终稿基于单片机GPS导航设计及LCD实时显示

1廊 坊 师 范 学 院 成人教育本科毕业论文（设计）题 目：基于单片机 GPS 导航设计及 LCD 实时显示学生姓名：韩晔学 号：2013106005指导教师：甄景涛院别（函授站）：继续教育学院专 业：电子信息科学与技术年 级： 2013 级完成日期 2015 年 5 月 30 日2廊坊师范学院本科生毕业论文论文题目：基于单片机 GPS 导航设计及 LCD 实时显示论文摘要：GPS 导航广泛应用于现实生活中，成为人类日常生活不可或缺的一部分。它的功能是实现对目标物体的定位、监测。不难发现，越来越多的汽车、手机等具备了 GPS 功能，我们也切实感受到其为我们生活带来的便捷。基于这样的现状及 GPS 广阔的应用前景，单片机 GPS 导航设计以及实时显示是个值得研究的课题。本论文从硬件、软件两部分进行对如何利用单片机、GPS 接收模块、LCD12864 液晶显示模块等器件来实现 GPS 导航功能的分析， MCS51 系列单片机与 GPS 接收模块串行通信的实现这一部分根据了硬件特点进行阐述， GPS 模块数据输出基本原理是本设计的基础，利用 C 语言对接收到的数据进行提取。最终设计成具备携带方便、精度精准、应用广泛、全天实时显示特点的小型机器设备。关键词： GPS 导航；单片机；GPS 接收模块；LCD12864 液晶显示模块3目 录1.GPS 系统介绍.41.1 GPS 定位系统背景和发展 .41.2 GPS 定位系统功能和意义 .41.3 GPS 定位系统基本原理 .41.4 本设计主要内容 .52.系统硬件部分设计 .52.1 系统硬件电路总体结构图 .52.2 单片机 .62.2.1 总体构成和特点 .62.2.2 引脚及其功能 .62.2.3 主要特性 .72.2.4 时钟与复位 .72.3GPS 接收模块 .92.4LCD12864 液晶显示模块 .112.4.1 12864 液晶显示模块概述 .122.4.2 12864 特性 .122.4.3 12864 接口说明 .123.系统软件部分设计 .133.2.1 液晶显示模块初始化模块 .163.4.2 GPS 数据接收模块 .174.系统调试以及试验结果 .185.总结 .22附录 .2541.GPS 系统介绍1.1 GPS 定位系统背景和发展1958 年，美国因军用需求而诞生了具有开创意义的高新技术GPS，并在 1964 年正式投入使用。第一代 GPS 对民用有限制，第二代 GPS 解除了对民用的限制，真正开始普罗大众。1978 年第一颗 GPS 试验卫星的入轨运行，标志着无线电导航定位的动态已知点为导航卫星。GPS 卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息资源。伴随经济的迅猛发展，人们对便捷舒适生活的要求越来越高。GPS 导航的特点恰恰迎合人们的需求，精准、实时、快速、广泛的优点逐渐使其占领了市场，在众多领域发挥着不可替代的作用。展望未来，我国将越来越重视关于 GPS 产品的开发和推广，这也将推动其他相关产业的迅猛发展，相信科技的力量将为我国经济发展带来深远的影响。1.2 GPS 定位系统功能和意义GPS 定位系统通过太空卫星、地面控制系统、用户设备这三部分来实现对目标物体的定位、监测，并通过显示器为人类应用。它的广泛普及解决了生活中的实际问题，比如说 GPS导航在汽车方面的应用。近几十年，经济速度的增长可谓是突飞猛进，人们生活质量也在一步步提升中，不少家庭购置了汽车。然而，在享受生活的同时，也感受到了有些道路远远承受不了现有的机动车拥有量。确实，道路的修建速度并没有追上机动车的增长速度，造成了交通拥挤、环境恶化。许多城市亟待解决道路状况相对滞后的局面，智能交通系统（ITS）应运而生，有效的改变解决了道路交通难题。GPS 在车辆定位上的应用是 ITS 的基础环节。比如说，人们驾驶汽车，需要知道到达目的地的路线及其周边的环境，借助电子地图等手段，就可以为人类依据道路实际情况，提供适合的路线，为司机节省了时间，油耗提高了效率，避免了选择的盲目性，利用定位系统解决了交通实际难题，达到改善交通状况的目的。GPS定位系统已经成为现实生活中不可或缺的一部分。