课程设计：基于单片机的GPS全球卫星定位系统设计说明书

1、目 录第一章 gps简介及基本理论2 1.1 gps的概述2 1.2 gps的组成3 1.3 gps的发展趋势31.4 globalsat和holux的eb-3531.41.5 eb-3531的特点.5第二章 硬件电路设计72.1 电源转换电路设计.72.2 gps接收模块与单片机接口电路设计.92.3 单片机控制系统的硬件电路.9第三章 软件部分设计113.1 串口通行模块.113.2主程序设计.13第四章 调试15 4.1 硬件调试.15 4.2 软件调试.15第五章 总结.17致 谢.18参考文献19第一章 gps简介及基本理论1.1 gps的概述gps是英文navigation sat

2、ellitte timing and ranging/global positioning 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。gps系统的前身为美军研制的一种“子午仪”导航卫星系统(transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为gps系统的研制埋

3、下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(nrl)提出了名为tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是gps系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-b的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码(prn)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，

4、当信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是gps系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（jpo)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。1.2 gps的组成gps主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成 1.gps空间卫星星座

5、由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55,卫星的平均高度为20200 km,运行周期为11 h 58 min。卫星用l波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗1。gps 卫星产生两组电码，一组称为c/ a 码( coarse/ acquisition code11023mhz)，一组称为p 码(procise code 10123mhz) 。 2. 地面控制部分由一个主控站，

6、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.gps用户设备由gps接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。gps接收

7、机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出gps接收机中心(测站点)的三维坐标。gps 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。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。13 gps的发展趋势(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应

8、用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等，gps技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。gps技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，gps测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。 国内业界已有多家厂商投入gps定位系统研制， 目前，业界普遍看好汽车导航定位系统市场及未来的个人手机(cell phone)定位系统市场，这也正是gps定位系统研制商的未来商机所在。1.4 globalsat和holux的eb-3531公司代

9、理台湾环天（globalsat）和长天（holux）及progin的gps系列产品，主营gps模块, gps接收器， gsm/gprs模块，gps天线等, gps模块以sirf3及mtk芯片的为主，在价格和质量、技术上等都有很大的优势，欢迎长期生产gps车载导航、监控产品的厂家来电咨询及业务方面的洽谈。gps接收器： br-355，bu-353，br-305，mr-350，bt-359s，bt-359w，bc-337，bc-307，sd-502，bt-338，bt-318，bt-328，dg-100，bt-335，tr-151，tr-101，tr-102，gh-615b，gr-213，m-21

10、5，gpslim236，gr-271，gr-240，m-1000，m-241，m-1200，sbt-268，sgm-108，gp-138 sirf系列的gps模块： et-314，et-316，et-318 ，et-661, eb-3531, eb-3631，et-332，em-411（带内置天线），em-408（带内置天线）, gr-86, gr-87，gr-89， sr-87，sr-92, gm-318等mtk系列的gps模块：m-89，m-87 ， m-90，m-91，mt-661, mt-662，mt-285等 mstar系列模块:ms-363,ms-363sgsm/gprs模块：si

11、m300z，sim300cz，sim300dz，sim340z，sim340cz，sim340dz，sim508z，sim548 gps接收器： br-355，bu-353，br-305，mr-350，bt-359s，bt-359w，bc-337，bc-307，sd-502，bt-338，bt-318，bt-328，dg-100，bt-335，tr-151，tr-101，tr-102，gh-615b，gr-213，m-215，gpslim236，gr-271，gr-240，m-1000，m-241，m-1200，sbt-268，sgm-108，gp-1381.5 eb-3531的特点eb-35

12、31的特点如下：1、 sirf star iii高性能gps芯片组 2、 跟踪灵敏度: -159dbm 3、 超快ttff(第一固定时间)低信号水平 4、 2串口 5、 4mb闪存 6、 内置lna 7、 紧凑尺寸适合空间敏感应用 8、 1尺寸组件,便于安装到pcb板 9、 支持nmea 0183 & sirf双协议gps模块eb-3531如图1.1所示：图1.1 gps模块eb-3531第二章 硬件电路设计本系统选用microchip公司的pic8位单片机16f877作为主控元件，选用国产gps导航模块e580接收gps卫星号。e580是16通道的高感gps接收模块，可以多跟踪16颗gps卫

