基于单片机的简易GPS定位信息显示系统的设计.doc

XX 学院毕业设计 论文 1 基于单片机的简易基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计定位信息显示系统设计 摘摘 要要 GPS 是 Global Positioning System 的缩写 即全球定位系统 其目的是在全球范围 内对地面和空中目标进行准确定位和监测 本设计是基于 AT89C51 单片机来实现的简易 GPS 定位信息显示系统 本控制系 统主要完成接受数据 时间显示 经度显示 纬度显示等常规功能 单片机与 OEM 板 采用串口通信 由单片机接受 GPS 信息 对其解码 再通过 LED 显示信息 GPS 的 信息显示是轮流显示时间 经度 纬度的 本文介绍使用 GARMIN 公司的 GPS25 LVS 系列 OEM Original Equipment Manufacturer 接收板及单片机实现实时时间 经纬度等综合信息显示的设计方法 通过 对 GPS OEM 板和 LED 显示模块的研究 设计了 GPS 定位信息的采集与显示系统 重 点介绍了利用单片机 89C51 对 GPS OEM 板的控制来实现定位数据的采集与传送 以 及将定位数据传送至液晶模块进行显示的过程 实践证明 该系统显示的时间非常精 确 定位精度高 能满足一般应用项目的使用 具有一定的实用价值 关键词 单片机 数据采集 定位信息 GPS OEM 板 LED 显示 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 2 Abstract GPS is the acronym for Global Positioning System the Global Positioning System Its purpose is on a global scale aerial targets on the ground and accurate positioning and monitoring The design is based on the AT89C51 microcontroller to achieve the simple GPS positioning information display system The main control system completed accept data show time longitude latitude and other conventional features SCM and OEM board serial communication links used by the microcontroller to accept GPS information decode it and then through the LED display information GPS information is displayed cycle time longitude and latitude This paper describes the use of GARMIN s GPS25 LVS series of OEM Original Equipment Manufacturer receiving board and SCM implementation the time latitude and longitude of real time and other comprehensive information shows that the design method Through studying on GPS OEM board and LED display module the collection and display system of GPS s information are designed By using single chip computer 89C51 the GPS OEM board is controlled thus the collection and transmission of the orientation data are realized The orientation data are delivered to LED model for display The practice proves that the time displayed by the system is very accurate and the precision of orientation is high The system satisfies the usage of the general application and certainly offers p ractical value Keywords Single Chip Data Acquiring Orientation information GPS OEM board LED display XX 学院毕业设计 论文 3 目目 录录 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 1 摘 要 1 ABSTRACT 2 目 录 3 插图清单 5 插表清单 6 引 言 1 第 1 章 GPS 简介及基本理论 3 1 1 关于 GPS 的概述 3 1 2 GPS 的组成 4 1 3 GPS 信号结构 7 第 2 章 硬件电路设计 8 2 1 