收方案 3
2.2GPS模块的内部结构 5
2.3GPS模块定位流程 5
2.4GPS的性能指标 6
3GSM模块 7
41602LCD显示模块 9
5硬件设计 11
5.1硬件总体结构 11
5.2控制电路 11
5.3定位电路 13
5.4通信电路 14
5.5显示电路 15
6软件设计 16
6.1系统软件概述 16
6.2软件程序的编译 16
7搜索器测试结果 39
结论 40
参考文献 41
致谢 42
天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计
1总体方案设计
1.1硬件部分
该智能搜索器设备硬件主要由GPS信号接收部分（u-blox公司的GPS芯片）、控制芯片（STC12C5A60S2单片机[1]）、显示部分（1602LCD液晶显示模块）、信息传输（华为GTM900-B型模块），如图1-1所示:
GPS接收模块将收到的GPS卫星导航电文调制解码，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，将筛选出来的定位电文送到显示模块及GSM模块，并且通过1602LCD显示器按照要求的编排格式所显示，将经纬度信息发送设定好的手机号码上。
图1-1系统工作逻辑框图
1.2软件部分
在设计该软件时采用了模块化的思想，之所以采用的模块化的设计思想，主要是想到了软件模块化后方便软件的调试，同时也方便了该软件的移植，在不同的硬件平台上运行该软件只需要更改相应的软件模块就可以实现。
该软件分为了串口初始化模块，液晶模块初始化模块，数据接收模块，数据格式调整送显模块这四个主要模块[2]。
图1-2为软件程序流程图。
图1-2软件程序流程图
2GPS模块
2.1GPS信号接收方案
每颗GPS卫星每时每刻发布信号来显示它的位置和时间，GPS接收机可以计算出信号到接收机的时间延迟，依据信号的传输速度大小计算出接收机到相应卫星的距离。
在相同时间收集4颗及以上不同卫星的数据，通过转换频率、放大、滤波等处理过程，可以实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定和测量工作，从而产生计算位置的数据信息（包括：
经度、纬度、速度、状况、时间、高度、航向等），经由I/O口输出串行数据[3]。
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，一种是选择成品的GPS接收模块，众所周知，现阶段成品GPS接收模块的技术已经相当成熟，性能稳定并且使用起来非常方便，定位成功后可以直接通过模块的串口输出GPS定位信息。
由于GPS接收模块已经由厂家完成了设计与封装，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。
但是如果选择这种方案的话，其核心技术我们就不得而知。
虽然不影响其应用，但是这样就失去了毕业设计的意义啦。
所以我毅然决定选择另一种方案，购买GPS芯片，再根据标准设计外围电路以及PCB原理图，送往工厂进行打样处理，安装天线等。
虽然单独购买芯片价格昂贵，实现的难度较大，不易成功，但是在这个过程中可以学到很多GPS接收部分的电路设计技术[4]。
图2-1-1GPSPCB原理图
GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。
而接受信号就必须用到天线。
GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。
信号强度为-166DBM左右，属于比较弱的信号。
这些特点决定了要为GPS信号的接受准备专门的天线。
本系统应用u-blox公司的GPS芯片[18]，外置GPS天线。
图2-1-1GPS模块和天线
2.2GPS模块的内部结构
GPS接收模块是搜索器的关键部分，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[5]、储存器等组成。
GPS接收模块通过它的接收天线获取卫星信号，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。
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，与GPS接收模块进行信息交换，实现功能。
GPS接收模块内部结构如图2-3所示。
图2-2GPS模块的内部结构
2.3GPS模块定位流程
GPS模块定位流程步骤：
1搜索可用卫星-接收卫星信号-与卫星信号同步-提取定位电文密码。
2从定位电文中取得计算位置所需的信息。
3准确计算卫星的位置，包含卫星高度和方位角的计算，校正必要对流层的误差。
4伪距的计算，校正电离层的误差。
5重复上述步骤，计算相应的所有可用卫星[17]。
6校正其他必要误差，比如根据卫星信号到达的时间，对地球旋转造成的卫星位置偏差进行校正。
7依据定位原理，计算GPS接收机的最开始的位置，并将计算出的数据转换成坐标格式进行输出。
8分析可用卫星的信息，计算出最好的DilutionofPrecision（DPO），进行选星，计算和修正GPS接收机的相应位置，给出GPS接收机的经纬度坐标和准确的时间信息[6]。
2.4GPS的性能指标
GPS具有12个数据并行接收通道，包括8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校正位CMOS电平输出电平，电流为1mA。
的通信手段是异步串行通信，默认的通信速率是4800baud接收频段1575.42±1.0MHz的L1C/A码的[8]。
GSU-38A0GPS接收模块，可以提供经度，纬度，速度，高度和世界协调时间，频率和GPS卫星轨道信息等。
其最大的特点是：
