初稿基于单片机GPS导航设计及LCD实时显示

基于单片机的 GPS 设计I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II摘 要本设计详细介绍了一种基于单片机、GPS 接收模块、1602 液晶屏等器件的 GPS 实时显示功能的实现。分别从硬件和软件实现等方面对设计作了详细的阐述，并且结合硬件的特点研究了 MCS51 系列单片机如何与 GPS 接收模块实现串行通信，该系统是根据 GPS 模块数据输出基本原理设计而成的。是一台体积小巧、携带方便、可以独立使用的全天候实时的定位导航设备。关键词：单片机；GPS；1602 液晶屏；串行通信；基于单片机的 GPS 设计IIIABSTRACTThe desingn of GPS(Global Positioning System )portable receiver is introduced in detail.The receiver has been realized on the basis of MCU,GPS receiver and 1602LCD screen etc.The system is discussed in two aspects,software and hardware.It is widely used in traveling,navigations,land surveys,prospecting and many other fields.And it is designed based on principles of GPS ,which is small bulk,easy to take and can be independently used. KEY WORDS: GPS(Global Positioning System )；MCU51；1602LCD screenIV目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 引 言 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 总体方案的设计 .2第 2 章 GPS 全球定位系统介绍与接收 GPS 定位信号方案 .32.1 GPS 全球定位系统及 GPS 接收模块的研究 .32.1.1 GPS 全球定位系统 .32.1.2 GPS 接收模块的研究 .62.2 接收 GPS 定位信号方案 .7第 3 章 基于单片机的 GPS 硬件设计 .83.1 基于单片机的 GPS 硬件总体结构 .83.2 基于单片机的 GPS 设计硬件部分介绍 .83.2.1 AT89S51 微处理器主要性能 .83.2.2 SERF GS1100 GPS 信号接收模块介绍 .103.2.3 1602 液晶显示模块介绍 .113.2.4 电平转换电路介绍 .133.2.5 电源 .133.3 基于单片机的 GPS 硬件连接介绍 .13第 4 章 基于单片机的 GPS 软件设计 .144.1 GPS NAEA 0183 数据格式介绍 .144.2 基于单片机的 GPS 软件开发环境 .154.2.1 程序编译环境Keil uVision2 .154.2.2 串口通信调试工具COMPort Debuger V2.00 .164.2.3 单片机程序编程软件SLISPV1.3.2 .164.2.4 GPS 接收模块调试软件 uNav Analyzer.174.3 基于单片机的 GPS 软件设计思路 .194.4 各模块软件设计 .204.4.1 串口初始化模块 .204.4.2 液晶模块初始化模块 .204.4.3 数据接收模块 .21基于单片机的 GPS 设计V4.4.4 数据格式调整送显模块 .23第五章 设计过程中出现的问题及解决办法 .275.1 液晶屏无显示 .275.2 GPS 模块送出数据单片机 不能接收 .27第六章 总结 .28致 谢 .29参考文献 .30附 录 .31潘越：基于单片机的 GPS 设计1第 1 章 引 言1.1 课题的背景及意义1978 年 2 月 22 日第一颗 GPS 试验卫星的入轨运行，开创了以导航卫星为动态已知点的无线电导航定位的新时代。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。陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收机，就可以全天时、全天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数和三维状态参数。其用途之广，影响之大，是任何其他无线电接收设备望尘莫及的。不仅如此，GPS 卫星的入轨运行，还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度、全天时、全天候的测量新技术。纵观现状，GPS 技术有下述用途。1.GPS 技术的陆地应用各种车辆的行驶状态监控；旅游者或旅游车的景点导游；应急车辆（如公安、急救车等）的快速引导行驶；高精度时间比对和频率控制；大气物理观测；地球物理资源勘探；工程建设的施工放样测量；大型建筑和煤气田的沉降检测；板内运动状态和地壳形变测量；陆地以及海洋大地测量基准的测定；工程、区域、国家等各种类型大地测量控制网的测量和建设；请求救援在途实时报告；引导盲人行走；平整路面的实时监控，精细农业。