基于單片機的GPS設計

荊楚理工學院本科畢業(yè)設計（2015）第1章引言1.1課題的背景及意義自第一顆GPS試驗衛(wèi)星于1978年2月22日入軌運行以來，以衛(wèi)星為動態(tài)已知點的無線電導航定位時代就已經(jīng)開啟。陸地、海洋及空間上的無數(shù)用戶可以通過具有接收、跟蹤、變換和測量GPS導航定位信號功能的接收機就能夠隨時隨地共享GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，以此來計算GPS測量點七維狀態(tài)和三維狀態(tài)參數(shù)。GPS衛(wèi)星的運行，不僅為用戶提供定位信號，GPS技術帶來的高精度、全天候、全天時的新的測量技術還在地球物理學、大地測量學、地球運動力學、天體力學、載人航天學、全球氣象學和全球海洋學等學科上做出了巨大貢獻。實時地顯示所在地的經(jīng)緯度和UTC標準時間是GPS設備的最基本功能，但要能實現(xiàn)這一功能，就要求設備最基本的能夠接收GPS信號并可以調(diào)制輸出?，F(xiàn)今市面上的車載GPS導航儀、GPS手持機等基于GPS接收模塊開發(fā)的產(chǎn)品，雖然功能強大，但是造價昂貴，對于一般應用而言沒有必要。故基于這一背景，此設計制作了一款低成本的能夠滿足用戶對于GPS的一般需求的基于單片機的采集與顯示定位信息的GPS手持設備。1.2總體方案的設計該GPS設備在硬件上主要包括U-BLOXNEO-6M（GPS信號接收模塊）、AT890C51、1602LCD、電源四部分。GPS信號接收模塊（U-BLOXNEO-6M）將收到的GPS衛(wèi)星導航電文調(diào)制解碼，轉(zhuǎn)換為TTL的電平直接傳送給單片機串口。單片機經(jīng)程序識別篩選接收到的GPS導航電文后送到顯示模塊，按照預先設定的排版方式顯示在1602LCD液晶顯示器上。

第2章GPS全球定位系統(tǒng)介紹與接收GPS定位信號方案2.1GPS全球定位系統(tǒng)及GPS接收模塊的研究2.1.1GPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)是本世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。最初GPS建立主要誰為了給美國獨霸全球戰(zhàn)略的軍事目的服務。到1994年3月，歷時20多年的研究開發(fā)，耗資300億美元，布設完成的24顆GPS衛(wèi)星組成的星座全球覆蓋率已達98%。構(gòu)成全球定位系統(tǒng)的三大部分：地面控制部分；空間部分；用戶裝置部分。GPS星座GPS星座GPS信號信號注入GPS信號信號注入GPS信號GPS信號GPS接收GPS接收地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分圖2－1構(gòu)成GPS全球定位系統(tǒng)的三大部分全球定位系統(tǒng)的主要特點：全天候；全球覆蓋；定位精度高；高效率：應用廣泛多功能。在離地面2萬公里的高空上，24顆GPS衛(wèi)星以固定的周期繞地運轉(zhuǎn)，保證至少6顆衛(wèi)星的定位信息能夠在任一時間任一地點被同時接收到。只需其中4顆衛(wèi)星的信號，GSP接收模塊就能給出三維坐標，時間和移動速度等參數(shù)

因為已知衛(wèi)星的位置精確，在GPS觀測中，我們得出衛(wèi)星與GPS接收設備之間的距離，所以觀測點的位置(X,Y,Z)可以利用3顆衛(wèi)星組成三個方程式根據(jù)三維坐標中的距離公式解出。實際上存在X、Y、Z和鐘差這四個未知量，這是因為衛(wèi)星時鐘與接收機時鐘存在誤差，因此需要引入第4顆衛(wèi)星，組成4個方程式求解，才能得到定位點的經(jīng)緯度和高程。