单片机最小系统介绍 8 2 1 1 AT89C51 引脚介绍 8 2 1 2 复位电路 10 2 1 3 时钟电路 11 2 2 显示电路 11 2 2 1 LED 显示器结构 11 2 2 2 LED 显示器工作原理 12 2 2 3 LED 显示器驱动电路 12 2 3 控制系统的硬件原理 13 2 3 1 GPS25 LVS 系列 OEM 接收板硬件接口 13 2 3 2 单片机控制系统的硬件电路原理 14 第 3 章 软件部分设计 14 3 1 GPS25 LVS 的信息输出格式 14 3 2 单片机的信息接收处理 15 3 3 主程序设计 16 第 4 章 调试 21 结论与展望 22 致 谢 23 参考文献 24 附录 A 总图 26 附录 B 外文文献及译文 27 附录 C 主要参考文献及摘要 33 附录 D 部分源程序 35 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 4 插图清单插图清单 图 1 3 GPS信号的产生 5 图 1 2 GPS接收机基本结构 6 图 1 3 GPS 信号的产生 7 图 1 4 GPS信号构成图 7 图 2 1 硬件电路框图 8 图 2 2 89C51 引脚图 9 图 2 3 复位电路的设计 11 图 2 4 时钟电路的设计 11 图 2 5 LED 显示器管脚图 12 图 2 6 LED 驱动电 路 13 图 2 7 GPS25 LVS 板引脚接口功 15 图 3 1 串口中 断程序流程图 17 图 3 2 主程序 流程 18 图 3 3 时差修 正部分程序流程图 20 XX 学院毕业设计 论文 5 插表清单插表清单 表2 1 复位后寄存器状态 6 XX 学院毕业设计 论文 1 引引 言言 GPS卫星导航全球定位系统问世以来 在导航 定位领域发展势头迅猛 引起世 界各界人士的关注 具备高精度 全天候 全球覆盖 高效率 多功能 操作简便等 特点 广泛应用于地面车辆跟踪和城市智能交通管理方面 车载GPS系统配合电子地 图 适时掌握自己的方位与目的地 对锁定目标进行跟踪 监控 从而达到防御 求 援之目的 满足对机动车辆的指挥 调度 管理 监控 导航 通讯等需求 改变了 人们的工作方式 提高了工作效率 带来了巨大的社会效益和经济效益 随着人们对 运输载体的监控 跟踪以及智能化管理要求的提高 GPS在中国即将进入爆发性发展 阶段 蕴藏着巨大的发展空间 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 GPS系统通过使用来自多个卫星的信号来确 定地面或近地面任何位置的移动接收机的位置 我国的卫星定位技术综合了GPS卫星 导航全球定位 GSM全球数字蜂窝移动通信 GIS地理信息 计算机网络技术全方位的 技术应用 利用GPS卫星信号接收机 跟踪这些卫星的运行 对所接收到的GPS信号进 行变换 放大和处理 测量传播时间 解译导航电文 接收机24h不间断地接收卫星发 送的数据参数 算出接收的三维位置 三维方向以及运动速度和时间信息 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一 其全球性 全能性 全天候性的导航定位 定时 测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛 的应用 在发达国家 GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中 目前 GPS 技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步 相信随着我国经济的发展 高 等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入 其在道路工程中的应用也会更 加广泛和深入 并发挥更大的作用 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 2 XX 学院毕业设计 论文 3 第第 1 章章 GPS 简介及基本理论简介及基本理论 1 1 关于关于 GPS 的概述的概述 GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System的字 头缩写词 NAVSTAR GPS 的简称 它的含义是 利用卫星的测时和测距进行导航 以构成全球卫星定位系统 现在国际上已经公认 将这一全球定位系统简称 GPS 自古以来 人类就致力于定位和导航的研究工作 1957年10月世界上第一颗卫 星发射成功之后 利用卫星惊醒定位和导航的研究工作提到了议事日程 1958年底 美国海军武器试验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务 的卫星系统 即海军导航卫星系统 Navy Navigation Satellite System NNSS 这个系统中 卫星的轨道通过地极 所以又称为子午仪卫星导航系统 Transit 1964年1月用于北极星核潜艇的导航定位研究成功 并逐步用于各种军舰的导航定 位 1967年7月 经美国政府批准 对其广播星历解密 并提供民用 为远洋船舶 导航和海上定位服务 由此显示出了卫星定位的巨大潜力 尽管子午仪卫星导航系 统已得到广泛应用 并显示出巨大的优越性 但是 这系统再实际应用方面却存在 十分严重的缺陷 改系统是由5 6个卫星组成的导航网 卫星运行高度较低 平均 约1000km 运行周期为107分钟 对同一个卫星每天通过次数最多为13次 由于 采用多普勒定位原理 