简易GPS定位显示器

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 简易简易GPSGPS定位信息显示器的设计定位信息显示器的设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化112112班班 学学 号：号： 110302040110302040 学生姓名：学生姓名： 王宏英王宏英 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2014.6.162014.6.27 本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化注：成绩：平时20

2、% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号110302040学生姓名王宏英专业班级自动化112班课程设计（论文）题目简易GPS定位信息显示器的设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能GPS 卫星定位系统广泛应用于车载导航领域，本设计要求实现简易的 GPS 定位信息的显示，可以通过 LCD 显示器轮流显示系统时间及所在地的经纬度。设计任务及要求设计任务及要求1、单片机最小系统设计。2、GPS 接收板、电平转换电路、显示电路、时钟电路的设计。3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求。4、要求认真独立完成所规

3、定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理；5、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上技术参数技术参数显示方式：LCD显示。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统电路的组成（2 天）2、对系统各功能电路进行设计（2 天）3、整个系统的硬件电路图设计（1 天）4、进行系统软件流程图的设计（1 天）5、程序设计并进行仿真程序调试（2 天）6、撰写、打印设计说明书（1 天）7、答辩（1 天）指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II摘 要我国的 GPS 应用发展势头迅猛，短短几年，GPS 在

4、我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS 的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益。可以说，GPS 在我国的应用前景是无限的。介绍对用单片机控制的简易 GPS 定位信息显示系统进行了设计，给出了系统的硬件电路及软件流程。所设计的系统以单片机作为控制核心，以串口方式接收GPS 信息，用 LCD 显示器轮流显示实时时间、纬度、经度或其他 GPS 数据信息。 设计包括硬件和软件两大部分。硬件部分包括单片机最小系统、LCD 显示器、GM-15 OEM 板三部分。选用 Atmel 公司的 AT89C51 单片机作为控制核心，用LCD 共阳显示器及 GM

5、-15 OEM 接收板实现系统功能。软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、中断入口程序、显示程序、延时程序、中断接收程序、五个部分。 关键词：GPS；单片机 AT89C51；LCD 显示器本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述 .22.2 设计方案 .2第 3 章 硬件设计 .43.1 单片机最小系统设计 .43.2 电源电路的设计 .53.3 键盘设计 .53.4 时钟芯片 .63.5 电平转换电路 .63.6 单片机和 GPS OEM 板接口电路.73.7 单片机和液晶显示器接口电路 .93.8 系统总体电路图 .11第

6、4 章 软件设计 .124.1 系统软件设计原理图 .124.2 简易 GPS 定位信息显示器程序 .15第 5 章 课程设计总结 .19参考文献 .20本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论GPS 作为最先进的空间定位技术，在社会建设中发挥了重要的作用。随着GPS 定位技术的快速发展，其功能越来越强，精度越来越高，在测量领域的应用日益广泛。 GPS 系统的基本定位原理是：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。 全球

7、定位系统（Global Positioning System 简称 GPS）是美国第二代军用导航系统，可实现全球范围内的实时导航和定位。GPS 由空间部分、地面监控部分、用户设备部分组成。 GPS 系统的空间部分是指 GPS 工作卫星星座，其由 24 颗卫星组成，其中 21颗工作卫星，3 颗备用卫星，均匀分布在 6 个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面倾角为 55，各个轨道平面的升交点赤经相差 60，轨道平均高度为20200km.卫星运行周期为 11 小时 58 分（恒星时） ，同一轨道上的各卫星的升交角距为 90，GPS 卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观

8、测到 4 颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。GPS 卫星的主体呈圆柱形，直径约为 1.5m，重约 774kg，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中 2 台为铷钟，2 台为铯钟。GPS 卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的 3 个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向 GPS 用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。用户设备部分由 GPS 接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。

9、其主要功能是接收 GPS 卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位，用后处理软件包对观测数据进行精加工，以获取精密定位结果。 本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本设计要求利用单片机、液晶显示器、GPS 的 OEM 板设计开发一种简易GPS 定位信息显示器。要求能显示经纬度、时间、水平面高度等实时信息。2.2 设计方案本设计主要从三个方面来分析论证：1、GPS 处理模块的选择；2、显示器的选择；3、微处理器的选择。一般 GPS 导航器都是 GPS 配合矢量电子地图来进行导航和航线记录。这些设备 CPU 的运算量和需要储存的数