2.1.2GPS接收模塊的研究接收機的關鍵部分是GPS接收模塊，不同的接收模塊功能各不相同，普通的接收模塊結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號通道、CPU、儲存器等組成。GPS接收模塊的工作原理：通過接收天線獲取的衛(wèi)星信號，再經(jīng)過變頻、放大、濾波、相關、混頻等一系列處理，可以實現(xiàn)對天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量。得到了衛(wèi)星的位置信息和信號傳播時間便可計算出天線所在的位置。用戶采用異步串行通信方式通過I/O接口與GPS接收模塊進行通信。前置放大前置放大低噪聲下變頻器并行信號通道本振CPURAMROM天線GPS接收模塊圖2－2GPS接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2接收GPS定位信號方案只有先完成接收和調(diào)制好GPS信號后，才能將接收到的GPS地理信息顯示在液晶顯示屏上。我們有兩種接收GPS信號的方案。方案一：選用GPS芯片，基于芯片設計GPS接收模塊接收定位信號，然后在基于設計的接收模塊完成本設計。方案二：直接選用產(chǎn)品GPS接收模塊獲得定位信號完成本設計。選用方案一的話可以使我們掌握GPS接收模塊的部分技術，但是難度較大不易實現(xiàn)，方案二的成品模塊很容易在市面上買到，比較容易實現(xiàn)。故經(jīng)過分析，選擇方案二比較適合本設計。第3章基于單片機的GPS硬件設計3.1基于單片機的GPS硬件總體結(jié)構(gòu)根據(jù)總體設計方案，該基于單片機的GPS硬件設計主要四部分構(gòu)成:由GPS信號接收部分（U-BLOXNEO-6M信號接收模塊）;控制芯片(AT89C51單片機）;顯示部分（1602LCD液晶顯示模塊）;電源這幾部分構(gòu)成。GPS信號GPS信號1602液晶顯示模塊電源GPS信號接收模塊AT89C511602液晶顯示模塊電源GPS信號接收模塊AT89C51圖3－1基于單片機的GPS硬件總體結(jié)構(gòu)框圖3.2基于單片機的GPS設計硬件部分介紹3.2.1AT89C51微處理器主要性能在本次設計中，采用微控制器為AT89C51單片機，其小體積、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、可靠性高、功耗小及應用范圍廣等特性適用于移動便攜設備。AT89C51的全雙工異步通信口,更夠跟U-BLOXNEO-6M接口進行數(shù)據(jù)讀取、處理和輸出。且由于兩者串口通信時,采用的電平方式均為TTL,故不需要電平轉(zhuǎn)換便可直接連接。AT89C51功能性能:1.主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器兩個優(yōu)先級別的五個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路圖3-3AT89C51引腳圖3.2.2WaveshareU-BLOXNEO-6M信號接收模塊介紹該設計中的GPS信號接收模塊所選用的是由深圳市微雪電子有限公司所生產(chǎn)的WaveshareU-BLOXNEO-6M接收模塊。該模塊在5V±10%范圍的電壓工作時，電流低至60mA，U-BLOXNEO-6M優(yōu)異的節(jié)能特性使其得以更廣泛的應用在移動手持設備上。特性：使用U-BLOXNEO-6M模組，自帶高增益有源天線波特率默認為9600，可以通過u-center修改自帶IPX接口，可以連接各種有源天線自帶可充電后備電池，可以掉電保存星歷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)熱啟動自帶EEPROM，保存配置信息參數(shù)：接口特性：TTL電平，兼容3.3V/5V系統(tǒng)接收特性：50通道，GPSL1(1575.42Mhz)C/A碼，SBAS:WAAS/EGNOS/MSAS定位精度：2.5mCEP(SBAS:2.0mCEP)更新速率：最大5Hz(默認1HZ)捕獲時間：冷啟動：27S（最快）熱啟動：1S追蹤靈敏度：-161dBm捕獲靈敏度(冷啟動)：-147dBm通信協(xié)議：NMEA(默認)/UBXBinary串口通信波特率：默認9600速度限制：500m/s高度限制：50000m工作溫度：-40攝氏度~85攝氏度工作電壓：2.7V-5.0V(VCC引腳輸入)工作電流：45mATXD/RXD阻抗：510歐使用說明：VCC：接3.3V/5VGND：接GNDTXD：接MCU.RXRXD：接MCU.TXPPS：接MCU.IO時鐘脈沖輸出（可不接）3.2.31602LCD液晶顯示模塊介紹顯示容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.5—5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm配置LED背光內(nèi)帶CGROM、CGRAM能夠顯示160個不同的點陣字符圖形多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符其字符與圖形在CGROM和CGRAM中的對應的關系如表3－1所示。圖3－41602液晶顯示模塊表3－1CGROM和CGRAM中字符代碼與字符圖形對應的關系1602采用標準的16腳接口，其中:引腳功能說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極表3-2引腳接口說明表14腳時無背光，16腳時帶背光引線號符號名稱功能1Vss接地0V2VDD電路電源5V±10%3VL液晶顯示偏壓信號調(diào)節(jié)對比度4RS寄存器選擇信號H:數(shù)據(jù)寄存器L:指令寄存器5R/W讀/寫信號H:讀L:寫6E片選信號下降沿觸發(fā),鎖存數(shù)據(jù)7|14DB0|DB7數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)傳輸15BLA背光源正極提供背光16BLK背光源負極提供背光表3-316腳接口根據(jù)編程時所采用的方法，決定采用1602LCD液晶顯示模塊和單片機連接的方式：PP0.0P0.7P2.2P2.1P2.0DB0DB7ER/WRSVLBLKBLA………………5KAT89C511602LCM5V0V0V5V0V0V圖3－6AT89C51與1602LCD液晶顯示模塊的連接方式3.2.4電源為了設備的能夠方便攜帶，所以決定選擇電池給設備供電，考慮到系統(tǒng)各模塊的最佳工作電壓，故選擇了5V鋰電池。3.3基于單片機的GPS硬件連接介紹整個硬件設計要求GPS接收模塊輸出的信號連接器件將單片（STC90C51）、GPS信號接收模塊、1206液晶顯示模塊、電源相連接實現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬件電路設計詳圖。3-71206LCD與單片機的連接圖3-8單片機與GPS的接口圖第4章基于單片機的GPS軟件設計4.1GPSNAEA0183數(shù)據(jù)格式介紹NMEA－0183是美國國家海洋電子協(xié)會（NationalMarineElectronicsAssociation）為海用電子設備制定的標準格式。它是在0180和0182的標準格式的基礎上加入GPS接收機輸出。NMEA－0183將包含經(jīng)度、緯度、速度、時間、日期、航向、以及衛(wèi)星信號情況等信息的語句以ASCⅡ字符碼輸出。本設計只運用定位數(shù)據(jù)語句$GPRMC的結(jié)構(gòu)為：$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>；GP：交談識別符；RMC：語句識別符；hh：校驗和，表示“$”與“*”之間所有字符（不包括$和*）的按位異或值。<1>：UTC時間，hhmmss（時分秒）格式；<2>：定位狀態(tài)，A＝有效定位，V＝無效定位；<3>：定位點緯度，ddmm.mmmm（度分）格式；<4>：緯度半球，N（北半球）或S（南半球）；<5>：定位點經(jīng)度，dddmm.mmmm（度分）格式;<6>：經(jīng)度半球，E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）；<7>：地面速率，000.0節(jié)～999.9節(jié)；<8>：地面航向，000.0度～359.9度；<9>：UTC日期，ddmmyy（日月年）格式；<10>：磁偏角，000.0度～180度；<11>：磁偏角方向，E（東）或W（西）。