一台接收机一般需要观测15次合格的卫星通过 才能达到 10M的单点定位精度 再全球范围内 它给出的定位信息只能是全天候的连续二 维坐标 经度和纬度 不能给出高程 这种系统 一方面由于所需的观测时间较 长 不能给用户 尤其是高动态用户 如 飞机 车辆等 提供实时和导航服务 另一方面 由于卫星导航较低 受大气影响严重 定位精度的提高受到限制 因而 限制了高动态用户和高精度用户的使用 对舰船而言 利用这个系统只能对惯性导 航系统和其他无限电导航系统进行连续的精确修正 它的作用远不能满足全球实时 定位的要求 1 鉴于子午仪卫星导航系统对潜艇和对水面船舶导航的可靠服务以及该系统存在 的缺陷 美国于60年代末着手研究新的卫星导航系统 以满足海陆空三军和民用不 盟对导航越来越高的要求 为此 美国海军提出了名为 Timation 的计划 该计 划采用12 18颗卫星组成的全球定位网 卫星高度约10000Km 轨道呈圆形 周期 为八小时 并与1967年5约31日和1969年9约30日分别发射了timation 1和Timation 2 两颗试验卫星 与此同时 美国空军提出了名为 621 B 计划 它采用3 4个星 群覆盖全球 每个星群由4 5颗卫星组成 中间一颗采用同步定点轨道 其余几颗 采用周期为24小时倾斜轨道 这两种计划的目标一致 即建立全球定位系统 但两 个计划的实施方案和内容不同 各有优缺点 考虑到两个计划的各自优缺点以及美 国难于同时负担研制两套系统的庞大经费开支 1973年美国代理国防部长批准成立 一个联合计划局 并在洛杉矶空军航天处内设立办事机构 在联合计划局的领导下 诞生了GPS方案 这个方案是由24颗卫星组成的实用系统 这些卫星分布在互成 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 4 120 的三个轨道平面杉 每个轨道平面平均分布8颗卫星 这样 对于地球任何位 置 均能同时观测到6 9颗卫星 预计粗码定位经度为100m左右 精码定位经度 为10m左右 1978年 由于压缩国防预算 减少了对GPS计划的拨款 于是将实用 系统的卫星数由24颗减为18颗 并调整了卫星配置 18颗卫星分布在互成60 的6 个轨道面上 轨道倾角为55 每个轨道面上布设3颗卫星 彼此相距120 从一个 轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星之间错过40 这样的卫星配置即使全部卫星正 常工作 其平均可靠度仅为0 9969 2 如果卫星发生故障 将使可靠性大大降低 因此1990年初又对卫星配置进行了第三次修改 最终的GPS方案是由21颗工作卫星 和三颗在轨备用卫星 卫星的轨道参数基本上与第二方案相同 只是为了减少微型漂移 降低对所需轨道 位置保持的要求 为卫星的高度提高了49km 即长半轴由26650km提高到了 26609km 这样 由每年调整一次卫星位置改为每七年调整一次 GPS实施计划共分为三个阶段 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 从硬件和软件上进行了试验 试验结果令人满意 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颗式样卫星 这一阶段称之为Block I 与此同时 研制了各种用途的接收机 主要是导航型接收 机 同时测地型接收机也相继问世 试验表明 GPS的定位经度远远超过设计标准 利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级 达到14m 由此证明 GPS计划是成 功的 第三阶段为使用组网阶段 1989年2月4日第一柯GPS工作卫星发射成功 宣告了 GPS系统进入工程建设极端 这种工作卫星称为BlockII和BlockIIA卫星 1 2 GPS 的组成的组成 GPS 包括下列三大部分 GPS 卫星 空间部分 地面支撑系统 地面监控部分 GPS 接收机 用户部分 1 GPS 卫星 自 1978 年 2 月 22 日发射第一颗 GPS 试验卫星以后 到 1985 年 10 月 9 日发射最后一颗 GPS 试验卫星 共有 11 颗试验卫星在轨道上运行 这些试验卫星称 为 blockI 卫星 现在只有四颗卫星仍在工作 试验卫星是在加利福尼亚的范登堡空军 基地采用 AtlasF 火箭发射入轨的 运行轨道呈近似圆形 长半轴 26560km 倾角为 64 度 轨道高度约 20000km 3 这些卫星只分布在 A C 两个轨道平面那 其目的是为了 保证亚利桑那州的 Yama 试验基地能够获得最长的连续观测时间 每颗卫星按下列方 式编号 a 顺序编号按照 GPS 试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号 b 根据 GPS 试验卫星发射时间的伪随机噪声码 PRN 码 对卫星进行编号 在导航定位 中 采用 PRN 编号 这一规则一直沿用至今 c IRON 编号 IRON 伪 Inter Range Operation Number 的缩写 意思是内部距离操作码 IRON 编号是美国和加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号 以此识别所选择 的目标 XX 学院毕业设计 论文 5 d NASN 编号 这是美国航天局在其文件中给 GPS 试验卫星的编号 e 国际识别号 他的第一部分表示该卫星的发射年代 第二部分表示该发射卫星的序 列号 字母 A 表示发射的有效负荷 2 地面支撑系统 在导航定位中 