10、据量都很大，一般都使用 X86、ARM 等 32位 CPU。考虑到本设计只需显示经纬度和时间等简单的信息，决定选择 Atmel的 AT89C51 单片机作为主控制器。本设计采用点阵型 LCD 液晶显示器 CGM12232。具有 122*32 点阵，不仅可以显示数字，还可以显示中文、英文甚至图片等，体积只有61mm*19mm*5.7mm，功耗更低仅 5V*2.5mA=12.5mW（不开背光） 。系统硬件电路主要由 GPS-OEM 接收板、液晶显示器、AT89C51 单片机、键盘、RS-232 电平转换、单片机上电复位、电源等部分组成。GPS-OEM 板发送的串行数据经 RS-232（CMOS/T

11、TL 电平转换）电路送至单片机串行口，经处理后通过键盘选择要显示的信息，送至 LCD 液晶显示器。LCD 液晶显示器为定时更新，更新周期约为 1S。上电复位电路为单片机上电提供上电复位。电源电路为各个电路提供稳定的+5V 电源。GPS OEM 板的设置用预留的 RS-232 口，在计算机上用 GARMIN 公司提供的软件(GARMIN Sensor/Smart Antenna Software)来进行设置。本科生课程设计（论文）3图 2.1 为 GPS 定位信息显示器系统设计原理框图。AT89C51 单片机复位晶振键盘GPS OEM 板RS-232与 TTL电平转换液晶显示电源本科生课程设计（

12、论文）4第 3 章 硬件设计3.1 单片机最小系统设计系统电路的主芯片采用美国 ATMEL 公司的 AT89C51 FLASH 单片机，它与MCS-51 系统产品兼容，具有 4K 字节可重编程 Flash 存储器，5V20的电源使用电压、1288 位的内部 RAM，两个 16 位定时器/计数器，6 个中断源，以及低功耗空闲和掉电方式等一系列的功能。AT89C51 单片机的电源、复位、晶振振荡电路如图 3.1 所示。图 3.1 AT89C51 单片机的电源、复位、晶振振荡电路图本科生课程设计（论文）53.2 电源电路的设计本电路使用集成稳压芯片 7805，它可以把频率为 50Hz、有效值为 22

13、0V 的单相交流电压转换为幅值稳定的 5V 直流电压。其主要原理是把单相交流经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。 图 3.2 电源电路原理图3.3 键盘设计本键盘为最简单的点式键盘，由单片机 I/O 进行扫描。一般来说，键盘按键多数采用行列式。因为在按键数量多时行列式键盘在占用相同数量 I/O 口时能设置的按键较点式键盘多。而在按键少时还不如点式键盘来得简单方便。本设计只设置 2 个按键,用来进行显示信息的翻页。图 3.3 键盘原理图P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3

14、.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20A8/P2.021A9/P2.122A10/P2.223A11/P2.324A12/P2.425A13/P2.526A14/P2.627A15/P2.728PSEN29ALE30EA31AD7/P0.732AD6/P0.633AD5/P0.534AD4/P0.435AD3/P0.336AD2/P0.237AD1/P0.138AD0/P0.039VCC40IC1AT89C51Y111.0592MC220PC320PC110UR110KRESTVCC

15、C80.01UVCCS2DOWNS1UPDOWNUP本科生课程设计（论文）6XTAL1 脚和 XTAL2 脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容 C1、C2 构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容 C1、C2 选 30PF10PF； 当外接陶瓷振荡器时，电容 C1、C2选 47PF10PF。AT89C51 系统中晶振可在 0-24MHZ 选择。外接电容 C1、C2 的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在系统设计中为保证串行通信波

16、特率的误差选择了 11.0592MHZ的标准石英晶振，电容 C1、C2 为 20PF。3.4 时钟芯片本次设计的时钟芯片选择的是 DS1302,因为 DS1302 结构简单，价钱便宜，如图 3.4。图 3.4 时钟电路3.5 电平转换电路当 RS-232IN 端输入 RS-232 逻辑电平“0” ，也就是输入+3+25V 时，三极管正向导通。此时 TTL OUT 端输出的是三极管的饱和压降。此电压约 0.1-0.2V，符合 COMS/TTL 电平3.2V 要求。本科生课程设计（论文）7图 3.5 RS-232 电平 COMS/TTL 电平转换图3.6 单片机和 GPS OEM 板接口电路GAR

17、MIN GPS 25 LP 型 GPS-OEM 板输出引脚功能如图 3.6。图 3.6 GPS OEM 板输出引脚图Q29013R447KR347K+5VTTL OUTRS-232 INTXD21RXD22PPS3TXD14RXD15PWR-DN6VAUX7GND8VIN9VIN10NC11NMEA12U?GPS本科生课程设计（论文）8由于使用的是 LVS 版本 GPS 25 LP 型 GPS-OEM 板，所以串行口 1，串行口2 和 NMEA 口使用的都是 RS-232 电平。如果使用的是 LVC 版本的 GPS 25 LP型 GPS- OEM 板则端口是 CMOS/TTL 电平。在本系统中