4.2基于單片機的GPS軟件開發(fā)環(huán)境4.2.1程序編譯環(huán)境――KeiluVision4本設計的軟件的開發(fā)環(huán)境為KeiluVision4。KeiluVision4開發(fā)環(huán)境具有以下優(yōu)點：①真正的集成調(diào)試環(huán)境；②眾多強大軟硬件調(diào)試手段,包括邏輯分析儀、跟蹤器、邏輯筆、波形發(fā)生器、影子存儲器、記時器、程序時效分析、數(shù)據(jù)時效分析、硬件測試儀、事件觸發(fā)器；③集成了各種類的單片機,不僅支持匯編，還支持C、PL/M源程序混合調(diào)試；④支持項目管理和軟件模擬；⑤支持點屏功能；⑥支持各種數(shù)據(jù)類型的窗口觀察；⑦樹狀結(jié)構(gòu)顯示；⑧在線修改、編譯、調(diào)試源程序，錯誤定位4.2.2串口通信調(diào)試工具――COMPortDebugerV2.00設計使用COMPortDebugerV2.00進行串口通訊調(diào)試。此款軟件能夠選擇串口端口，設定波特率、數(shù)據(jù)位、停止及校驗位等等，且能夠自定義自動發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔。如圖4－2，軟件正在模擬GPS將地理數(shù)據(jù)傳輸給單片機，以輔助調(diào)試程序和硬件。圖4－1COMPortDebugerV2.00界面圖4.2.3單片機程序編程軟件――SLISPV1.3.2所以我選擇了SLISPV1.3.2這款編程配合燒錄程序。在程序在KeiluVision4調(diào)試、編譯完成后，還需要通過編程軟件跟編程器將燒錄到單片機的硬件系統(tǒng)中進行整體調(diào)試。圖4－2SLISPV1.3.2界面圖4.2.4GPS接收模塊調(diào)試軟件——u-center第一次使用GPS接收模塊時需要在電腦上對其進行串口輸率初始化以及GPS地理數(shù)據(jù)的測試接收。WaveshareU-BLOXNEO-6M信號接收模塊生產(chǎn)商推薦使用u-center。u-center上可以設置輸出語句，還能查看分析接收GPS數(shù)據(jù)后的狀態(tài)。4.3基于單片機的GPS軟件設計思路設計的關鍵是AT89C51通過串行通訊接收到U-BLOXNEO-6M的數(shù)據(jù)，并篩選編排后顯示到1602LCD上。考慮到調(diào)試及移植，故使用模塊化進行軟件設計。軟件包括四個主要模塊：串口初始化模塊；液晶模塊初始化模塊；數(shù)據(jù)接收模塊；數(shù)據(jù)格式調(diào)整送顯模塊。AT89S51AT89S51串口、液晶顯示模塊初始化開始判斷是否為$GPRMC語句接收并儲存到單片機分配的地址中篩選UTC時間、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并調(diào)整格式送液晶顯示模塊顯示UTC時間、經(jīng)緯度NY圖4－3軟件程序流程圖4.4各模塊軟件設計4.4.1串口初始化模塊波特率設為9600，定時器為工作方式2，將#0FDH分別賦值給TH1和TL1。其程序如下：MOVTMOD,#20H;定時器工作方式選擇MOVTH1,#0FDH;定時器初始賦值MOVTL1,#0FDH;MOVPCON,#00H;串口工作方式選擇SETBTR1MOVSCON,#70H;串口工作方式選擇4.4.2液晶模塊初始化模塊1602液晶模塊的標準初始化描述如下：延時15ms寫指令38H（不檢測忙信號）延時15ms寫指令38H（不檢測忙信號）延時15ms寫指令38H（不檢測忙信號）寫指令38H寫指令38H：顯示模式設置寫指令08H：顯示關閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：顯示關標移動設置寫指令0CH：顯示開及光標設置程序如下：MOVP0,#0H;清屏ACALLENABLECALLdelay1MOVP0,#38HACALLENABLEMOVP0,#38HACALLENABLEMOVP0,#38HACALLENABLEMOVP0,#8HACALLENABLEMOVP0,#1HACALLENABLEMOVP0,#6HACALLENABLEMOVP0,#0cHACALLENABLE4.4.3數(shù)據(jù)接收模塊數(shù)據(jù)接收先要檢測串口是否給單片機發(fā)送信息，而且需要識別語句，才能取入所需的語句$GPRMC，…………。