2.GPS 技术的海洋应用远洋船舶的最佳航线测定；远洋船队在途中航行的实时调度和监测；内河船只的实时调度和自主导航测量；海洋救援的搜索和定点测量；远洋渔船的结队航行和作业调度；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测；海底管道铺设测量；海岸地球物理勘探；水文测量；海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；船运货物失窃报警；净化海洋（如海洋溢油的跟踪报告） ；海洋纠纷或海损事故的定点测定；浮筒抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位；港口交通管制；海洋灾难检测。3.GPS 技术的航空应用民航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油控制；飞机编队飞行的四川理工学院本科毕业（设计）论文2安全保护；航空援救的搜索和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定测量；摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量。4GPS 技术的航天应用低轨道通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载入航天器的在轨防护探测；星载 GPS 的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。由此可见 GPS 技术已经延伸到各个领域的方方面面，但是要完成以上所述的各种用途，最基本的就是要具备能够接收 GPS 信号并且能够调制输出的设备，而设备最基本的功能就是能显示当时所处地点的经纬度以及 UTC 标准时间。现在世面上已经有许多基于 GPS 接收模块所开发的产品，GPS 手持机、车载 GPS 导航仪等等，虽然其功能强大，如车载 GPS 导航系统都带有大比例尺地图，但价格都比较昂贵，而且对于普通应用完全没有必要。所以基于这种情况本次设计针对普通用户使用 GPS 的切实需要，设计并制作实现了基于单片机采集与显示 GPS 定位信息的低成本手持 GPS 设备。 1.2 总体方案的设计该手持 GPS 设备硬件主要由 GPS 信号接收部分（SERF GS1100 GPS 信号接收模块） 、控制芯片（AT89S51 单片机） 、显示部分（1602LCM 液晶显示模块） 、电平转换电路（MAX232）构成。GPS 接收模块将收到的 GPS 卫星导航电文调制解码，转换为标准格式后送到电平转换电路再由 MAX232 芯片进行 RS-232TTL 的电平转换，再送给单片机串口接收，当单片机收到 GPS 发送过来的导航电文后，经过片内程序的识别筛选，将筛选出来的导航电文送到显示模块，并且最后通过液晶显示器按照要求的编排格式所显示。潘越：基于单片机的 GPS 设计3第 2 章 GPS 全球定位系统介绍与接收 GPS 定位信号方案2.1 GPS 全球定位系统及 GPS 接收模块的研究2.1.1 GPS 全球定位系统全球定位系统(GPS)是本世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由 24 颗卫星组成，分布在 6 个道平面上；(3)用户装置部分， 主要由 GPS 接收机和卫星天线组成。其系统的结构框图如图 21 所示。GPS星座GPS 信号接收机地面监控系统注入信号GPS 信号GPS 信号图 21 由三大部分构成的 GPS 卫星全球定位系统1978 年 2 月 22 日，第一颗 GPS 试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始。1989 年 2 月 14 日，第一颗 GPS 工作卫星的发射成功，宣告 GPS 系统进入了生产作业阶四川理工学院本科毕业（设计）论文4段。GPS 系统经过 16 年来的发射试验卫星，到开发 GPS 信号应用，进而发射工作卫星，终于在 1994 年 3 月建成了信号覆盖律达到了 98的 GPS 工作星座它由 9 颗 Block2 卫星和 15 颗 Block2A 卫星组成。1985 年 11 月以前发射的 11 颗 Block1 GPS 试验卫星已经完成了它们的历史使命，于 1993 年 12 月 31 日全部停止了工作。图 22 Block/R 卫星潘越：基于单片机的 GPS 设计5全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。24 颗 GPS 卫星在离地面 2 万公里的高空上，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。图 23 GPS 卫星工作星座图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。 事实上，接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在