采用的是卫星后方交会原理 因此必须首先知道卫星的位置 而 位置是由卫星星历计算出来的 地面支撑系统的功能就是观测卫星并计算其星历 编 辑电文注入卫星 然后由卫星以广播星历的方式实时地传送给用户 地面支撑系统包括 1 个主控站 3 个注入站和 5 个监测站 如图 数据处理机 接收机 调制解 调机 铯锌气象传感器 观测星历 与时钟 计算 误差 编算注入 导航电文 调制解调器 数据处 理机 指令发 生器 高功率 放大器 数据存储器与外部设备 监测站 主控站 注入站 图 1 1 地面监控系统方框图 3 用户接收机 自从GPS全部建成以后 它将昼夜不停地发送导航定位信息 在地球地任何地方和任 何时间实现实时定位 这其中最终要地关键设备就是用户接收机 近十几年 世界各 国地企业公司和研所单位都相继研制各种类型地接收机 据1998年1月出版地 GPS WORLD 统计 已有60多家企业生产出400多种型号地GPS接收机 GPS接收机可以按照不同要求进行分类 如按编码信息分类 按接受地数据分类 按接收机通道分类 按照动态性能分类 按用途分类 按工作模式分类等 但总起来 说 可分为两大类 导航型和测地型 导航型接收机结构简单 体积小 耗电省 精 度低 价钱便宜 一般采用单频C A码伪距接受技术 定位经度为100m 用于航空 航海和陆地实时导航中 现在发展地差分GPS技术 能使定位精度提高到1 3米 大大 拓宽了应用范围 有极少数接收机采用P码接受技术 使单点定位精度达到10m 这种 接收机专为军用 4 GPS接收机地种类虽然很多 但它的结构基本一致 分为天线单元和接受单元两大 部分 如图 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 6 前置放大器 频率变换器 标 频 器 频率 合成 器 信 号 通 道 存储器 电源 微处 理机 显控器 数控 接口 PC机 接受单元 天线单元 图 1 2 GPS接收机基本结构 1 天线单元 它是由接受天线和前置放大器组成 GPS 接收机天线有 定向天线 偶极 子天线 微带天线 螺旋天线等 对天线地性能要求是 高增益 低噪声系数 大的 动态范围 由于高性能场效应 FET 放大器地出现 现在多采用有源微带天线 5 2 接收单元 a 通道单元 它的主要功能是接收来自天线单元的信号 经过变频 放大 滤波等一 系列处理过程 实现对 GPS 信号的跟踪 锁定 测量 提供计算位置的数据信息 根 据不同需要 可设计成 6 12 通道 通道是由硬件和软件组成 每个通道在某一时可跟 踪一颗卫星 当此卫星锁定后 便占据这一通道 直到此卫星信号失锁为止 由于科 学技术的反战 并行多通道接收机已经称为主趋势 双通道和多路复用的接收机已经 被淘汰 在相关型接收机中 码延迟锁定环和载波相位锁定环是重要的部件 6 1 码延迟锁定环 DLL 是将本地伪随机码与卫星的伪随机码对齐 实现卫星的根 中 锁定 识别和伪距测量 2 载波相位锁定环 PLL 是利用本机的 COSTAS 环 将其载波相位与卫星载波相位 锁定 藉以解调出导航电文 并进行载波相位测量 b 计算和显示单元它的功能是 1 工作开始的自检 2 根据采集到的卫星星历 伪距观测量计算三维坐标和速度 3 人机对话 按照输入航路点进行导航 输入卫星高度截止角 历元间隔 数据 更新率 控制屏幕显示以及其他指令 7 c 存储单元用于存储输入的各种数据 例如 初始化时间和坐标 导航点 星历 原 始观测量等 8 d 电源 机内装有专用锂电池 3v 专供接收机的时钟和 RAM 存储器保存星历和初始化 数据用的 保证在关机时存储数据 外接镉镍蓄电池向接收机供电 12v 在使用 OEM 芯片时 通常需要 TTL 电平 5v XX 学院毕业设计 论文 7 1 3 GPS 信号结构信号结构 GPS卫星信号包括三种信号分量 载波 测距码和数据码 时钟频率 f0 10 23MH 利用频率综合器产生所需要的频率 GPS信号的产生过程如图 基本频率f0 10 23MHz L1 1575 42MHz C A码 1 023MHz P码 10 23MHz L2 1227 6MHz P码 10 23MHz 50BPS数据码 导航电文 或D码 154 120 10 图 1 3 GPS信号的产生 GPS 工作所需的信号按如下图的方式进行合成 然后向全球发射 形成现在随时 随地都能接收到信号 9 对用户而言 最感兴趣的是测距码和数据流 导航电文 L1载波 BK 90 J C A码 电文 P码 L2载波 振荡器 A G F C D L H 模2相加混频器 相加器 图 1 4 GPS信号构成图 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 8 第第 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 本设计采用的硬件主要包括 本文介绍使用 GARMIN 公司的 GPS25 LVS 系列 OEM Original Equipment Manufacturer AT89C51 芯片 LED 显示模块 操作按键以 及电源部分 其中 89C51 芯片是系统中心控制单元 它具有全双工异步通信口 可 与 OEM 板接口进行数据读取 处理和输出 OEM 板与单片机进行串口通信时 由于 都采用 TTL 电平 故两者之间不需进行电平转换就可直接通信 单片机在获得定位信 息后 就可通过操作按键将定位信息显示在液晶显示模块上 其硬件电路框图如图所 示 电源显示模块 键盘 TXD1 RXD1 TXD RXD GNDGND INT0 OEM板AT89C51 图 2 1 