基于单片机的gps定位系统硬件设计

本科生毕业设计（论文）基于单片机的GPS定位系统硬件设计HARDWAREDESIGNOFGPSPOSITIONINFORMATIONPROCESSINGSYSTEMBASEDONSINGLECHIPCOMPUTER总计20页表格3个插图10幅学院（系）电子与电气工程专业电子信息工程基于单片机的GPS定位系统硬件设计摘要本文介绍了一项利用单片机采集和处理GPS定位信息的设计，实现全球定位功能。该系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心控制器件，通过串行口与GPS模块C3370B通信，接收GPS模块输出的时间和定位信息，该输出信息格式采用NMEA0183标准格式中的GPRMC语句。单片机接收到定位信息和时间信息后，将GPS模块输出的时间信息进行时差调整，再将所获取的位置和时间信息通过显示终端显示。经过调试后，本系统可以接收GPS定位信息和时间信息，并把经度、纬度和时间通过屏幕显示出来。该系统主要由GPS模块、看门狗EEPROM模块、液晶显示模块及键盘组成，采用以AT89C51来控制各模块的设计思想。本文对每个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了硬件电路的设计，对本设计中各模块的工作原理及功能进行了详细的论述。关键词单片机；GPS接收机；看门狗；液晶显示模块THEHARDWAREDESIGNOFGPSPOSITIONINFORMATIONPROCESSINGSYSTEMBASEDONSINGLECHIPCOMPUTERABSTRACTTHEDESIGNOFGPSPOSITIONINFORMATIONPROCESSINGSYSTEMBASEDONSINGLECHIPCOMPUTERISINTRODUCEDTHISSYSTEMEMPLOYSATMELSAT89C51ASACORECONTROLLER,COMMUNICATINGWITHGPSMODULEC3370BINSERIALSPORT,RECEIVESNMEA0183STANDARDFORMEDNAVIGATINGDATAOUTPUTFROMGPSMODULE,AMONGWHICHGPRMCISSELECTEDTOACQUIREGEOLOGICALINFORMATIONANDTIMINGINFORMATIONFINALLYTHEACQUIREDGEOLOGICALINFORMATIONANDTIMINGINFORMATIONAREDISPLAYEDONTHEDISPLAYTERMINALAFTERPROPERDATAPROCESSINGSUCHASTIMEDIFFERENCECORRECTIONAFTERDEBUGGING,THISSYSTEMCANRECEIVEGPSPOSITIONINFORMATIONANDTIMEINFORMATION,CANMEANWHILEDISPLAYLONGITUDE,LATITUDEANDTIMETHESYSTEMMAINLYCONSISTSOFGPSMODULE,WATCHDOGANDEEPROMMODULE,LCDMODULEANDKEYBOARDMODULE,WITHTHEDESIGNIDEASOFUSEAT89C51TOCONTROLEACHMODULETHISPAPERSTUDIESEACHMODULEONEBYONE,ACOMPREHENSIVEANDDETAILEDEXPOSITIONOFTHEHARDWARECIRCUITDESIGNISGIVEN,WHILETHEPRINCIPLESANDFUNCTIONSOFTHEVARIOUSMODULESAREDISCUSSEDINDETAILKEYWORDSSINGLECHIPCOMPUTERGPSRECEIVERWATCHDOGLCDMODULE目录1引言111课题的背景及意义112GPS的发展历程113本设计的主要内容22GPS系统的构成和工作原理321概述322GPS系统的构成323GPS系统的工作原理43总体电路的设计431总体硬件设计532AT89C51单片机64各模块硬件设计641键盘电路设计642看门狗电路设计7421X5045芯片7422X5045工作原理8423X5045电路设计843液晶显示模块设计9431TS12864A19432TS12864A1基本特性10433TS12864A1电路设计1044GPS模块硬件设计12441C3370B12442C3370B的工作原理12443C3370B电路设计1245系统电源设计13451LM780513452稳压电路设计135系统实现1451系统开发所需的软硬件资源1452系统硬件调试1453联机仿真调试15结束语15参考文献17附录18致谢201引言本章主要介绍了研究该课题的背景及意义，简要叙述了GPS的发展历程，并概括出本设计的主要内容及特点。11课题的背景及意义GPS（GLOBALPOSITIONSYSTEM）全球定位系统具有全天候、高精度的特点，随着硬件配置以及软件技术的发展，应用领域也在不断的扩展，并逐步深入到了人们的日常生活中。GPS已经在经济、军事、科研和社会生活各领域得到了广泛应用，发挥着日益重要的作用。作为导航领域内一种全新的技术，GPS全球定位系统主要利用卫星进行定位。GPS最初由美国政府机构控制使用，是目前世界上最为成熟和完好的全球卫星导航系统。它由30颗（4颗为备份星）在轨卫星组成。早期的GPS系统对民用信号的定位精度限制为100米左右，2000年后则取消这一限制。目前，GPS可以提供的民用信号定位精度为10米左右。GPS现可应用于多领域，如民用航空，车辆调度管理，深海海运等整个海陆空范围内的导航等，特别是在目前的车载导航领域，GPS全球卫星定位技术更是具有广泛的应用。随着应用领域的日益扩大，中国卫星导航仪的市场规模已从2000年的不到10亿元增长到了2009年的120亿元1。对目的地及周边环境的精准查询需求带动了GPS导航产品市场的繁荣。