課程設(shè)計：基于單片機的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、目 錄第一章 gps簡介及基本理論2 1.1 gps的概述2 1.2 gps的組成3 1.3 gps的發(fā)展趨勢31.4 globalsat和holux的eb-3531.41.5 eb-3531的特點.5第二章 硬件電路設(shè)計72.1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計.72.2 gps接收模塊與單片機接口電路設(shè)計.92.3 單片機控制系統(tǒng)的硬件電路.9第三章 軟件部分設(shè)計113.1 串口通行模塊.113.2主程序設(shè)計.13第四章 調(diào)試15 4.1 硬件調(diào)試.15 4.2 軟件調(diào)試.15第五章 總結(jié).17致 謝.18參考文獻19第一章 gps簡介及基本理論1.1 gps的概述gps是英文navigation sat

2、ellitte timing and ranging/global positioning system的字頭縮寫詞（navstar/gps）的簡稱。它的含義是，利用衛(wèi)星的測時和測距進行導(dǎo)航，以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。現(xiàn)在國際上已經(jīng)公認：將這一全球定位系統(tǒng)簡稱：gps。gps系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(transit），1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為gps系統(tǒng)的研制埋

3、下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此,美國海軍研究實驗室(nrl)提出了名為tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是gps系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了621-b的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(prn)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，

4、當信號密度低于環(huán)境噪聲的時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是gps系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局（jpo)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。1.2 gps的組成gps主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成 1.gps空間衛(wèi)星星座

5、由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi),軌道平面的傾角為55,衛(wèi)星的平均高度為20200 km,運行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用l波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號,導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息,使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點。在地球的任何地點、任何時刻,在高度角15以上,平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星,最多可達到9顆1。gps 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼，一組稱為c/ a 碼( coarse/ acquisition code11023mhz)，一組稱為p 碼(procise code 10123mhz) 。 2. 地面控制部分由一個主控站，

6、5 個全球監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆gps衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度會逐漸降低。 3.gps用戶設(shè)備由gps接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計算機)等組成。gps接收

7、機可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號,跟蹤衛(wèi)星的運行,并對信號進行交換、放大和處理,再通過計算機和相應(yīng)軟件,經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差,求出gps接收機中心(測站點)的三維坐標。gps 接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。13 gps的發(fā)展趨勢(1)陸地應(yīng)用，主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等；(2)海洋應(yīng)用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；(3)航空航天應(yīng)

8、用，包括飛機導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護探測等，gps技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強的網(wǎng)形，提高點位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。gps技術(shù)在隧道測量中也具有廣泛的應(yīng)用前景，gps測量無需通視，減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié)，因此，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。 國內(nèi)業(yè)界已有多家廠商投入gps定位系統(tǒng)研制， 目前，業(yè)界普遍看好汽車導(dǎo)航定位系統(tǒng)市場及未來的個人手機(cell phone)定位系統(tǒng)市場，這也正是gps定位系統(tǒng)研制商的未來商機所在。1.4 globalsat和holux的eb-3531公司代

9、理臺灣環(huán)天（globalsat）和長天（holux）及progin的gps系列產(chǎn)品，主營gps模塊, gps接收器， gsm/gprs模塊，gps天線等, gps模塊以sirf3及mtk芯片的為主，在價格和質(zhì)量、技術(shù)上等都有很大的優(yōu)勢，歡迎長期生產(chǎn)gps車載導(dǎo)航、監(jiān)控產(chǎn)品的廠家來電咨詢及業(yè)務(wù)方面的洽談。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模塊： et-314，et-316，et-318 ，et-661, eb-3531, eb-3631，et-332，em-411（帶內(nèi)置天線），em-408（帶內(nèi)置天線）, gr-86, gr-87，gr-89， sr-87，sr-92, gm-318等mtk系列的gps模塊：m-89，m-87 ， m-90，m-91，mt-661, mt-662，mt-285等 mstar系列模塊:ms-363,ms-363sgsm/gprs模塊：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的特點eb-35

