简易型GPS定位信息显示系统的设计word版本.docx

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简易型GPS定位信息显示系统的设计word版本

毕业设计说明书

简易型GPS定位信息显示系统的设计

毕业生姓名

：

专业

：

学号

：

指导教师

：

所属系（部）

：

二〇〇八年五月

毕业设计评阅书

题目：

简易GPS定位信息显示系统的设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　系　　专业姓名　　　

设计时间：

评阅意见：

成绩：

指导教师：

　　　　　（签字）

职　　务：

200年　月　日

毕业设计答辩记录卡

系　　专业姓名　　　　

答辩内容

问题摘要

评议情况

记录员：

（签名）

成绩评定

指导教师评定成绩

答辩组评定成绩

综合成绩

注：

评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。

专业答辩组组长：

　　　　　（签名）

　　　　　　　　　200年　　月　　

前言

GPS作为最先进的空间定位技术，在社会建设中发挥了重要的作用。

随着GPS定位技术的快速发展，其功能越来越强，精度越来越高，在测量领域的应用日益广泛。

本文讨论了简易GPS定位信息显示系统的设计,提出了对GPS全球定位系统定位信息的接收以及对各定位参数数据的提取方法。

在硬件方面，采用了GPS25-LVS作为卫星信息接收器；控制器选用AT89C52单片机，以串口方式1接收GPS信息；设计了由7段共阳LED组成的显示器。

在软件方面，进行了单片机的信息接收处理，对内存中的信息存放地址进行了分配，并编制控制程序。

最后对硬件和软件进行了综合调试。

实现了LED显示器轮流显示实时时间、纬度、经度。

该系统的时间为原子钟时间，因此非常精确。

能满足一般应用项目的使用。

第一篇绪论

第一章GPS概述

GPS作为最先进的空间定位技术，在社会建设中发挥了重要的作用。

随着GPS定位技术的快速发展，其功能越来越强，精度越来越高，在测量领域的应用日益广泛。

GPS系统的基本定位原理是：

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，就可以算出三维坐标、速度和时间。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem简称GPS）是美国第二代军用导航系统，可实现全球范围内的实时导航和定位。

GPS由空间部分、地面监控部分、用户设备部分组成。

GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。

卫星轨道平面与地球赤道面倾角为55°，各个轨道平面的升交点赤经相差60°，轨道平均高度为20200km.卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上的各卫星的升交角距为90°，GPS卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。

GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。

每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。

GPS卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的3个基本功能：

根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。

地面监控部分由5个地面站组成。

1个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平土（ColoradoSpings）的联合空间执行中心CSOC，3个注入站，其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。

5个监控站，其中4个与主控站、注入站重叠，另外一个设在夏威夷。

主控站的主要任务为：

根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站；提供GPS系统的时间标准；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。

注入站的主要任务为：

在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应卫星的存储系统。

监测站的主要任务为：

给主控站编算导航电文提供观测数据，每个监控站均用GPS信号接收机，对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集气象要素等数据。

用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。

其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位，用后处理软件包对观测数据进行精加工，以获取精密定位结果。

第二章本设计的目的和意义

自从五七年第一颗人造卫星上天，六十年代的人造卫星导航定位技术，七十年代美国军方开始发展GPS（GlobalPositioningSystem）卫星导航定位系统，直至1995年4月27日美国国防部宣布“GPS系统已具备全部运作能力”。

GPS计划的实现历时23年，耗资200多亿美元，前后共发射35颗卫星，目前仍在轨道上正常工作的有25颗卫星，其中1颗为实验卫星，24颗为工作卫星。

它具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力，是美国第二代卫星导航系统，其特点是全天候、高精度、应用广，是迄今最好的导航定位系统。

它广泛的应用价值，引起了各国科学家的关注和研究，前苏联和西欧各国的科学家在积极开发利用GPS信号资源的同时，还致力于研究开发各自的卫星导航定位系统，如前苏联建成的GLONASS卫星导航系统，我国也在致力于发展自已的卫星导航定位系统。

同时，它的出现也导致了测绘行业一场深刻的技术变革。

GPS全球定位系统在实际生活中被广泛应用，是当今信息时代发展中的重要组成部分。

因其具有性能好、精度高、应用广的特点，使其成为了迄今最好的导航定位系统。

GPS导航定位系统之所以在许多领域得到广泛应用，出现了与GPS系统相关的产业，这都得益于其本身所具有的诸多优点，概括起来主要有以下几个方面。

定位精度高：

通过很多应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100km～500km可达10-7，1000km以上可达10-8，在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解算，其平面位置误差小于1mm。