据相关统计，欧美国家GPS导航设备普及率达到90，日本更是超过95。一项对3G应用的展望和创意的专业调查显示，1779的被调查者选择了3G网络视频对话，1534的被调查者选择了GPS/地图搜索，在3G时代来临之际，人们对GPS/电子地图的关注，足以显现它在日常生活中的重要性。此外，消费及市场需求也促使导航产业发展和走向成熟。2009年，我国民用汽车保有量就达到了一亿七千万辆，但是装载导航设备的车辆，还不足70万辆。尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统，对其他低端车型也会有选装导航产品的服务，但价格不菲的车载导航仪（花冠的GPS选装件一项就价值15万元，而后装型价格也在7000元左右）让不少买车的人放弃了实用性很强的导航配置。按照私人汽车拥有量年均增速20测算，对导航产品的需求也是一个很大的增量。因此，对GPS进行研究和二次开发势在必行2。12GPS的发展历程1无线电导航系统在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要采用无线导航系统。罗兰C工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200300M。OMEGA（奥米茄）工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。多卜勒系统利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。2卫星定位系统最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（TRANSIT），1958年研制，1964年正式投入使用。由于该系统卫星数目较少（56颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均15H），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。3GPS发展历程GPS实施计划共分三个阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（213）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星3。13本设计的主要内容本设计的主要目的是在单片机的理论基础上，选用ATMEL公司的AT89C51提取GPS模块的接收数据并由液晶显示接收数据。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，并在液晶显示平台上选择性的显示数据。1GPS模块实现定位；2单片机通过串口控制GPS模块，获得定位数据；3根据需要把定位数据存储在EEPROM或在液晶显示模块进行显示；4键盘实现功能选择；5看门狗电路确保系统的可靠性。2GPS系统的构成和工作原理21概述全球定位系统（GLOBALPOSITIONSYSTEM简称GPS）是美国第二代军用导航系统，也是美国20世纪三大空间技术之一，是当今世界航天航空技术、无线电通讯技术和计算机技术的综合结晶。可实现全球范围内的实时导航和定位。太空卫星共有27颗，24颗运行，3颗备用。24颗可操作的工作卫星以55的倾角分布在地球上空2D2DDKM的6个轨道面上。这些卫星轨道上的分布状态使地球上的任何位置在任意时刻都可以同时收到至少6颗卫星的定位信息，这些卫星则不断地给全球用户发送位置和时间的广播数据1。22GPS系统的构成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4。1空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200KM的上空,均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,轨道倾角为55。此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码（COARSE/ACQUISITIONCODE11023MHZ）；一组称为P码（PROCISECODE10123MHZ）,P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。2地面控制部分地面控制部分主要由1个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果分别送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。3用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。23GPS系统的工作原理每颗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的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。24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，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。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5。3总体电路的设计合理的电路设计原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点6。1可靠性高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。2操作维护方便在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。