硬件电路框图 2 1 GPS 内部最小系统介绍内部最小系统介绍 2 1 1 所用单片机引脚介绍 本次设计所用主要芯片是 89C51 现对各组成部分的情况介绍如下 中央处理器 内部数据存储器 内部程序存储器 定时器 串行口 中断控制系统 及时钟电路等 等 10 信号引脚介绍 XX 学院毕业设计 论文 9 89C51 1 2 22 2120 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 T2 P1 0 T2EX P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS VCC P0 0 AD0 P0 1 AD1 P0 6 AD6 P0 5 AD5 P0 4 AD4 P0 3 AD3 P0 2 AD2 P0 7 AD7 P2 0 A8 P2 1 A9 P2 2 A10 P2 3 A11 P2 4 A12 P2 5 A13 P2 6 A14 P2 7 A15 PSEN ALE PROG EA VPP 图 2 2 89C51 引脚图 P0 口 P0 口是开漏双向口可以写为 1 使其状态为悬浮用作高阻输入 P0 也可以在 访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过 内部强上拉输出 1 P1 口 P1 口是带内部上拉的双向 I O 口向 P1 口写入 1 时 P1 口被内部上拉为高电 平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的 P1 口会因为内部上拉而输出电流 P1 口第 2 功能 T2 P1 0 定时 计数器 2 的外部计数输入 时钟输出 见可编程输出 T2EX P1 1 定时 计数器 2 重装载控制 P2 口 P2 口是带内部上拉的双向 I O 口向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为高电 平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉而输出电流 见 DC 电气特性 在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和 16 位地址 MOVX DPTR 此时通过内部强上拉传送 1 当使用 8 位寻址方式 MOV Ri 访问外部 数据存储器时 P2 口发送 P2 特殊功能寄存器的内容 P3 口 P3 口是带内部上拉的双向 I O 口向 P3 口写入 1 时 P3 口被内部上拉为高电 平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的 P3 口会因为内部上拉而输出电流 见 DC 电气特性 P3 口还具有以下特殊功能 RXD P3 0 串行输入口 TXD P3 1 串行输出口 INT0 P3 2 外部中断 0 INT1 P3 3 外部中断 T0 P3 4 定时器 0 外部输入 T1 P3 5 定时器 1 外部输入 WR P3 6 外部数据存储器写信号 RD P3 7 外部数据存储器读信号 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 10 ALE 地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况 ALE 输出信号恒定为 1 6 振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时 一个 ALE 脉冲将被忽略 ALE 可以通过置位 SFR 的 auxlilary0 禁止置位后 ALE 只能在 执行 MOVX 指令时被激活 PSEN 程序存储使能当执行外部程序存储器代码时 PSEN 每个机器周期被激活两 次在访问外部数据存储器时 PSEN 无效访问内部程序存储器时 PSEN 无效 EA 当此脚为低电平时 对 ROM 的操作限定在外部程序存储器 而它为高电平时 则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始 并可延续至外部程序存储器 XTAL1 晶体 1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入 XTAL2 晶体 2 反相振荡放大器输出 2 1 2 GPS 复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从 0000H 单元开始执行程序 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 为了摆脱困境 也需要按复位键以重新启动 11 在振荡器工作时将 RST 脚保持至少两个机器周期高电平 12 时钟模式为 24 个振荡 器周期 6 时钟模式为 12 振荡器周期可实现复位为了保证上电复位的可靠 RST 保持高 电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期复位后振荡器 以 12 时钟模式运行当已通过并行编程器设置为 6 时钟模式时除外 单片机在 RESET 为高电平控制下 程序计数器 PC 和特殊功能寄存器的复位如 表 2 1 所示 单片机的复位并不影响芯片内部 RAM 状态 只要 RESET 引脚保持高 电平 单片机将循环复位 在复位有效期间内 ALE PSEN 将输出高电平 表 2 1 复位后寄存器状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTL000H