13、星，跟踪灵敏度可达-158dbm，数据跟新率可达1次/s,而且功耗较小。d/a转换芯片选用美国maxim公司的8位串行d/a芯片max518。电平转换芯片选用2片max232。图2.1为系统电路原理框图所示：图2.1 系统电路原理框图2.1 电源转换电路设计本系统选用2种供电方式，分别为+12v和+5v供电。选用l7805cv实现+12v向+5v的转变，分别供电给单片机、max518和led数码管，其两端的电容可消除瞬间干扰脉冲，如图2.2所示：图2.2 l7805电源转换电路图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

14、正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统正处欲死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按服位键以重新启动2。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。在复位有效期间内，ale、psen将输出高电平。表2.1 复位后寄存器状态本次设计复位电路，如图2.3所示：图2.3 复位电路设计2.2 gps接收模块与单片机接口电路设计单片机与gps模块通过工作在异步方式的串行通讯接口（sci）实现通讯3。e580模块外围电路连接如图2.4所示：图2.4 外围电路连接2.3 单片机控制系统的硬件电路系统的电路原理如图2.5所示：图2.5 系统电路原理图第三章

15、软件设计软件设计包括mcu的程序设计和pc机端的软件设计。在muc上的程序包括主要由a/d转换模块、单片机内部数据处理模块和温度显示模块等3部分构成，便于修改和维护。3.1 串口通行模块 串口通信的主要功能是：接收时，把外部单线输入的数据变成一个字节的并行数据送入mcu内部：把需要发送的一个字节的并行数据转为单线输出。图3.1为sci的编程模型。图3.1 编程模型3.3.1 a/d转换模块a/d转换模块它的功能是将电压信号转换为对应的数字信号。这个电压量是由压力传感器把压力转换过来，为了使采样数据更准确。该系统是取多次中值采样值再取平均值的方法获得数据，大大的提高了采样数据的精度。流程如图所示

16、：3.3.2信息接受处理在串口收到信息以后，先判别是否为语句引导头“”，然后再接受信息内容，然后根据语句标识区分出信息类别以对收到进行处理显示。串口中断程序如图3.2所示：图3.2串口中断流程图3.2 主程序设计主程序主要包括以下几个部分：初始化、接受gps数据、gps信息处理、超时处理判断等4。其目的是保证gps提供的位置、时间用户信息与用户的可视信息同步。主程序流程图如图3.2所示：图3.3 主程序流程第四章 调试调试是一个不断地找出其中的错误，并进行解决，然后再重复，直至系统可以正常运行为止。系统的硬件调制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。4.1 硬件调试

17、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。并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。第二步：通电后检查个引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机的插座上各点电位，若有高压，将有可能损坏单片机仿真器。第三步：在断电情况下，用仿真插头将所连接电路与单片机仿真器的仿真借口相连，为软件调试做好准备。4.2 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

18、器进行模拟调试，在调试时程序因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程序无法正常运行的现象。3.在编程过程中方便后续工程检查，应标明各个程序段的作用，以及对部程序介绍其作用。4.先拟定一些模拟变量，将其加如程序，检验出程序最终出现的结果。 第五章 总结在完成毕业实践报告的过程

19、中也遇到了许多问题，对gps定位的知识了解不够全面，因此设计中仍存在不足之处。在实习指导老师、同学的帮助下及通过自己翻阅各类专业书籍，许多问题得到解决，也有部分疑难还没攻克。可能是自身能力还有待提高，相信通过自己的努力，在以后的工作中不断积累经验、扩展知识、完善自我，必定能够拥有一技之长，做到学有所用、学有所成。致 谢要感谢大学三年来给我传道授业、答疑解惑的老师们，是您们使我的知识得以丰富，授业业三年却终生受用；同时，要感谢指导我完成此次毕业实践报告的邓柳老师，感谢您百忙之中给予我耐心的辅导，对我报告中匡架设计、结构布局的提出的要求，报告中内容的修改，您都一丝不苟、精益求精，不得不让我对你渊博

20、的专业知识、严谨的工作作风由生敬佩之情；此外，还要感谢我大学同窗好友们的支持与帮助，你们诚恳的建议给予了我莫大的帮助。正是由于你们热诚的帮助，我的毕业实践报告才能够顺利完成，在此向你们表示由衷的感谢。参考文献【1】 沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用m.北京：清华大学出版社，2002.9【2】microchip technology,pic16f87x eeprom memory progra-mming specificatian【3】刘瑞华.mcs-51单片机与gps-oem板串行通信j.电讯技术，2004：194202【4】hugentobler u, dach r, fridez