3性价比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。31总体硬件设计在GPS系统的硬件设计中采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内4KBYTES可反复擦写的FLASH只读程序存储器（ROM）和128BYTES的随机存取存储器（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MSC51指令系统，片内置通用八位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元7。外围电路由键盘、看门狗及EEPROM模块、液晶显示模块、GPS模块组成，如图1所示。图1硬件电路结构框图系统硬件设计包括如下内容1键盘模块本设计采用的是44的矩阵式键盘，直接与AT89C51的I/O口进行连接。利用键盘实现数据信息选择性输出的控制。2看门狗及EEPROM模块程序运行时，看门狗需要程序每隔一段时间给它个信号，用以清空它的计数器；如果没有这个信号，计数器溢出，则会给处理器一个复位信号，使处理器强制复位，这样可以避免死机，提高系统的可靠性。此外EEPROM可以存贮GPS接收到的定位数据以便对定位精度及误差进行估算。3液晶显示模块液晶显示模块要实现的功能是显示由单片机输出的定位信息，包括经度、纬度、高度的三维坐标及时间等。可由单片机选择性的显示某一个数据或同时显示几个数据。4GPS模块GPS模块是整个设计中最重要的核心模块，该模块的功能是把内部接受到的定位数据通过串行通信的方式传递给单片机，由单片机进而对这些数据进行相应的控制和处理。5电源电路电源电路负责为各模块芯片供电，使各芯片在其工作电压范围内正常工作。32AT89C51单片机AT89C51是一种低功耗高性能单片机，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，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。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8。本设计中各模块的I/O分配如表1所示。表1I/O分配模块名称I/O分配看门狗及EEPROMP3口液晶显示P1、P2口键盘P0口GPSP3口4各模块硬件设计本设计采用模块化设计的思路将各模块与单片机相连接，分模块实现功能，最后整合各模块得到完整的硬件电路，总体硬件电路原理图见附录一。41键盘电路设计键盘是人机对话的纽带，操作人员可以通过键盘输入数据和命令。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种，前者用软件来识别输入键和产生代码，后者则用硬件来识别输入键和产生代码。图2键盘电路设计本设计采用的是44的矩阵式键盘接口电路，这种键盘接口电路的优点是可以大量节省I/O口，并且在取MN时最为显著。键盘的硬件接口电路图如图2所示，用P0的8个I/O口连接44矩阵键盘即可满足。其中，P04P07为行线，P00P03为列线9。42看门狗电路设计单片机应用系统的开发一定要考虑系统的可靠性设计，“看门狗”是系统可靠性设计的重要一环。在一个单片机系统中，所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控单片机的运行状况。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要让出一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，当程序跑飞或死机时，在规定的时间内没有收到单片机的清除信号，也就是我们通常所说的没有及时“喂狗”，RESET端输出复位脉冲，单片机强制复位，看门狗定时器清零，以保证系统在受到干扰时仍能维持正常的工作状态。本系统设计采用X5045硬件看门狗电路。421X5045芯片X5045是美国XICOR公司生产的标准化8引脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能集合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片10。X5045各引脚功能如下SO串行数据输出脚。在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出，在时钟的下降沿时数据改变。SI串行数据输入脚。所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写入，在时钟的上升沿时数据被锁定。SCK串行时钟。控制总线上数据输入和输出的时序。/CS芯片使能信号。当其为高电平时，芯片不被选择，SO脚为高阻态，除非一个内部的写操作正在进行，否则芯片处于待机模式；当引脚为低电平时，芯片处于激活模式，在上电后，在任何操作之前需要CS的一个从高电平到低电平的跳变。/WP当WP引脚为低电平时，芯片禁止写入，但是其他的功能正常；当WP引脚为高电平时，所有的功能都正常。当CS为低电平时，WP变为低电平可以中断对芯片的写操作；但是如果内部的写周期已经被初始化后，WP变为低电平不会对写操作造成影响。RESET复位输出端。VCC电源端。VSS接地端。422X5045工作原理X5045是一种集上电复位、看门狗、电压监控和串行EEPROM四种功能于一身的可编程控制电路，它有助于简化应用系统的设计，减少电路板的占用面积，提高可靠性10。1上电复位X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过器件的VTRIP限值时，电路将在200MS（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。