基于单片机的GPS定位系统设计本科毕业论文设计Word格式.docx

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日期：

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导师签名：

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

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

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

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？

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

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

建议成绩：

（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

□优

□良

□中

□及格

□不及格

二、论文（设计）水平

□良 □中 □及格

评阅教师：

（签名）

单位：

（盖章）

洛阳理工学院毕业设计（论文）

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

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

3、学生答辩过程中的精神状态

二、论文（设计）质量

三、论文（设计）水平

评定成绩：

□优 □良 □中 □及格教研室主任（或答辩小组组长）：

教学系意见：

系主任：

教研室（或答辩小组）及教学系意见

V

基于单片机的GPS定位系统设计摘要

GPS是全球定位系统英文名词GlobalPositioningSystem的缩写。

该系统是美国布设的第二代卫星无线电导航系统。

它能为用户提供全球性、全天候、连续、实时、高精度的三维坐标、三向速度和时间信息。

其目的是在全球范围内对地面和空中目标进行准确定位和监测。

现在，GPS接收机作为一种先进的导航和定位仪器，已在军事及民用领域得到广泛的应用。

本设计是基于AT89C51单片机来实现的简易GPS定位信息显示系统。

本控制系统主要完成接受数据、时间显示、经度显示、纬度显示等常规功能。

此方案基于单片机、GPS模块和12864液晶显示屏等硬件,并应用C语言实现了GPS信号的提取、显示及基本的键盘控制操作等。

经过实践测试,这种接收机可以达到基本GPS信息的接收以及显示，可以做到体积小、精度高、连续导航，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。

关键词：

GPS定位系统，单片机，液晶显示屏

DESIGNOFGPSRECEIVERBASEDON51SINGLECHIPCOMPUTER

ABSTRACT

GPSistheabbreviationoftheEnglishtermGlobalPositioningSystemglobalpositioningsystem.ThesystemistheUnitedStateslaidthesecondgenerationsatelliteradionavigationsystem.Itcanprovideuserswithcontinuous,real-time,global,round-the-clock,highprecisionthreedimensionalcoordinates,threevelocityandtimeinformation.Aimedattargetsonthegroundandintheairaroundtheworldanaccuratepositioningandmonitoring.Now,asanadvancedGPSreceivernavigationandpositioningequipment,hasawiderangeofapplicationsinmilitaryandcivilianareas.

ThisdesignbasedontheAT89C51microcontrollerisusedtoimplementasimpleGPSpositioninginformationdisplaysystem.Thiscontrolsystemismainlydonetoacceptthedata,timedisplay,latitude,longitude,andotherroutinefunctions.Thisprogramisbasedonsingle-chip,GPSmoduleand12864LCDdisplay,hardware,clanguageimplementationandapplicationoftheGPSsignalextraction,displayandkeyboardcontrolofbasicoperations.Practicetests,thisreceivercanreceiveanddisplaythebasicGPSinformation.smallsize,highaccuracy,continuousnavigationcanbedone,andcanbewidelyappliedtoindividualsinthewildtouradventure,hirecarpositioningandoperationsatsea,andotherareas.

KEYWORDS:

GPSpositioningsystem,microcontroller,LCDdisplay

目 录

前 言 1

第1章GPS系统简介 3

1.1GPS的由来及发展 3

1.2GPS定位系统的基本原理 3

1.3GPS模块定位流程 4

1.4本设计的主要工作 4

第2章系统硬件设计 5

2.1单片机 5

2.1.1AT89C51单片机的结构原理 6

2.1.2AT89C51单片机的主要特性 7

2.2GPS模块 7

2.2.1概述 7

2.2.2主要技术参数及产品特点 8

2.2.3管脚介绍及与单片机的接口电路 8

2.3显示部分 10

2.3.1LCD12864概述 11

2.3.2基本特性 12

2.3.3模块接口说明 12

第3章系统软件设计 14

3.1系统软件概述 14

3.2软件程序的编写 14

3.2.1初始化模块 15

3.2.2数据接收处理模块 15

第4章系统调试 17

4.1硬件调试 17

4.2软件调试 17

4.3系统测试结果 18

结 论 20

谢辞 21

参考文献 22

附 录 24

外文资料翻译 44

前 言

GPS卫星导航全球定位系统问世以来，在导航、定位领域发展势头迅猛，引起世界各界人士的关注。

具备高精度、全天候、全球覆盖、高效率、多功能、操作简便等特点。

广泛应用于地面车辆跟踪和城市智能交通管理方面。

车载GPS系统配合电子地图，适时掌握自己的方位与目的地，对锁定目标进行跟踪、监控，从而达到防御、求援之目的。

满足对机动车辆的指挥、调度、管理、监控、导航、通讯等需求。

改变了人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的社会效益和经济效益。

随着人们对运输载体的监控、跟踪以及智能化管理要求的提高，

GPS在中国即将进入爆发性发展阶段，蕴藏着巨大的发展空间。

GPS系统包括三大部分：

空间部分——GPS卫星星座；

地面控制部分——地面监控系统；

用户设备部分——GPS信号接收机。

GPS系统通过使用来自多个卫星的信号来确定地面或近地面任何位置的移动接收机的位置。

我国的卫星定位技术综合了GPS卫星导航全球定位，GSM全球数字蜂窝移动通信，GIS地理信息，计算机网络技术全方位的技术应用。

利用GPS卫星信号接收机，跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，测量传播时间，解译导航电文。

接收机24h不间断地接收卫星发送的数据参数，算出接收的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。

在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。

目前，GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。

自20世纪90年代GPS系统向全世界免费开放以来,GPS系统已广泛应用在导航、大地测量、精确授时、线路巡检及车辆防盗等领域。

接收机是获得 GPS系统服务的关键设备,目前已有从手持式到台式数百种型号的接收机可供用户选择。

通用接收机功能齐全,除了信号接收单元外,往往还配置有显示单元和人机对话设备。

这一方面为用户提供了极大的方便，但 GPS定位接收机价格比较昂贵

41

而且使用灵活性低,难以满足特定条件下的应用需求,造成了资金浪费。

因此,众

多用户期望按照自己的使用环境和性能要求设计和使用个性化的GPS定位接收机。

本文首先介绍了GPS系统由来及其发展、基本概念、GPS接收机的工作原理及接收机定位流程。

然后对单片机及其串口通信、M-87及其NMEA-0183语句的数据格、液晶显示器进行了详细论述，并且设置了所需的外围电路。

接着详细地介绍了该GPS接收机的软件设计过程。

通过C语言实现了GPS信号的提取、显示等。

经过实践测试,这种接收机可以达到基本GPS信息接收以及显示，可以做到方便灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。

第1章GPS系统简介

1.1GPS的由来及发展

导航卫星定时测距全球定位系统（Navigation Satellite Timing and RangingGlobalPositionSystemGPS）是美国第二代卫星导航系统。

它在1973年底由美国陆海空三军等单位协调分工提出的能取代旧式的导航设备,为军用舰船、飞机车辆等用户提供全球全天候、连续实时服务的高精度三维导航系统。

系统由空间部分、地面监控部分和地面接收机部分组成。

定位服务包括精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。

PPS授权的精密定位系统用户需要密码设备和特殊的接收机。

SPS对于普通民用用户,供全世界用户免费、无限制地使用。

由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点,近年来在国内外得到广泛的应用,在各个领域发挥了极大的作用,已成为信息时代不可缺少的一部分。

各种GPS民用产品的开发,已是经济和社会发展的必然要求,其前景将会非常广阔和光明,尤其是在我国,通过这些年来对它认识不断加深,我国的GPS开发应用也一定会以科技力量推动经济和社会发展的一颗巨星,对我国的经济和社会的发展产生重大的影响。

1.2GPS定位系统的基本原理

每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。

同时收集至少4颗卫星的数据时，通过变频、放大、 滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定和测量,从而产生计算位置的数据信息