12、31的特點如下：1、 sirf star iii高性能gps芯片組 2、 跟蹤靈敏度: -159dbm 3、 超快ttff(第一固定時間)低信號水平 4、 2串口 5、 4mb閃存 6、 內(nèi)置lna 7、 緊湊尺寸適合空間敏感應(yīng)用 8、 1尺寸組件,便于安裝到pcb板 9、 支持nmea 0183 & sirf雙協(xié)議gps模塊eb-3531如圖1.1所示：圖1.1 gps模塊eb-3531第二章 硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)選用microchip公司的pic8位單片機16f877作為主控元件，選用國產(chǎn)gps導(dǎo)航模塊e580接收gps衛(wèi)星號。e580是16通道的高感g(shù)ps接收模塊，可以多跟蹤16顆gps衛(wèi)

13、星，跟蹤靈敏度可達-158dbm，數(shù)據(jù)跟新率可達1次/s,而且功耗較小。d/a轉(zhuǎn)換芯片選用美國maxim公司的8位串行d/a芯片max518。電平轉(zhuǎn)換芯片選用2片max232。圖2.1為系統(tǒng)電路原理框圖所示：圖2.1 系統(tǒng)電路原理框圖2.1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計本系統(tǒng)選用2種供電方式，分別為+12v和+5v供電。選用l7805cv實現(xiàn)+12v向+5v的轉(zhuǎn)變，分別供電給單片機、max518和led數(shù)碼管，其兩端的電容可消除瞬間干擾脈沖，如圖2.2所示：圖2.2 l7805電源轉(zhuǎn)換電路圖復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是把pc初始化為0000h，使單片機從0000h單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的

14、正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)正處欲死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按服位鍵以重新啟動2。單片機在reset為高電平控制下，程序計數(shù)器（pc）和特殊功能寄存器的復(fù)位如表2.1所示。在復(fù)位有效期間內(nèi)，ale、psen將輸出高電平。表2.1 復(fù)位后寄存器狀態(tài)本次設(shè)計復(fù)位電路，如圖2.3所示：圖2.3 復(fù)位電路設(shè)計2.2 gps接收模塊與單片機接口電路設(shè)計單片機與gps模塊通過工作在異步方式的串行通訊接口（sci）實現(xiàn)通訊3。e580模塊外圍電路連接如圖2.4所示：圖2.4 外圍電路連接2.3 單片機控制系統(tǒng)的硬件電路系統(tǒng)的電路原理如圖2.5所示：圖2.5 系統(tǒng)電路原理圖第三章

15、軟件設(shè)計軟件設(shè)計包括mcu的程序設(shè)計和pc機端的軟件設(shè)計。在muc上的程序包括主要由a/d轉(zhuǎn)換模塊、單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊和溫度顯示模塊等3部分構(gòu)成，便于修改和維護。3.1 串口通行模塊 串口通信的主要功能是：接收時，把外部單線輸入的數(shù)據(jù)變成一個字節(jié)的并行數(shù)據(jù)送入mcu內(nèi)部：把需要發(fā)送的一個字節(jié)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為單線輸出。圖3.1為sci的編程模型。圖3.1 編程模型3.3.1 a/d轉(zhuǎn)換模塊a/d轉(zhuǎn)換模塊它的功能是將電壓信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。這個電壓量是由壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)換過來，為了使采樣數(shù)據(jù)更準確。該系統(tǒng)是取多次中值采樣值再取平均值的方法獲得數(shù)據(jù)，大大的提高了采樣數(shù)據(jù)的精度。流程如圖所示