2低电压检测工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小VTRIP以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。而当VCC返回并超过VTRIP达200MS时，系统重新开始工作。3看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。423X5045电路设计X5045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。设置“看门狗”定时器的目的是使“看门狗”监控系统程序，在程序跑飞或系统“死机”后能够迅速使程序回到原位，而不会影响程序的正常功能。图3看门狗电路连接图X5045硬件连接图如图3所示。WP与VCC同接电源使芯片所有功能正常，允许写入；SCK引脚与单片机的P34相连为芯片提供时钟信号；SI、SO引脚为串行数据输入、输出脚与单片机的P32、P33相连完成数据的读写操作；CS引脚为芯片使能端与单片机的P35口相连，控制芯片工作模式；RESET引脚与单片机的RST引脚相连，向单片机发送复位信号11。43液晶显示模块设计液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点得到广泛应用。液晶显示模块分字符型和点阵型两种，前者只能显示常用的字符，后者除可显示字符外还能显示各种图形和汉字。本设计采用的是点阵型液晶显示模块TS12864A1。431TS12864A1TS12864A1是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示84个（1616点阵）汉字。带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为12864点，内置8192个1616点汉字和128个168点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简朴、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。各管脚功能如表2所示。表212864管脚说明引脚名称功能引脚名称功能1GND接地15CS1选择芯片（左半屏）2VCC电源16CS2选择芯片（右半屏）3VLCD液晶显示器驱动电压17RST复位信号4RSH数据输入；L指令码输入18VEELCD驱动负电压5RWH数据读取；L数据写入19LED背光板电源（）6EN使能信号20LED背光板电源（）714DB0DB7数据线432TS12864A1基本特性1低电源电压（VDD3055V）。2显示分辨率12864点。3内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字（简繁体可选）。4内置128个168点阵字符。52MHZ时钟频率。6显示方式STN、半透、正显。7驱动方式1/32DUTY，1/5BIAS。8视角方向6点。9背光方式侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10。10通讯方式串行、并行接口可选。11内置DCDC转换电路，无需外加负压。12无需片选信号，简化软件设计。13工作温度055,存储温度2060。433TS12864A1电路设计51系列单片机与液晶模块的接口方式有两种，一种为直接访问方式，一种为间接控制方式。直接访问方式就是将液晶显示模块作为存储器或IO设备对待，直接挂在单片机总线上，单片机以访问存储器或IO设备的方式操作液晶显示模块。间接控制方式是单片机通过软件模拟液晶工作时序的方法实现与液晶显示模块的连接。本设计采用直接访问方式，硬件连接图如图5所示。图5液晶显示模块连接图显示器的DB0DB7引脚与单片机的P1口的8个I/O口串行连接，进行数据的传输；RS引脚接单片机的P20，过其高、电平选择显示数据或指令数据；RW、EN引脚接单片机的P21、P22，两引脚同时高电平完成对数据的读取，两引脚同时跌落至低电平数据被写入指令寄存器或数据寄存器IR、DR；CS1、CS2引脚接单片机的P23、P24，选择芯片左、右半屏信号；RST引脚接单片机的P25，可通过单片机对其发送复位信号；VLCD、VEE引脚分别为LCD的驱动电压和驱动负电压，两者用一个10K的滑动变阻器连接并一端接地，同时满足两引脚的电压要求；LED、LED引脚为LED背光板电源，其中正引脚接电源，负引脚通过一个三极管9012和一个1K电阻接到单片机的P26口12。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不仅硬件电路结构简洁，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶显示模块。而且该模块低功耗、体积小、接口方式灵活、操作简单，满足本设计的要求，因此采用12864液晶显示器是一个较好的解决方案。44GPS模块硬件设计GPS模块是整个电路设计的核心，直接决定了传输到单片机上的定位信息的相关要求，以及定位速度等性能水平。本设计采用的是JCOMC3370BGPS接收模块。441C3370BC3370B是一款韩国JCOM出产的内置天线GPS接收模块，其定位快速，低耗电，搜星质量上乘，在众多GPS接收机中工作稳定、性能较为出众，它的输出、输入信息具有格式清晰、信息量大、数据结构完整等优点，非常适合于二次开发13。各引脚功能如下1EN校准器使能端，上电或低电压时启用，20VVCC时禁用；2VCC提供电压50V；3TXA串行输出端口；4RXA串行输入端口；5GND接地；6BOOT模块启动端口，VCC复位时模块启动进入特殊调试模式。442C3370B的工作原理C3370B的技术特点1内置GPS接收装置，保护罩；2完全的SIRFSTARIIIGPS结构；3GSC3F/LP高性能GPS单芯片；4GPSDSP以及内置RTC时钟的ARM7TDMICPU处理器；54MBITFLASH存储空间；6低噪声运放和SAW滤波器；7温度补偿晶体振荡器,RESET和校准器等功能；8内置备用电池。