1.3 GPS 定位系统基本原理空间卫星、地面控制系统、用户接收设备三部分构成了 GPS 定位系统。24 颗运行卫星分布在六轨道平面，它是以 55 度倾角分布，使得地球任意位置任何时刻都可以接收到六颗卫星信息，不断运行的卫星在不同地点不间断地为人类发布位置信息。地面控制部分主要有主控站、地面行链天线、五个监测站和通讯辅助系统。主控站负责管理和协调整个地面监控5系统的工作，监控站主要任务是为主控站提供卫星观测数据，用 GPS 接收机对视界内每颗卫星进行连续观测，所有观测数据连同气象数据传送到主控站。主控站通过地面上行链天线设施对卫星进行指挥和控制，以及向卫星上行加载导航电文和其他数据。用户接收设备显而易见是用以接收卫星发出的信号。GPS 系统的基本定位原理是：时刻运动的每颗空间卫星不断发布时间和位置的信号，用户接收设备用以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，已知信号的传输速度，那么计算出接收机到不同卫星的距离就显而易见了。在四颗卫星的数据同时被收集到的时候，就可以算出三维坐标和时间。1.4 本设计主要内容基于 51 单片机的 GPS 导航设计是在单片机的基础上进行拓展和加深，然后选择型号和性能合适的 51 单片机对 GPS 接收模块接收到的数据进行处理，利用 LCD12864 液晶显示装置进行显示，这就是此次设计的基本原理。本次设计软硬件结合，GPS 接收模块的性能特点是我们首先要学习和掌握的，基于对接收模块性能的了解，我们要利用所学过的单片机编程和应用的相关知识对接收模块里面采集的卫星定位信息进行计算和提取，最终将需要的信息显示在准备好的 LED 显示屏上。2.系统硬件部分设计2.1 系统硬件电路总体结构图基于单片机的 GPS 定位及实时显示系统在硬件上由单片机、GPS 接收模块、12864 液晶显示模块组成。经过比较和分析，本实验决定选用 MCS-51 单片机和 HOLUX GR-87 作为单片机和接收模块。现设计总体框图如下：图 2-1 硬件电路总体结构框图62.2 单片机2.2.1 总体构成和特点单片微型计算机简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器 CPU、随机存储器RAM、程序存储器 ROM 或 EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串行和并行 I/O 接口等部件。目前 MCS-51 单片机在实际应用中最为广泛。它的组成结构包括运算器、控制器、片内存储器、4 个 I/O 接口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。51 单片机的结构简单、小巧、性价比高、可靠性高、功耗小的特点使其广泛应用。2.2.2 引脚及其功能MCS-51 系列单片机芯片上面均有四十条引脚，HMOS 工艺制造的芯片的封装方式为双列直插封装，其引脚示意图及功能介绍如下：图 2-2 MCS-51 单片机引脚图各引脚功能说明如下：1.主电源引脚Vcc（40 脚）：接+5V 电源正端。Vss（20 脚)：接+5V 电源地端。2.外接晶体引脚1）XTAL1（19 脚）：反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。2）XTAL2（18 脚）：反向放大器的输出端，这个放大器构成了片内振荡器。3.输入/输出引脚四个 8 位并行 I/O 端口P0.0 至 P0.7：P0 口 8 位双向口线。 P1.0 至 P1.7 ：P1 口 8 位双向口线。 P2.0 至 P2.7 ：P2 口 8 位双向口线。 P3.0 至 P3.7 ：P3 口 8 位双向口线。74.控制线1）ALE/PROG（30 脚）：地址锁存有效信号的输出端。2）PSEN（29 脚）：片外程序存储器读选通信号的输出端。3）RST/ Vpd(9 脚)：该引脚为单片机上电复位或掉电保护端。4）EA/ Vpp（31 脚） ；片外程序存储器选通端。2.2.3 主要特性MCS-51 单片机主要特性见表 2-1。