PSW00HTH000H SP07HTL100H DPTR0000HTH100H P0 P30FFHSCON00H IP 000000BSBUF不定 IE0 000000PCON0 0000 本次设计复位电路 如下图 XX 学院毕业设计 论文 11 图 2 3 复位电路的设计 2 1 3 GPS 时钟电路 时钟电路产生与单片机工作所需要的时钟信号 单片机本身就是一个复杂的同步 时序电路 为了保证同步工作方式的实现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按 时序进行工作 而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间的关系 在 51 芯片内部有一个高增益反向放大器 其输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端 引脚为 XTAL2 在芯片的外部通过这两个脚跨接晶体振荡器和微调电容 形成反馈电 路 就构成一个稳定的自激振荡器 如下图 XTAL1 XTAL2 晶 振 C1 C2 图 2 4 时钟电路的设计 内部程序存振荡晶体可在 1 2MHz 12MHz 之间选择 电容值无严格要求 但在 电容值取值对振荡频率输出的稳定性 大小 振荡电路起振速度有少许影响 CX1 CX2 可在 20pF 100pF 之间取值 但在 60pF 70pF 时振荡器有较高的频率稳定 性 本设计选取晶振为 12MHz 电容为 30pH 2 2 显示电路显示电路 2 2 1 LED 显示器结构 LED 显示器的结构及其段名如图 3 8 所示 连同小数点在内 一共是八个 LED 100P10u 5V 189C51 RESET 10k 10u 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 12 点亮适当的字段 能显示 0 9 的数字和某些字符和符号 这种显示器有两种形式 一 种是发光二极管的阴极连在一起的共阴极显示器 另一种是阳极连在一起的共阳极显 示器 七段显示器的字符形状有些失真 能显示的字符数量较少 但控制简单 使用 方便 故在数字显示和控制仪器中得到了广泛应用 a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 图 2 5 LED 显示器管脚图 2 2 2 LED 显示器工作原理 点亮显示器的方法有静态和动态两种 在设计中选用动态显示 所谓动态显示 就是轮流点亮各位显示器 该方法只需一个八位段码输出口和一个八位扫描输出口 显示位数小于八位时 后者的作用是依次接通各位 LED 动态显示需要较大的驱动 电流 故在输出口之后尚需加接驱动器 显示器的亮度既同驱动电流有关 也同点亮 时间与间隔时间的比例有关 调整电流和时间参数 可实现亮度较高且较稳定的显示 将数据或字符转换成相应的七段代码 可采用硬件译码或软件译码的方法来实现 用硬件译码电路实时性虽好 但电路复杂 成本较高 在仪器仪表中通常采用简便易 行的软件法进行译码即用软件查表将字符转换成七段代码 再输出至锁存器 设计中 就采用这种软件译码法 以减小本次设计的成本 2 2 3 LED 显示器驱动电路 LED 显示器的每一段发光二极管点亮时 通过的平均电流为 10 20mA 如此大的电 流无论是单片机的端口线 还是扩展的普通 I O 口线 都无法直接提供 所以通常段选码 端口和位选码端口都必须外加驱动器 再与 LED 块的段和位选引脚相连 本设计中采用三极管构成驱动电路 利用三极管的放大作用驱动 LED 显示 驱动电 路如图 3 10 所示 XX 学院毕业设计 论文 13 图 2 6 LED 驱动电路 2 3 控制系统的硬件原理控制系统的硬件原理 2 3 1 GPS25 LVS 系列 OEM 接收板硬件接口 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 1 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 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TXD2 RXD2 PPS TXD1 RXD1 PWR DN VAUX GND VIN VIN NC NNEA 串口数据输出2 串口数据输入2 秒脉冲输出 串口数据输出1 串口数据输入1 电源控制 备用电源输入 地 于10脚相连 电源输入 3 6VDC 6 0VDC 留用 NNEA输出 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 14 图 2 7 GPS25 LVS 板引脚接口功能 2 3 2 单片机控制系统的硬件电路原理 单片机采用 AT89C51 该芯片具有在系统下载编程功能 修改调试程序十分方便 其主要特性为 1 32KB 片内 Flash 存储器 具有在线可编程能力和保密功能 2 512B 片内 RAM 3 增强型串行通信口和串行外围接口 4 支持 C 语言 系统的电路原理如图 2 系统采用 12MHZ 晶振 串口方式 1 接收 GPS 信息 P0 口 和 P2 口用于七段共阳 LED 显示接口 可以轮流显示实时时间 纬度 经度及其它 GPS 信息数据 第第 3 章章 软件部分设计软件部分设计 3 1 GPS25 LVS 的信息输出格式的信息输出格式 GPS25 LVS 的通信波特率默认值为 4800 1 个起始位 8 个数据位 1 个停止位 无奇偶校验 