基线边长越长越能突显是定位精度高的优势。

观测时间短：

由于GPS系统的不断完善，软件不断更新，目前20km以内相对静态定位，仅需15～20分钟，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站只需观测1～2分钟，动态相对定位测量时，流动站出发时观测1～2分钟，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。

测站间无须通视：

GPS测量不要求站点间相互通视，只需测站上空开阔即可。

可提供三维坐标：

经典大地测量将平面与高程采用不同方法施测，而GPS可同时精确测定测站点的三维坐标，目前GPS水准可达到四等水准测量的精度。

操作简便：

随着GPS机不断改进，自动化程度越来越高，体积也越来越小，重量越来越轻，有的已达“傻瓜化”的程度。

全天候作业：

使用GPS测量，不受时间限制，24小时都可以工作，也不受起雾、刮风、下雨下雪等气候的影响。

功能多、应用广：

GPS系统不仅可用于测量，还可用于测速、测时。

测速精度可达0.1m/s，测时精度可达几十毫秒。

随着人们对GPS系统的不断开发，其应用领域正在不断地扩大。

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了广泛的应用，在各个领域发挥了极大的作用，已成为了信息时代不可以或缺的一部分。

第三章本设计研究的内容和所做的工作

第一节本设计研究的内容

本设计是由AT89C52单片机控制GPS模块较为精确地计算和显示实时时间、经度、纬度等卫星信息。

此设计主要是在了解掌握了GPS和单片机的理论知识的基础上，选用Atmel（爱特梅尔）公司的AT89C52提取GPS模块的接收数据并由6位LED显示器显示接收数据。

在此设计过程中，主要熟悉了简易GPS定位信息显示系统各性能指标，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能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，并在6位LED显示器上选择性的显示数据。

第二节本设计所做的工作

本文讨论了简易GPS定位信息显示系统的设计,提出了对GPS全球定位系统定位信息的接收以及对各定位参数数据的提取方法。

在硬件方面，单片机采用12MHz晶振，以串口方式1接收GPS信息，P0口和P2口用于7段共阳LED显示接口，LED显示器轮流显示实时时间、纬度、经度或其他GPS信息数据。

在软件方面，首先进行了单片机的信息接收处理，给出了系统的软件流程图，然后对内存中的信息存放地址进行了分配，并对控制程序进行了编制。

最后对硬件和软件进行了综合调试。

第二篇元件选择

简易GPS定位信息显示系统主要由三部分构成：

卫星信息接收器、单片机控制器和显示器件。

卫星信息接收器选用GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM接收板。

GARMIN公司总部座落在美国的Kansas,是目前世界上最大的导航型GPS生产的专业厂家。

GARMIN公司在这一领域所取得的非凡成就及所做的巨大贡献是有目共睹的。

GARMIN公司通过其遍及全球的代理商，维修中心，销售及技术支持人员等不断反馈的市场信息，凭借自己的各项GPS专利技术，最先进的电子技术的应用，以及对各行业用户使用特点的深刻认识，使GARMIN公司的产品在各方面性能指标上已远远领先于同行业伙伴。

GPS25-LVS是GARMIN公司OEM板系列中的主打产品。

它具有全屏蔽的封装，抗干扰性好；内置锂电池保存数据，开机定位速度快；232电平接口，可直接与计算机相连，极易上手；3.6——6V供电，电压范围宽；标准NMEA-0183输出，简单易读；秒脉冲宽度可调，方便授时应用。

GARMINOEM板一直以定位速度快、工作稳定、耐电压冲击和高抗干扰性而深受青睐。

在车辆调度、精细农业、高速追击、普通授时等领域得到广泛应用。

其极高的性能价格比令许多OEM用户别无它求。

单片机控制器选用Atmel（爱特梅尔）公司的AT89C52来提取GPS模块的接收数据。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，在许多较复杂系统控制场合应用比较广泛。

   AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

其主要功能特性如下。

·兼容MCS51指令系统

·8k可反复擦写（>1000次）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

AT89C52单片机的引脚图如图1所示。

图1AT89C52单片机引脚图

显示器件采用LED（发光二极管的英文缩写）显示器。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。

LED显示器结构：

  基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。

可实现0～9的显示。

其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等

（一）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。

在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。

  反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。

实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。

空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。

这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。

（二）条形七段式数码管属于混合封装形式。

它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。

 （三）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。

它们适用于小型数字仪表中。

  （四）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。

（五）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。

  LED显示器分类：

（一）按字高分：

笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在2～3mm）。

其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。

（二）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。

  （三）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。

  （四）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。

LED显示器的参数：

  由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。

但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：

（一）发光强度比

由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。

所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。

比值可以在1.5～2.3间，最大不能超过2.5。

（二）脉冲正向电流

若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。

脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。

第三篇方案论证

GPS接收板在市场上品种较多，GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM接收板具有很高的性价比，是目前应用最广泛的GPS接收处理板，能满足各种导航和实时领域的需要。