低电压3.3V电源供电，工作电流不大于50mA（不包括天线消费），高灵敏度-145dBm;可以输出时间的最小单位是0.01秒[8]。
GPS定位精度的问题，主要是由于美军的军事战略（SA）。
在SA影响的情况下，当PDOP值小于或等于3的相对测量点的GPS卫星在其轨道上的位置，与95％的准确度在10米范围内的位置数据;另一种使用差分定位技术，在约2至3米的范围内。
如果天线被阻塞或GPS卫星的位置时，不是很理想，PDOP值将减少，而且还超过10米范围内的一部分的数据的定位精度可能只有。
第一次运行时，GPS模块需要50秒左右，卫星接收到的数据累积操作后，才完成了第一的位置（即“冷启动”）[16]。
定位所需的时间小于12秒，冷启动后，每个。
在操作过程中，以约每秒更新一次定位信息。
如果收到三个以上的卫星PDOP和HDOP阈值信号，可以实现二维定位的卫星信号接收的4PDOP和HDOP的阈值，以实现三维定位。
无初始状态的输入和初始时间输入[7]。
8M闪存，消息格式与GPS模块可以NMEA-0183或二进制，ASCII码。
与该天线的中心频率1575.42MHz的右螺旋偏振5分贝的增益大于或等于3dB以下的轴线。
3GSM模块
成品GSM模块[8]，是将基带处理芯片、功放器件、存储器、GSM射频芯片等集成在一块封装好的线路板上，具备GSM射频处理、基带处理、独立的操作系统并提供标准接口的功能模块。
因此，它具有发送语音通话，SMS短信，GPRS数据传输等基本的GSM网络通信的功能。
如果给GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部简易的手机。
使用单片机或者ARM通过RS232串口与GSM模块实现通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现无线通信功能，例如打电话，发短信，上网等。
由于可以节省掉很多开发的步骤，不用从最底层的芯片级开始着手设计，缩短了设计的周期，最早时候的手机厂都会直接购买GSM模块，然后配上外围器件来生产手机。
在几年之前，国内的手机厂商几乎都是购买国外的成品GSM模块进行二次开发生产手机的，近几年，随着国内手机设计公司的成熟，手机厂商才摆脱对GSM模块的依赖，转为直接从芯片级入手生产手机。
目前，GSM模块依然广泛应用于很多领域，例如，公交系统，使用GSM模块将车辆行驶的GPS数据传输回车辆管理中心，再由中心来调度车辆；在公共服务方面，通过GSM模块将用户的用电和用水量实现远程掌握；在测绘行业，为很多比较危险的地点安装GSM模块实现了实时的监控，一面人工收集数据发生危险；在家庭，一旦发生火情或盗窃行为，GSM模块可以立即通知户主和报警；在国外，为防止老人和小孩走失，会给其佩戴追踪器，里面也是集成了GSM模块。
GSM模块的厂家最早主要在国外，包括西门子、Wavcom、Sagem等；随着国内的技术进步，国内厂家如华为、移远通信（Quectel）、Simcom、BenQ等模块由于具有更高的性价比，已经逐渐替代了国外品牌在国内市场上占据了主流的地位。
在市场上比较流行的模块包括华为的GTM900-B、西门子的Mc39i，Wavecom的Q24等。
本系统中应用的为华为GTM900-B型模块。
图3-1华为GTM900-BGSM模块
41602LCD显示模块
1602液晶[9]是一种点阵型液晶模块，专门用来显示数字、字母、符号等，又被叫做1602字符型液晶。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位显示一个字符，每个点阵字符位之间有一个点距的间隔，每行之间同样有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，也正因如此，它不能很好地显示图形。
而我的设计显示部分没有涉及到图形，所以1602液晶可以符合设计要求。
固选择它来作为搜索器的显示模块。
图4-11602LCD显示屏
1602LCD中的“1602”是指显示的内容为16X2，即屏幕可以显示两行，每行可以16个字符。
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地。
第2脚：
VCC接5V电源正极。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接地电源时对比度最高，接正电源时对比度最弱。
（对比度过高时会产生屏幕不稳定，使用时可以通过一个10K的电位器进行调整）。
第4脚：
RS为寄存器选择，低电平0时选择指令寄存器，高电平1时选择数据寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平1时进行读的操作，低电平0时进行写的操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
背灯电源或空脚。
16脚背光负极，15脚背光正极。
[19]
图4-2LCD1602引脚连接图
5硬件设计
5.1硬件总体结构
课题要求研制毕业设计要具有接收、处理、发送信息的功能。
硬件上必须有相应的接收处理部分、输入部分和发送部分，同时需要系统处理器实现各部分功能的联合[10]。
由于单片机具有集成度高，系统结构简单，价格便宜，技术成熟等特点，系统处理器部分使用单片机实现。
本系统包括GPS模块、GSM模块、LCD显示模块和单片机控制电路。
图5-1硬件总体结构框图
5.2控制电路
单片机的主要经用领域有：
智能化电器、办公设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。
更重要的是，单片机的应用从根本上改变了控制系统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现大部分控制功能，现在可以采用单片机通过软件控制的方法来实现。