16、：3.3.2信息接受處理在串口收到信息以后，先判別是否為語句引導(dǎo)頭“”，然后再接受信息內(nèi)容，然后根據(jù)語句標識區(qū)分出信息類別以對收到進行處理顯示。串口中斷程序如圖3.2所示：圖3.2串口中斷流程圖3.2 主程序設(shè)計主程序主要包括以下幾個部分：初始化、接受gps數(shù)據(jù)、gps信息處理、超時處理判斷等4。其目的是保證gps提供的位置、時間用戶信息與用戶的可視信息同步。主程序流程圖如圖3.2所示：圖3.3 主程序流程第四章 調(diào)試調(diào)試是一個不斷地找出其中的錯誤，并進行解決，然后再重復(fù)，直至系統(tǒng)可以正常運行為止。系統(tǒng)的硬件調(diào)制與軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件故障是在調(diào)試軟件時才被發(fā)現(xiàn)和糾正的。4.1 硬件調(diào)試

17、第一步：在沒通電之前，先用萬用表檢查線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格是否符合要求。并特別注意電源的正負極以及電源之間是否有短路，并重點檢查地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號線的短路。晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好是保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。第二步：通電后檢查個引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機的插座上各點電位，若有高壓，將有可能損壞單片機仿真器。第三步：在斷電情況下，用仿真插頭將所連接電路與單片機仿真器的仿真借口相連，為軟件調(diào)試做好準備。4.2 軟件調(diào)試該系統(tǒng)的軟件調(diào)試，是把程序輸入單片機，然后連接單片機仿真

18、器進行模擬調(diào)試，在調(diào)試時程序因該以模塊的形式進行調(diào)試，這樣可以方便解決軟件的問題，進行及時修改，最后再將調(diào)試好的小段程序連接在一起進行整體調(diào)試，當整個程序都沒錯誤時，軟件調(diào)試已成功。程序中出現(xiàn)的及解決方法：1.有時候程序沒有錯誤，但就是運行不出結(jié)果，可能由于程序中某些書寫不規(guī)范導(dǎo)致，在此時應(yīng)仔細檢查改正不足。2.程序中的跳轉(zhuǎn)指令的運用很重要，為保險起見，都用ljmp，我們就遇到過跳轉(zhuǎn)指令用程序無法正常運行的現(xiàn)象。3.在編程過程中方便后續(xù)工程檢查，應(yīng)標明各個程序段的作用，以及對部程序介紹其作用。4.先擬定一些模擬變量，將其加如程序，檢驗出程序最終出現(xiàn)的結(jié)果。 第五章 總結(jié)在完成畢業(yè)實踐報告的過程

19、中也遇到了許多問題，對gps定位的知識了解不夠全面，因此設(shè)計中仍存在不足之處。在實習指導(dǎo)老師、同學的幫助下及通過自己翻閱各類專業(yè)書籍，許多問題得到解決，也有部分疑難還沒攻克。可能是自身能力還有待提高，相信通過自己的努力，在以后的工作中不斷積累經(jīng)驗、擴展知識、完善自我，必定能夠擁有一技之長，做到學有所用、學有所成。致 謝要感謝大學三年來給我傳道授業(yè)、答疑解惑的老師們，是您們使我的知識得以豐富，授業(yè)業(yè)三年卻終生受用；同時，要感謝指導(dǎo)我完成此次畢業(yè)實踐報告的鄧柳老師，感謝您百忙之中給予我耐心的輔導(dǎo)，對我報告中匡架設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局的提出的要求，報告中內(nèi)容的修改，您都一絲不茍、精益求精，不得不讓我對你淵博

20、的專業(yè)知識、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L由生敬佩之情；此外，還要感謝我大學同窗好友們的支持與幫助，你們誠懇的建議給予了我莫大的幫助。正是由于你們熱誠的幫助，我的畢業(yè)實踐報告才能夠順利完成，在此向你們表示由衷的感謝。參考文獻【1】 沈慶陽，郭庭吉.8051單片機實踐與應(yīng)用m.北京：清華大學出版社，2002.9【2】microchip technology,pic16f87x eeprom memory progra-mming specificatian【3】劉瑞華.mcs-51單片機與gps-oem板串行通信j.電訊技術(shù)，2004：194202【4】hugentobler u, dach r, fridez