（包括：

纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等）,经由I/O口输出串行数据。

1.3GPS模块定位流程

（1）搜索可用卫星，接收卫星信号，与卫星信号同步，提取导航电文信息。

（2）从导航电文中获取计算位置所需的信息，这些信息应该包括时钟信息和星历等数据。

（3）计算卫星的准确位置，这包括计算卫星的高度和方位角，从而进行必要的对流层校正。

（4）计算伪距，并进行电离层校正等。

（5）重复上述过程，对所有可用卫星进行相应的计算。

（6）进行其他必要的校正，例如根据卫星信号到达GPS接收机的时间，校正地球旋转所造成的卫星位置的偏差。

（7）根据定位原理，计算出GPS接收机的初始位置，并将其转换成所需的坐标格式进行显示或输出。

（8）加入闰秒和UTC（标准世界时）时间补偿计算当前精确的时间。

（9）分析可用卫星的信息，计算最好的DOP（DilutionofPrecision），进行选星，并计算和修正GPS接收机的位置，给出GPS接收机的三维坐标和准确的时间信息。

1.4本设计的主要工作

本文的主要目的是在GPS和单片机的理论知识上，选用Atmel公司的

AT89C51提取GPS模块的接收数据并由12864液晶显示接收数据。

在此设计过程中，主要熟悉Holux-M-87GPS模块各性能指标，学习NMEA封包并懂得使用NMEA输出命令，结合单片机串行通信知识，实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，并在12864液晶显示平台上选择性的显示数据。

第2章系统硬件设计

课题要求研制的GPS接收机要具有接收、处理、显示信息的功能。

硬件上必须有相应的接收处理部分、显示部分和配置输入部分，同时需要处理器实现各部分功能的联合。

由于单片机集成度高，系统结构简单，价格低廉，同时技术成熟，处理器部分使用单片机实现。

本课题设计的硬件系统主要由：

单片机、GPS模块、显示部分等组成。

如图

2-1所示：

单片机

键盘

晶振

电源

显示

复位

GPS模块

图2-1系统框图

2.1单片机

硬件核心控制任务是由单片机来完成的，单片机的采用使硬件电路设计大大简化，并且性能更加可靠。

目前，可采用的微处理器有很多种，如:

MCS-

51、Me6sol、280、eopsoo等8位单片机，虽然16位单片机在1982年已经问世，但其发展并不像人们想象的那样快，尽管在某些性能指标方面超过了8位单片机，但从性价比及开发周期等综合效益上却不如8位单片机，因此应用并不普及。

在本次设计中，采用MCS-51系列单片机，虽然信号处理和计算的功能相对

差些，但其结构简单、体积小、性价比高、可靠性高、功耗小及应用范围广，适合于小型化作业。

因此，选择AT89C51单片机作为微控制器。

它具有全双工异步通信口,可与M-87接口进行数据读取、处理和输出。

GPS信号接收和处理部分与单片机进行串口通信时,由于都采用了TTL电平,故两者之间不需进行电平转换就可直接通信。

2.1.1AT89C51单片机的结构原理

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能

CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

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。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效精简微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案，其引脚排列如图2-2所示：

图2-2AT89C51引脚图

引脚XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，

XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.1.2AT89C51单片机的主要特性

（1）与MCS-51兼容。

（2）4K字节可编程闪烁存储器。

（3）寿命：

1000写/擦循环。

（4）数据保留时间：

10年。

（5）全静态工作：

0Hz-24MHz。

（6）三级程序存储器锁定。

（7）128×

8位内部RAM。

（8）32可编程I/O线。

（9）两个16位定时器/计数器。

（10）5个中断源。

（11）可编程串行通道。

（12）低功耗的闲置和掉电模式。

（13）片内振荡器和时钟电路。

2.2GPS模块

2.2.1概述

根据设计需要，GPS模块选用M-87，如图2-3所示。

M-87是一种根据低耗电MediatekGPS解决方案设计的超小型25.4×

25.4×

7mmGPS引擎机板。

它是一个高性能、低功耗、小型并很容易联合的GPS模块，应用范围广泛。

它对于导航应用提供高达-159dBm的绝佳灵敏度与快速的第一次定位时间。

M-87是您想要内嵌在使用于GPS服务的PDA、PND、行动电话、可携式装置设计中的最佳选择。

图2-3M-87GPS模块

2.2.2主要技术参数及产品特点

主要技术参数：

（1）工作电压：

3.5~5V直流。

（2）接收灵敏度：

-159dBm。

（3）体积大小：

7mm。

（4）模块重量：

7克。

（5）定位精度：

<

3m

（6）系统内存：

4MB