GPS25-LVS系列OEM板采用单一5V供电，内置保护电池，RS-232、TTL两种电平自动输出NMEA-01832.0格式（ASCⅡ字符型）语句。

其主要性能特点如下。

专利技术：

12并行通道PhaseTrac12

定位时间：

重新捕获<2sec

自动搜索：

90sec

热启动：

15sec

冷启动：

45sec

更新率：

1/sec-1/900sec可调

位置精度：

15mRms（SAoff）/10m（差分）

速度精度：

0.1m/s；

速度限制：

515m/s

坐标系统：

102个预定义,1个自定义；

加速度限制：

6g

电气特性：

两个RS-232兼容串行口

CMOS通讯速率：

300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps可选

数据格式：

NEMAV2.0ASCII/二进制可设置

输入数据：

初始位置/日期/时间,2D/3D方式坐标系统,RTCM-104差分校正

输出数据：

速度、时间、机器/卫星状态、几何因子及误差估计

秒脉冲输出：

1pps精度±1us

输入电压：

3.66V（LVCLVS或6-40V（HVCHVS）可选

后备电源：

可充板置3V锂电（10年寿命）

功耗：

0.9W

灵敏度：

-166dBW

天线接口：

50-ohmmcx接头有源（5V）或无源天线

电源/数据口：

单排12插针

工作温度：

-30℃-+85℃

储存温度：

-40℃-+90℃

结构：

单片集成主机板

尺寸：

45×69.8×11.8mm

重量：

40g

NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-TheNationalMarineElectronicsAssocia-tion）制定的一套通讯协议。

GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。

  NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。

不过，也有少数厂商的设备使用自行约定的协议比如GARMIN的GPS设备（部分GARMIN设备也可以输出兼容NMEA-0183协议的数据）。

考虑到端口的使用要求，决定使用4组端口的AT89C52单片机作为控制器，用LED共阳显示器及GPS25-LVS系列OEM接收板实现系统功能。

简易GPS定位信息显示器电路设计框架图如图2所示。

图2简易GPS定位信息显示器电路设计框架

第四篇系统硬件电路设计

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则：

（一）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（二）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

（三）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。

但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

（四）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

（五）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

（六）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。

驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

（七）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。

系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。

随着单片机片内集成的功能越来越强，真正的片上系统SoC已经可以实现，如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。

简易GPS定位信息显示器电路原理如图3所示。

单片机采用12MHz晶振，以串口方式1接收GPS信息，P0口和P2口用于7段共阳LED显示接口，LED显示器轮流显示实时时间、纬度、经度或其他GPS信息数据。

图3简易GPS定位信息显示器电路原理图

GPS25-LVS系列OEM接收板采用12脚的接口，接口各引脚的功能如图4所示。

设计中使用了串口1或12脚的NMEA输出，串口1可用于PC机对OEM接收板进行参数设置，12脚NMEA输出用于单片机信息处理。

图4GPS25-LVS板引脚接口功能

单片机和卫星接收器的串行通信，需要接上一个MAX232芯片。

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

  内部结构基本可分三个部分：

  第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

  第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

  TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

  第三部分是供电。

15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

74LS244是8路3态缓冲驱动,也叫做线驱动或者总线驱动门电路，可以增加P2口的驱动能力。

简单地说，它有8个输入端，8个输出端。

各引脚定义如下：

1------1G1Y1-1Y4输出控制，低电平有效，高电平高阻

2------1A1输入端，对应的输出为1Y1

3------2Y4输出端，对应的输入为2A4

4------1A2

5------2Y3

6------1A3

7------1Y2

8------1A4

9------2Y1

10-----GND地

11-----2A1

12-----1Y4

13-----2A2

14-----1Y3

15-----2A3

16-----1Y2

17-----2A4

18-----1Y1

19-----2G2Y1-2Y4输出控制端

20-----VCC电源正

晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。

这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械振荡，反之，如果给他机械力，他又会产生电，这种特性叫机电效应。

他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。

由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。

根据石英晶