443C3370B电路设计单片机AT89C51串口TXD、RXD分别与C3370B的RXA、TXA进行连接，用于对C3370B进行设置后，采集C3370B的GPS定位和时间信息14。EN引脚为校准器使能端，接单片机的P36，通过其选用校准器（上电或低电压时启用，在20V到VCC之间禁用）。BOOT引脚为模块启动端口，与单片机的P37相连,VCC复位时模块启动进入特殊调试模式。硬件连接图如图7所示。图7GPS模块连接图45系统电源设计本系统中各模块所用芯片的工作电压如表3所示。由于本系统中所有芯片的工作电压都维持在5V左右，所以可以采用5V的直流电源来供电。表3所用芯片工作电压模块单片机看门狗及EEPROMGPS液晶显示模块芯片AT89C51X5045C3370B12864工作电压V50275536553055为了确保系统电路的安全可靠，应提供稳定的电源电压，可考虑增加DC/DC转换器，这里设计了一个简单的LM7805稳压电路，是最常用的线性降压型DC/DC转换器。451LM7805LM7805是常见的三端稳压集成电路78系列的一种，用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，由此可见LM7805的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压11。LM7805作为三端稳压集成电路，显而易见，它有三个引脚，分别是输入端、接地端和输出端，TO220的标准封装。当输出电流较大时，应配上散热板和接地脚相连，当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。452稳压电路设计稳压电源电路如图8所示。IC采用集成稳压器LM7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容；输入电压VIN引脚可直接接入电源，稳压器2脚接地，输出电压VOUT引脚即可为整个系统提供稳定的5V电压。图8LM7805稳压电源电路5系统实现51系统开发所需的软硬件资源系统设计需要硬件资源主要有1PROTEL电路板绘图软件；2AT89C51单片机、C3370B、X5045、LCD12864等系统设计所需元器件，详细的电子元器件需求根据系统设计需要购买；3电路板调试、焊接工具，常用的仪器有万用表、稳压电源、示波器、信号发生器、烙铁等；4单片机系统调试仿真器KEIL、PROTEUS，VSPM虚拟串口软件等。52系统硬件调试当电路板经过电子工艺加工完成之后，便进入了系统调试阶段，本设计对系统进行硬件调试。硬件调试的主要任务是排除电路板故障，其中包括设计错误和工艺性故障。调试的过程如下1脱机检查用万能表按照电路原理图检查电路板中电子元器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。对需要特别保护的芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。2排除元器件失效检查硬件电路是否工作正常，单片机的时钟电路，通过测试ALE信号判断晶体工作是否正常。3上电检查加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V48V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。53联机仿真调试联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络AT89C51和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。C51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号，对于脉冲信号借助示波器（这里指通用示波器）用常规方法很难观测到，必须采取一定措施才能观测到。应该利用软件编程的方法来实现。本系统中的键盘、显示部分都是串行连接的。AT89C51属于可编程器件，因而很难划分硬件和软件，往往在调试中即使电路安装正确没有一定的指令去指挥它工作，也是无法发现硬件的故障。因此要使用一些简单的调试程序来确定硬件的组装是否正确、功能是否完整。在本系统中采取了先对显示器调试，再对键盘调试。在PROTEUS软件环境下仿真，由于元件库中没有GPS接收模块，这里采用虚拟串口的方法对单片机传输定位数据，因此获取GPS数据成为相当重要的一个部分。设置一个串口COM3（9600，N,8,1），由其串行数据输入、输出端向单片机的RXD、TXD引脚发送定位数据15，进而由单片机控制选择显示输出或通过74LS373锁存在存储器6116中。利用VSPM虚拟串口软件在CLIENT模式下新建一个虚拟串口COM3,与仿真器中的串口一致，之后在SERVER模式下新建一个虚拟串口COM2，使两个虚拟串口的地址及端口对应，从而建立TCP/IP连接；同时，在计算机的超级终端新建连接，选择连接时使用的串口COM2，设置串口状态（包括波特率、数据位数、奇偶校验方式、停止位等参数）与虚拟串口COM2一致，建立通信连接，从控制台发送的卫星定位信息即可传送到仿真器的串口，利用简单的LCD显示程序可成功看到仿真结果。总体仿真图见附录二。结束语GPS是当今世界应用最广泛的导航定位系统，无论在车载导航系统还是在手持式导航设备，特别是在PDA、MP4、高端手机等电子产品中，用高速处理器和强大的多媒体功能来实现卫星导航，具有其广阔的发展空间16。本设计研究了基于单片机的GPS定位系统硬件电路的设计原理与实现方法，完成了具有基本定位功能的低成本GPS设备的硬件开发。文章详细描述了AT89C51与液晶显示模块、GPS接收机、外部按键等硬件接口电路的设计；同时考虑