片内带振荡器，振荡频率 fosc 范围为1.212MHZ；可有时钟输出2 个 16 位定时器/计数器128 个字节的片内数据存储器 有一个中断控制器，可管理 6 个中断源(51 子系列 1 是 5 个中断源)、两个优先级4KB 的片内程序存储器（8031 无） 111 条指令，其中包含乘法指令和除法指令程序存储器的寻址范围为 64KB 有强的位寻址、位处理能力片外数据存储器的寻址范围为 64KB 片内采用单总线结构21 个字节专用寄存器 用单一+5V 电源4 个 8 位并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3 1 个 8 位的微处理器 CPU1 个全双工串行 I/O 接口，可多机通信表 2-1 MCS-51 单片机主要特性表2.2.4 时钟与复位MCS-51 单片机芯片内部设有一个反相放大器所构成的振荡器，XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。内部时钟电路如图 2-3（a）所示。如果在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，那么内部振荡电路上就会产生自激震荡。定时元件通常是用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率可以在 1.2-12MHz 之间选择，通常选择为 6MHz，C1、C2 电容值取 530pF，电容的大小可以起频率微调的作用。外部时钟电路如图 2-3（b）所示，XTAL1 接地，XTAL2 接外部振荡器，对外部振荡器信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度，一般频率为低于 12MHz 的方波信号。8图 2-3 MCS-51 单片机芯片内、外时钟电路单片机复位是使 CPU 和系统中的其他的功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。必须满足复位条件时才可以开始复位，即必须使 RST/ Vpd 或 RST 引脚（9）加上持续两个机器周期（24 个震荡周期）的高电平。复位后内部各专用寄存器状态见表 2-2。 PC 0000H TMOD 00HACC 00H TCON 00HB 00H TH0 00HPSW 00H TL0 00HSP 07H TH1 00HDPTR 0000H TL1 00HP0-P3 FFH SCON 00HIP *00000B SBUF 不定IE 0*00000B PCON 0*0000表 2-2 复位后内部各专用寄存器状态整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。2.3GPS 接收模块接收机的关键之处就是在于 GPS 接收模块的选择，现在市场上的接收模块种类很多，大体的组成结构是相似的。主要由 CPU、低噪声下变频器、储存器、并行信号通道等组成。本次使用的是 HOLUX GR-87 接收模块。9GPS 接收模块通过它的接收天线获取卫星信号，经过变换、放大和处理等一系列处理，来测定出 GPS 信号在卫星到接收天线之间的传播时间，翻译出 GPS 卫星所发送的导航电文，实时的计算出接收天线的三维坐标。用户通过输入输出接口，和 GPS 接收模块实现信息交换，实现功能。GPS 接收模块内部结构如图 2-4 所示。图 2-4 GPS 接收模块内部结构HOLUX GR-87是美国瑟孚公司设计的一款具有高效率、耗电少的特点的卫星接收模块，采用SiRF公司设计的第三代高灵敏度芯片starSTAR III，内建ARM7TDMI CPU 可符合客制需求，符合严格的专业需要。它主要性能指标如表2-3：输入方式 NMEA,SiRF二进制工作温度 操作温度： -40 到+85存放温度： -45 到+100定位精度 10m定位时间 0.1S启动时间 冷启动 45秒, 温启动 38秒,热启动 8秒10工作电压 3.3V-5.5VDC 尺寸 25.4 25.4 7mm表2-3 HOLUX GR-87主要性能指标特点： 1、能够有效地快速追踪定位二十颗卫星。2、尺寸小巧。3、芯片内置二十万个卫星追踪运算器，大幅提升搜寻及运算卫星信号的能力。4、内建RTCM SC-104