18、将串行 2 用作计算机作GPS- OEM 板设置用，本机显示 GPS 信息从 NMEA 口送出。电路如图 3.7。图 3.7 GPS-OEM 板接口电路由于 GPS-OEM 送出的是 RS-232 电平，计算机串行通信用的也是 RS-232 电平，单片机使用的是 COMS/TTL 电平，因此 GPS OEM 板和计算机通信可以直接用串行线相连，而和单片机接口必须进行 RS-232 电平和 COMS/TTL 电平的转换。RS-232 是异步串行通信中应用最早的，也是最广泛的标准串行总线之一。它原是基于公用电话网的一种串行通信标准，推荐电缆的最长长度为 15M（50 英尺）。它的逻辑电平以公共地为

19、对称，其逻辑“0”电平规定在+3+25V 之间，逻辑“1”电平则在-3-25V 之间，因而它要使用正负极性的双电源，而且传统的COMS/TTL 电平，逻辑电平是以地为标准不对称设置，其逻辑“0”电平规定为3.2V。因此两者之间逻辑电平不兼容，所以两者P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20A8/P2.021A9/P2.122A10/P2.223A11/P2

20、.324A12/P2.425A13/P2.526A14/P2.627A15/P2.728PSEN29ALE30EA31AD7/P0.732AD6/P0.633AD5/P0.534AD4/P0.435AD3/P0.336AD2/P0.237AD1/P0.138AD0/P0.039VCC40IC1AT89C51REST162738495J1DB9Q2NPNR447KR347KVCCTXD21RXD22PPS3TXD14RXD15PWR-DN6VAUX7GND8VIN9VIN10NC11NMEA12U1GPSXTAL1XTAL2VCC本科生课程设计（论文）9通信时必须进行电平转换。3.7 单片机和液

21、晶显示器接口电路液晶显示器 CGM12232 的引脚功能如图 3.8 所示。图 3.8 液晶显示器 CGM12232 的引脚功能图单片机和液晶显示器接口电路图如图 3.9。CGM12232 的 Pin 9Pin 16 接单片机 P2 口来进行数据传输，Pin5Pin8 3 根控制线接 P0 口。由于 P0 口内部没有上拉电阻不能输出高电平因此在 P0 口上接了一个 10K 排阻 RP9 作为 P0 口的上拉电阻。LCD 液晶显示器的背光 LED 灯采用三极管驱动控制。在 CGM12232 的说明文档里,Pin 3 脚 VLCD 需通过电阻在 VDD 和 GND 之间分压得到，但发现通过分压后液

22、晶显示很暗，直接将其接地相对于通过分压使用液晶显示器明显好转。因此这里将其直接接地。VDD1GND2VLCD3RES4CS15CS26R/W7A08D09D110D211D312D413D514D615D716A17K1812232本科生课程设计（论文）10图 3.9 单片机和液晶显示器接口电路图P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20A8/P2.021A

23、9/P2.122A10/P2.223A11/P2.324A12/P2.425A13/P2.526A14/P2.627A15/P2.728PSEN29ALE30EA31AD7/P0.732AD6/P0.633AD5/P0.534AD4/P0.435AD3/P0.336AD2/P0.237AD1/P0.138AD0/P0.039VCC40IC1AT89C51KAD7D6D5D4D3D2D1D0A0R/WVDDGNDVLCDRETCS1CS2U212232VCCVCCQ19012A0R/WCS2CS1VCCGNDVCCCS1CS2R/WA0LED123456789RP9UPDOWNGNDLEDR21

24、00本科生课程设计（论文）113.8 系统总体电路图本设计的总体电路图如下图 3.10图 3.10 系统总体电路图本科生课程设计（论文）12第 4 章 软件设计4.1 系统软件设计原理图系统软件总体流程如下：系统初始化，显示开机画面，串行中断接收 GPS-OEM 板的“$GPGGA”语句，每当正确收到“$GPGGA” ，键盘可以选择显示的GPS 信息。系统程序流程图 4.1本科生课程设计（论文）13图 4.1 为 GPS 定位系统的主程序流程图。系统软件主要由初始化模块、数据接收处理模块组成。初始化模块完成开机上电后对单片机、液晶显示器和 GPS 模块的初始化工作。对单片机设置串口工作模式、设

25、置波特率和中断工作模式；对液晶显示器设置开机画面和显示模式；完成对 GPS 模块串口的成功通信。数据接收处理模块负责处理从 GPS 接收到的数据。在单片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$” ，再接收信息内容，然后根据语句标识区分出信息类别以对收到 ASCII 码进行处理显示。若整个数据接收正确，便对数据进行处理；若接收不正确，则重新进行接收。本设计中，接收时主要提取并存储以下数据内容：当前日期、时间、定位状态、纬度、经度。系统工作时 GPS 模块不断得到新的数据，单片机不断刷新 RAM，处理完后的数据送液晶显示器显示。 图 4.2 数据接收处理程序流程图本科生课程设计（论文）14由于