通常使用 NMEA 0183 格式输出 数据代码为 ASCII 码字符 NMEA 0183 是美国海洋电子协会为 海用电子设备制定的标准格式 目前广泛使用 V2 0 版本 由于该格式为 ASCII 码字符串 比较直 观和易于处理 在许多高级语言中都可以直接进行判别 分离 以提取用户所需要的数据 13 GPS25 LVS 系列 OEM 板可输出 12 句语句 分别是 GPGGA GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG LCGLL LCVTG PGRME PGRMF PGRMT PGRMV GPGLL 不同的语句中传送不同的信息 如 GPGGA 语句中传送的格式为 GPGGA M M hh 传送的信息说明如下 GPGGA 起始引导符及语句格式说明 本句为 GPS 定位数据 UTC 时间 时时分分秒秒格式 纬度 度度分分 分分分分格式 第一位是零也将传送 纬度半球 N 或 S 北纬或南纬 经度 度度分分 分分分分格式 第一位零也将传送 经度半球 E 或 W 东经或西经 GPS 质量指示 0 方位无法使用 1 非差分 GPS 获得方位 2 差分方式获得方位 DGPS 6 估计获得 使用卫星数量 从 00 到 12 第一个零也将传送 水平精确度 0 5 到 99 9 天线离海平面的高度 9999 9 到 9999 9 米 M 指单位米 大地水准面高度 999 9 到 9999 9 米 XX 学院毕业设计 论文 15 M 指单位米 差分 GPS 数据期限 RTCM SC 104 最后设立 RTCM 传送的秒数量 如无 DGPS 为 0 差分参考基站标号 从 0000 到 1023 首位 0 也将传送 如无 DGPS 为 0 语句结束标志符 hh 从 开始的所有 ASCII 码的校验和 此项在 GPS25 LVS 板中不传送 此项在 GPS25 LVS 板中不传送 OEM 板输出的信息可在 PC 机的超级中端中显示 也可在 GARMIN 公司提供的 GPSCFG EXE 设置软件中显示 如在 PC 机上看到的实时接收 GPGGA 语句为 GPGGA 114641 3002 3232 N 12206 1157 E 1 03 12 9 53 2 M 11 6 M 4A 这是一条 GPS 定位数据信息语句 意思为 UTC 时间为 11 时 46 分 41 秒 位置在北纬 30 度 2 3232 分 东经 122 度 6 1157 分 普通 GPS 定位方式 接收到 3 颗卫星 水平精度 12 9 米 天线 离海平面高度 53 2 米 所在地离地平面高度 11 6 米 校验和为 4AH 3 2 单片机的信息接收处理单片机的信息接收处理 在单片机串口收到信息后 先判别是否为语句引导头 然后再接收信息内容 在收到 字符 ASC 码后再接收二个字节结束接收 然后根据语句标识区分出信息类 别以对收到 ASC 码进行处理显示 注意在处理北京时间时应在 UTC 时间上加上 8 小 时才是准确的北京时 在超出 24 小时时应作减 24 小时处理 14 串口中断程序的处理 流程如下图 3 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 16 比较前6个字节 信 息处理并移入现 实单元 清EF MF 标志 2次接收到 EF 1 MF 1 是 吗 是 吗 置结束接受标志EF移入内存 置允许接受标志MF 移入内存 中断返回 中断接受开始 YY N Y N Y N N Y N 图 3 1 串口中断程序流程图 3 3 主程序设计主程序设计 主程序主要包括以下几个部分 初始化 接收 GPS 数据 GPS 信息处理 超时处 理判断等 15 GPS 数据采用中断方式接收 数据处理由独立子程序完成 主要包括时 间 位置信息的提取 数据接收处理完毕后 传送到 LED 显示 超时判断时间间隔设 定与 GPS 数据更新速度匹配即可 其目的是保证 GPS 提供的位置 时闻信息与用户的 可视信息同步 主程序流程图如图 3 2 所示 XX 学院毕业设计 论文 17 初始化 标志符设定 允许串行口设定 GPS接受数据完毕 关串行口中断 数据处理 调用LED显示子程序 图 3 2 主程序流程 GPS 接收机通常采用 RS 232C RS 485 422 标准 传输速率可以设定 有 4800b s 等 数据位 8b 停止位 1b 对于 AT89C51 单片机 选择定时器 1 作为波特率发生器 波特率取决于溢出速率 波 特率计算公式如下 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 18 3 3 1 系统时钟取 11 0592MHz 则对于波特率 4800b s 定时器 1 重载值为 FAH 16 3 数据处理子程序设计 接收缓冲区存储的内容是 ASCII 码 字符 因此在处理成数据的时候要进行转换 对于时间数据 处理成压缩 BCD 格式 如对于以下的 GPZDA 信息 GPZDA 114523 18 11 2006 10 34 6E 经处理后 得到如下信息 11 H 时 45 H 分 23 H 秒 18 H 日 11 H 月 20 H 世纪 06 H 年代 10 H 时差 GPS 数据处理子程序首先将接收的时间数据转换为上述 BCD 数据 根据 GPZDA 得到 UTC 时间和本地时差后 可以修正为本地时间输出 时间修正要考虑到进位和借 位问题 在程序设计过程中闰年 大月小月需要分别处理 17 带时差修正的 GPS 信息处理流程图如图 3 所示 图中 Hour 表示 UTC 时 Min 表 示 UTC 