这种以软件代替硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控技术。
随着单片机应用的推广，微控技术将不断发展完善[11]。
根据系统要求和设计的需要，控制核心单元MCU需要与GPS模块、GSM模块通过串口相连接，并且考虑到整个系统的中断比较多，所以选用中断级别较多的MCU。
根据以上原因，本系统最终选择控制核心单元是STC12C5A60S2，它是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
因此这是一款可满足复杂高性能仪表仪器要求的单片机。
STC12C5A60S2各引脚功能：
P0.0~P0.7:
P0:
P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，上电复位后处于开漏模式。
P0口内部无上拉电阻，所以作为I/O口必须外接10K-4.7K的上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线[A0~A7]，数据线[D0~D7]，此时无需外接上拉电阻。
P1.0~P1.7:
标准I/O口。
P2.0~P2.7:
P2口内部有上拉电阻，既可以作为输入/输出口，也可以作为高8位地址总线使用（A8~A15）。
当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。
P3.0~P3.7:
标准I/O口。
P4.4~P4.7:
标准I/O口。
RxD:
串口1数据接收端。
TxD:
串口1数据发送端。
:
外部中断1，下降沿中断或低电平中断。
:
外部中断0，下降沿中断或低电平中断。
T0:
定时器/计数器0的外部输入。
T1:
定时器/计数器1的外部输入。
:
外部数据存储器写脉冲。
:
外部数据存储器读脉冲。
RST:
复位脚。
XTAL1:
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。
当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。
XTAL2:
内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。
当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。
VCC:
电源正极。
GnD:
电源负极，接地。
[20]
图5-2STC12C5A60S2引脚图
5.3定位电路
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接收到6颗以上GPS卫星的定位信息。
只要有4颗卫星的定位信息，GPS接收机就能向用户提供三维坐标、时间及移动速度等信息参数[12]。
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设备的距离，根据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。
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。
美国政府宣布从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[13]。
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。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
[（X1-X）2+（Y1-Y）2+（Z1-Z）2]1/2+C（Vt1-Vt0）=d1;
[（X2-X）2+（Y2-Y）2+（Z2-Z）2]1/2+C（Vt2-Vt0）=d2;
[（X3-X）2+（Y3-Y）2+（Z3-Z）2]1/2+C（Vt3-Vt0）=d3;
[（X4-X）2+（Y4-Y）2+（Z4-Z）2]1/2+C（Vt4-Vt0）=d4;
图5-3GPS定位原理
GPS模块系统采用第三代高线式GPS模块接受SiRFStarⅢGPS模块SiRF灵活性。
该芯片是小于10米的定位精度，能够同时追踪20个卫星信道[14]。
其内部的可充电电池，可以保持星历数据，快速定位。
对于数据的输出电平的串行数据格式，通信速度。
波特率4800，每名GPS数据输出。
该模块采用MMCXGPS天线接口，为6线连接器，数据线接口电缆输出，使用简单，一般情况下只需要使用三个输出线，第一连接3.5~5.5V的直流供电，第五脚与单片机的P30口相连，它将收集到的经纬度信息通过此出输给单片机，脚的第二行是GPS测量输出的是TTL电平信号，串行端口，高大于2.4V，低小于400mV，输出驱动器的启动，直接与单片机的接口。
如果只使用默认设置，单片机只能从模块读取数据。
图5-4GPS电路图
5.4通信电路
GSM模块与单片机管脚连接图：
图5-5GSM电路图
GSM模块第一脚与单片机P12脚相连，第二脚与单片机P13脚相连，第一脚将接收到的信息交给单片机进行处理，单片机判断信息是否正确，如果正确的好，单片机会通过与GSM模块第二脚相连的P13脚将处理过的GPS模块接收的经纬度信息传输给GSM模块。
5.5显示电路
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下所示：
编号符号引脚说明编号符号引脚说明
1VSS电源地9D
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