26、 GPS OEM 发送的不止一条语句，且要完整的接收这条$GPGGA 语句，就必须判断这条语句的头。也就是“$GPGGA， ”这 7 个字符，当完整的收到这7 个字符后，才能保证是我们要的数据。具体如图 4.3。图 4.3 单片机串行中断接受程序流程图初看起来好像 GPS OEM 板传过来的时间格式和要显示的时间格式是一致，不用转换。而实际上 GPS OEM 板传过来的是格林尼治时间，也就是东一区的时间。北京时间和格林尼治时间相差 8 个小时。北京时间格林尼治时间+8。但当格林尼治时间 16 点以后，北京时间已经是第二天的凌晨了。也就是当算出来的北京时间大于 24 时必须减去 24 才是正确的

27、北京时间。具体流程如图 4.4。本科生课程设计（论文）15图 4.4 北京时间显示流程图4.2 简易 GPS 定位信息显示器程序ORG 00120HMOV P0,#0H;清屏 ACALL ENABLE CALL delay1 MOV P0,#38H;液晶屏初始化. ACALL ENABLE MOV P0,#38H;设为8位，57字 型两行行ACALL ENABLE MOV P0,#38H本科生课程设计（论文）16ACALL ENABLE MOV P0,#8H ACALL ENABLE MOV P0,#1H ACALL ENABLE MOV P0,#6H ACALL ENABLE MOV P0,

28、#0cH ACALL ENABLECLR EA 关中断 NOV TMOD,#20H MOV TH1,#0FDH;波特率9600，晶体振荡器11.0592MhzMOV TL1,#0FDH;MOV PCON,#00H SETB TR1 MOV SCON,#70H MOV R0,#10H logo1:MOV P0,#080H ACALL ENABLE MOV P0,#01H;清屏 ACALL ENABLE MOV R2,#0H MOV DPTR,#flog CALL CIRCLE MOV P0,#0c0H ACALL ENABLEMOV R2,#0HMOV DPTR,#flog1 CALL CIRC

29、LE ACALL DELAY2000MSWAIT:CALL NOSIGNAL JNB RI,$ ;LCD显示字符; SEC: MOVR6,#5HSECSCREEN:本科生课程设计（论文）17CALL READ DJNZ R6,JLONJPM FIRJLON:JMP LONFIR: MOV R6,#5HFIR STSCREEN: CALL READ DJNZ R6;JTIMEJMP SECJTIME :JMP TIMEREAD:CALL REC CJNE A,#04dH,READ;M?;判断是否M CALL REC CJNE A,#043H,READ;C? CALL REC MOV R0,#10

30、H;数据储存起始地址 MOV R1,#42H;数据位数 STORE:储存 CALL RECMOV R0,AINC R0 DJNZ R1,STORERETMOV R2,#0C0H LCALL ENABLE LCALL WRITE MOV P0,#01H;清屏 ACALL ENABLE MOV 60H,#20H MOV 61H,#20H MOV 62H,#20H MOV 63H,#20H MOV 64H,10H MOV 65H,11H MOV 66h,#: 本科生课程设计（论文）18MOV 67H,12H MOV 68H,13H MOV 69H,#: MOV 6aH,14H MOV 6bH,15H

31、 MOV 6cH,#20H MOV 6dH,#20H MOV 6eH,#20H MOV 6fH,#20HMOV R0,#60H MOV R3,#10H CALL DISMOV A,R2 MOV P0,A CALL ENABLE MOV A,R1 MOV P0,A #01000001B;SETB RS,RS=1 CLR RW RW=0 CLR E E=0 CALL DELAY SETB E E=1 END本科生课程设计（论文）19第 5 章 课程设计总结随着GPS的应用越来越广泛，GPS设备普及速度也将大大加快，在我们国内GPS产业才刚刚起步，GPS产业的兴起势必也将大大的推进GPS在民间的应用。GPS已在各个领域发挥了重要的作用，为促进人类发展作出了不可估量的贡献。 不过由于专业GPS设备价格昂贵，普通消费者难以承受，所以也限制了GPS在民间的大量应用，现在各个GPS厂商的当务之急便是降低GPS的制造成本，削减一些普通消费者平时用不到的专业功能，保留一些基本的实用功能，以加快GPS在民间普及的速度。这次我的课程设计的基本设计思想原意在此，通过这次设计制作GPS最小系统，也验证了这种低成本设计的可行性，也达到了基本满意的使用效果。 由于时间