由于這些語句都是已$GP開頭的，故在程序中也只需要判斷M和C這兩個字母。其識別和儲存的程序如下：read:callreccjneA,#04dH,read;'M'?;判斷是否McallreccjneA,#043H,read;'C'?;判斷是否Ccallrecmovr0,#10h;數(shù)據(jù)儲存起始地址movr1,#42h;數(shù)據(jù)位數(shù)store:;儲存callrecmov@r0,aincr0djnzr1,storeRETrec:JBRI,gooutincr2cjner2,#255,recmovr2,#0hincr3cjner3,#255,recmovr3,#0hincr4cjner4,#5,recmovr4,#0hcallnosignaljmpwaitgoout:CLRRImovr2,#0hmovr3,#0hmovr4,#0hmovr5,#0hMOVA,SBUFRET4.4.4數(shù)據(jù)格式調(diào)整送顯模塊我們需按位選取GPRMC中緯度、經(jīng)度、UTC時間和UTC日期等的數(shù)據(jù)并進行格式調(diào)整后再送液晶屏顯示。其程序模塊如下：time:;時間格式調(diào)整模塊MOVR2,#0C0HLCALLENABLELCALLWRITEmovp0,#01h;清屏ACALLENABLE mov60h,#20hmov61h,#20hmov62h,#20hmov63h,#20hmov64h,10h;時mov65h,11h;mov66h,#":";mov67h,12h;分mov68h,13h;mov69h,#":"mov6ah,14h;秒mov6bh,15h;mov6ch,#20hmov6dh,#20hmov6eh,#20hmov6fh,#20hMOVR0,#60HMOVR3,#10Hcalldisdat:;日期格式調(diào)整模塊MOVR2,#80HLCALLENABLELCALLWRITEmov63h,#32hmov64h,#30hmov65h,44hmov66h,45hmov67h,#"/"mov68h,42hmov69h,43hmov6ah,#"/"mov6bh,40hmov6ch,41hmov6dh,#20hmov6eh,#20hmov6fh,#20hMOVR0,#60HMOVR3,#10Hcalldislon:;緯度格式調(diào)整模塊MOVR2,#0C0HLCALLENABLELCALLWRITE1movp0,#01h;清屏ACALLENABLEmov70h,#20hmov71h,#20hmov72h,#4ehmov73h,#":"mov74h,#20hmov75h,1chmov76h,1dhmov77h,#2ehmov78h,1ehmov79h,1fhmov7ah,20hmov7bh,21hmov7ch,22hmov7dh,23hmov7eh,24hmov7fh,#20hMOVR0,#70HMOVR3,#10Hcalldislat:;經(jīng)度格式調(diào)整模塊MOVR2,#080HLCALLENABLELCALLWRITE1mov60h,#20hmov61h,#20hmov62h,#45hmov63h,#":" mov64h,28hmov65h,29hmov66h,2ahmov67h,#2ehmov68h,2bhmov69h,2chmov6ah,2dhmov6bh,2ehmov6ch,2fhmov6dh,30hmov6eh,31hmov6fh,#20hMOVR0,#60HMOVR3,#10Hcalldis第五章總結(jié)隨著GPS應用的不斷擴大，GPS設備將普及到生活的方方面面中，GPS產(chǎn)業(yè)的興起勢必也將大大的推進GPS在民間的應用。各個領域中定GPS已經(jīng)顯示了它的重要的作用，為人類發(fā)展作出了不可估量的貢獻。但是專業(yè)GPS設備昂貴的價格，很多功能對普通