21、 p. document s of bernese soft2ware ver sion 5.or.berne:university of berne ,2005附录：部分源程序以下是gps定位信息显示器单片机控制源程序：；*；* gps定位显示系统 *；*；用at89c51单片机；本程序接受gps的￥gpgga信息中的时间数据，采用12mhz晶振，接收4800波特率；使用资源：r0、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7，定时器t2，20h单元现实缓冲单元在68h之7fh，时间接收数据在7ah之7bh（秒），7ch之7dh（分）；7eh之7fh（时）；定时器t2定义 t2con equ 0

22、c8h ；t2控制寄存器 t2mod equ 0c9h tl2 equ 0cch ；t2计数寄存器低字节 th2 equ 0cdh ；t2计数寄存器高字节 tr2 equ 0cah ；t2启动位 rcap2l equ 0cah ；t2计数重载寄存器低字节 rcap2lh equ 0cbh ；t2计数重载寄存器高字节 dispsp equ 2fh ；显示首地指针 sflag bit 00h ；信息头标志ok giflag bit 01h ；g1 ok pflag bit 02h ；p ok g2flag bit 03h ；g2 ok g3flag bit 04h ；g3 ok aflag bit

23、 05h ；a ok；*； 中断入口程序 ；*； org 0000h ljmp start org 0003h ret1 org 0013h ret1 org 0023h ljmp ints org 002bh ret1；*； 主程序 ；*；start； mov psw，#00h ；设第0组寄存器 mov sp，#30h ；设置指针 mov scon，#01010000b ；串口工作方式1允许接受mov a，#02bhmov tl2，a ；设置波特率（4800）mov rcap2l，amov a，#0ffhmov th2，amov rcap2h，amov r0，#40h ；清40之7fh内存单

24、元mov r7，#40hcleardisp： mov r0，#00h inc r0djnz r7，cleardispmov 20h，#00h ；清标志单元mov r0，#5fh ；gps数据在40到5fhmov r3，#20h ；接受32数据detb es ；允许串口中断mov ip，#00h ；低级优先setb ren ；启动串口接收clr t1 ；清串口发送中断标志位clr r1 ；清串口接收中断标志位setb tr2 ；启动定时计数器2setb ea ；发送所有中断start1： mov dispsp，#78h ；显示地址为78h mov r2，#03h ；现实首址变化次数3start2

25、： lcall displaymov a，dispspsubb a，#08hmov dispsp，a ；显示首址减8 djnz r2，start2 mov r3，#03hsjmp start1 ；*； 显示程序 ；*； display： mov r4，#0ffh display1： mov r1，dispspmov r5，#0fehplay： mov a，r5mov p2，amov a，r1 mov dtr，#tab movc aa+dptr mov 0，a lcall d l 1msinc r1mov a ，r5jnb acc7，endoutrl amov r5，aajmp playendo

26、ut： djnz r4，display1mov p2，#0ffhmov p0，#0ffhrettab： db 0c0h，0f9h，0a4h，0b0h，99h，92h，82h，0f8h，80h，90h，0ffh，086h，0c8h；*； 延时程序 ；*；dl1ms： mov r6，#14hdl1： mov r7，#19h dl2： djnz r7，dl2djnz r7，dl1ret；*； 中断接收程序 ；*ints： push acc jbc r1，rxints clr t1ljmp intsout；rxints： mov a，sbufjb dflag，df ；是gpgga,转af接收时间数据j

27、b aflag，af ；判断是否是”，”jb g3flag，g3f ；判断是否是ajb g2flag，g2f ；判断是否是第3个gjb pflag，pf ；判断是否是第2个gjb g1flag，g1f ；判断是否是pjb sflag，sf ；判断是否是第1个gxrl a，#24h ；判断是否是“”jz syesmov 20h，#00h ；不是，清所有标志ljmp inysoutsyes： setb sflag ；是，设标志ljmp intsout；sf： xrl a，#47h ；是第一个gm吗？ jz g1yes ；是g，转yesmov 20h，#00hljmp intsoutg1yes： setb g1flagintsout： pop acc ret1；g1f： xrl a，#50h ；是p吗？ jz pyes ；是p，转pyes mov 20h，#00h ljmp intsoutpyes： setb pflag ljmp intsoutpf： xrl a，#47h ；是第二个g吗？ jz g2yes ；是g，转2pyes mov 20h，#00h ljmp intsoutg2yes： setb g2flag ljmp intsout；g2f： xr