21、 p. document s of bernese soft2ware ver sion 5.or.berne:university of berne ,2005附錄：部分源程序以下是gps定位信息顯示器單片機控制源程序：；*；* gps定位顯示系統(tǒng) *；*；用at89c51單片機；本程序接受gps的￥gpgga信息中的時間數(shù)據(jù)，采用12mhz晶振，接收4800波特率；使用資源：r0、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7，定時器t2，20h單元現(xiàn)實緩沖單元在68h之7fh，時間接收數(shù)據(jù)在7ah之7bh（秒），7ch之7dh（分）；7eh之7fh（時）；定時器t2定義 t2con equ 0

22、c8h ；t2控制寄存器 t2mod equ 0c9h tl2 equ 0cch ；t2計數(shù)寄存器低字節(jié) th2 equ 0cdh ；t2計數(shù)寄存器高字節(jié) tr2 equ 0cah ；t2啟動位 rcap2l equ 0cah ；t2計數(shù)重載寄存器低字節(jié) rcap2lh equ 0cbh ；t2計數(shù)重載寄存器高字節(jié) dispsp equ 2fh ；顯示首地指針 sflag bit 00h ；信息頭標志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；*； 中斷入口程序 ；*； org 0000h ljmp start org 0003h ret1 org 0013h ret1 org 0023h ljmp ints org 002bh ret1；*； 主程序 ；*；start； mov psw，#00h ；設(shè)第0組寄存器 mov sp，#30h ；設(shè)置指針 mov scon，#01010000b ；串口工作方式1允許接受mov a，#02bhmov tl2，a ；設(shè)置波特率（4800）mov rcap2l，amov a，#0ffhmov th2，amov rcap2h，amov r0，#40h ；清40之7fh內(nèi)存單

24、元mov r7，#40hcleardisp： mov r0，#00h inc r0djnz r7，cleardispmov 20h，#00h ；清標志單元mov r0，#5fh ；gps數(shù)據(jù)在40到5fhmov r3，#20h ；接受32數(shù)據(jù)detb es ；允許串口中斷mov ip，#00h ；低級優(yōu)先setb ren ；啟動串口接收clr t1 ；清串口發(fā)送中斷標志位clr r1 ；清串口接收中斷標志位setb tr2 ；啟動定時計數(shù)器2setb ea ；發(fā)送所有中斷start1： mov dispsp，#78h ；顯示地址為78h mov r2，#03h ；現(xiàn)實首址變化次數(shù)3start2

25、： lcall displaymov a，dispspsubb a，#08hmov dispsp，a ；顯示首址減8 djnz r2，start2 mov r3，#03hsjmp start1 ；*； 顯示程序 ；*； 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；*； 延時程序 ；*；dl1ms： mov r6，#14hdl1： mov r7，#19h dl2： djnz r7，dl2djnz r7，dl1ret；*； 中斷接收程序 ；*ints： push acc jbc r1，rxints clr t1ljmp intsout；rxints： mov a，sbufjb dflag，df ；是gpgga,轉(zhuǎn)af接收時間數(shù)據(jù)j

27、b aflag，af ；判斷是否是”，”jb g3flag，g3f ；判斷是否是ajb g2flag，g2f ；判斷是否是第3個gjb pflag，pf ；判斷是否是第2個gjb g1flag，g1f ；判斷是否是pjb sflag，sf ；判斷是否是第1個gxrl a，#24h ；判斷是否是“”jz syesmov 20h，#00h ；不是，清所有標志ljmp inysoutsyes： setb sflag ；是，設(shè)標志ljmp intsout；sf： xrl a，#47h ；是第一個gm嗎？ jz g1yes ；是g，轉(zhuǎn)yesmov 20h，#00hljmp intsoutg1yes： setb g1flagintsout： pop acc ret1；g1f： xrl a，#50h ；是p嗎？ jz pyes ；是p，轉(zhuǎn)pyes mov 20h，#00h ljmp intsoutpyes： setb pflag ljmp intsoutpf： xrl a，#47h ；是第二個g嗎？ jz g2yes ；是g，轉(zhuǎn)2pyes mov 20h，#00h ljmp intsoutg2yes： setb g2flag ljmp intsout；g2f： xr