分 Sec 表示 UTC 秒 Day 表示 UTC 日 Mon 表示 UTC 月 YearH 表示 UTC 世纪 YearL 表示 UTC 年代 D Hour 和 D Min 表示时差的时和分 XX 学院毕业设计 论文 19 BCD数据转换为十进制数据 加时差 Min Min DMin 60 C INT Min DMin 60 Min Min 60 DMin 60 C INT Min 60 DMin 60 1 Hour Hour Dhour C 24 C INT Hour Dhour C 24 Hour Hour Dhour 24 C 24 C INT Hour Dhour 24 C 24 1 Day Day CDay Day C Day DayNum Mon Day 1 Month Month 1 Day 1 Month Month 1 Day DayNum Mon Month 12 Month 0 YearL YearL 1 Month 1 YearL YearL 1 Month 12 YearL 99 YearL 1 YearH YearH 1 YearL 00 YearH YearH 1 YearL 99 END YN YY Y Y Y Y NN N N N N 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 20 图 3 3 时差修正部分程序流程图 常用 GPS 接收机输出 NMEA0183 数据有 V2 1 V2 0 和 V1 5 三种版本 其中 V2 1 版本时差修正到分钟 而 V2 0 和 V1 5 只到小时 18 为满足程序通用 在实际信 息解析时以 V2 1 为准 当接收的信息为 V2 0 和 V1 5 时 只需将上述程序中 D min 置 为 0 即可 XX 学院毕业设计 论文 21 第第 4 章章 调试调试 单片机应用系统的调试 包括硬件调试和软件调试 是一个很重要的步骤 在调 试过程中要不断地找出其中的错误 并进行现场解决 然后再重复 直至系统可以正 常运行为止 系统的硬件调试与软件调试是分不开的 许多硬件故障是在调试软件时 才被发现和纠正的 通常是先排除系统中明显的硬件故障后再和软件结合起来调试 一 硬件调试一 硬件调试 第一步 在没通电之前 先用万用表检查线路的正确性 并核对元器件的型号 规格是否符合要求 特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路 并重点检查地 址总线 数据总线 控制总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路 晶体振荡 器和电容应尽可能靠近单片机芯片安装 以减少寄生电容 更好是保证振荡器稳定和 可靠地工作 在本系统中我们都进行了仔细的检查 所以此步骤不会发生故障 这一 步如果检查不细通电后可能会造成不可想象的后果 所以这一步也至关重要 第二步 通电后检查各器件引脚的电位 仔细测量各点电位是否正常 尤其应注 意单片机的插座上的各点电位 若有高压 将有可能损坏单片机仿真器 同样 如果 电压过低就没有能力驱动其负载 第三步 在断电的情况下 除单片机以外 用仿真插头将所连接电路与单片机仿 真器的仿真接口相连 为软件调试做好准备 二 软件调试二 软件调试 该系统的软件调试 是把程序输入单片机 然后连接单片机仿真器进行模拟调试 在调试时程序应该以模块的形式进行调试 这样可以方便解决软件的问题 进行及时 修改 最后再将调试好的小段程序连接在一起进行整体调试 当整个程序都没错误时 软件调试已经成功 程序中出现的及解决方法 1 有时候程序没有错误 但就是运行不出结果 可能由于程序中某些书写不规范 导致 在此时应仔细检查改正不足 2 程序中的跳转指令的运用很重要 为保险起见 都用 LJMP 我们就遇到过跳转 指令用错程序无法正常运行的现象 当用 JNZ 指令时 跳转范围比较少 这时要用一 个标号中转 3 在编程过程中为方便后续工程检查 应标明各个程序段的作用 以及对部分程 序介绍其作用 4 先拟定一些模拟参量 将其加如程序 检验出程序最终出现的结果 判断该程 序运行是否正常 如不和拟定参量最终结果一致 应检查程序中是否有错误 并及时 进行改正 本调试主要是模拟调试来自 GPS OEM 板的定位信息 基于单片机的简易 GPS 定位信息显示系统设计 22 结论与展望结论与展望 GPS技术已成功应用到许多资源中 远远超出了其导航和资产跟踪的初始设计目 标 新的便携式GPS导航设备 PND 可提供精准定位并且集成了许多消费类电子功能 GPS帮助人们提高了效率 并且使通勤变得更加安全 轻松 GPS定位信息显示系统的时间为原子钟时间 非常精确 而定位经纬度的误差是 由GPS OEM板的性能所决定的 GPS25LP方位定位精度可达到15m左右 能满足一般 应用项目的要求 具有一定的实际价值 通过试验 本设计完成了对GPS定位信息显示的基本功能 在这里由于作者水平 有限 在对GPS定位信息显示上还不能做到实现四维信息显示 19 在GPS信息接受上 本文采用的是GPS25 LVS系列OEM接收板 89C51芯片是系统中心控制单元 它具有 全双工异步通信口 可与OEM板接口进行数据读取 处理和输出 OEM板与单片机进 行串口通信时 由于都采用TTL电平 故两者之间不需进行电平转换就可直接通信 20 XX 学院毕业设计 论文 23 致致 谢谢 本设计是我第一次完成如此有难度的课题研究 对 GPS 方面的知识有了较深层的 了解 此课题与我所学专业有很大的联系 在设计过程中我充分利用了在期间所学的 专业课知识 对以往所学有了深层