基于51單片機的GPS定位系統(tǒng)的設計

1、目錄摘要1第一章 51單片機概述11.1 51單片機系統(tǒng)的結構組成11.2 51單片機系統(tǒng)的功能特性21.2.1 51單片機系統(tǒng)的結構21.2.2 功能特性：31.3 8255芯片原理及其功能31.4 液晶顯示模塊原理5第二章 gps定位系統(tǒng)簡介52.2 gps定位系統(tǒng)的基本原理62.3 gps模塊定位流程62.4 nmea-0183數(shù)據(jù)格式7第三章 硬件連接電路73.1單片機73.2 gps模塊83.2.1 概述83.2.3 管腳介紹93.3 顯示部分9第四章 軟件設計114.1系統(tǒng)軟件概述114.2軟件程序的編寫114.2.1 初始化模塊114.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊114.2.3 人機對話

2、模塊144.3 代碼實現(xiàn)15第五章 實驗總結16參考文獻16摘要gps是英文global positioning system（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。gps起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)gps 。主要目的是為陸?？杖箢I域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆gps衛(wèi)星星座己布設完成。在機械領域gps則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術規(guī)范(geometrical product sp

3、ecifications)-簡稱gps。第一章 51單片機概述1.1 51單片機系統(tǒng)的結構組成51單片機是對所有兼容intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是intel的8031單片機，后來隨著flash rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是atmel公司的at89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機一般不具備自編程能力。當前常用的51系列單片機主要產(chǎn)品有：*i

4、ntel的：80c31、80c51、87c51，80c32、80c52、87c52等；*atmel的：89c51、89c52、89c2051等；*philips、華邦、dallas、siemens(infineon)等公司的許多產(chǎn)品國產(chǎn)宏晶stc單片機以其低功耗、廉價、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國內51單片機較大市場。 基礎51單片機。11.2 51單片機系統(tǒng)的功能特性1.2.1 51單片機系統(tǒng)的結構 8位cpu4kbytes程序存儲器(rom) (52為8k)128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(ram) （52有256bytes的ram）32條i/o口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個專用寄存器2個可

5、編程定時/計數(shù)器5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個）一個全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kb外部程序存儲器尋址空間為64kb邏輯操作位尋址功能雙列直插40pindip封裝單一+5v電源供電cpu：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；ram：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；rom：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；i/o口：四個8位并行i/o口，既可用作輸入，也可用作輸出；t/c：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工uart（通用異步接收發(fā)送器）的串行i/o

6、口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調電容需要外接。最高振蕩頻率為12m。1.2.2 功能特性：1），可以仿真63k程序空間,接近64k 的16位地址空間；2），可以仿真64kxdata 空間,全部64k 的16位地址空間；3），可以真實仿真全部32 條io腳；4），完全兼容keilc51 uv2 調試環(huán)境,可以通過uv2 環(huán)境進行單步,斷點, 全速等操作；5），可以使用c51語言或者asm匯編語言進行調試 ；6），可以非常方便地進行所有變量觀察,包括鼠標取值觀察,即鼠標放在某 變量上就會立即顯示出它此的值；7），可選 使用用戶晶振，支持0

7、40mhz晶振頻率；8），片上帶有768字節(jié)的xdata,您可以在仿真時選 使用他們,進行xdata 的仿真；9），可以仿真雙dptr 指針；10），可以仿真去除ale 信號輸出. ；11），自適應300-38400bps 的所有波特率通訊；12），體積非常細小,非常方便插入到用戶板中.插入時緊貼用戶板,沒有連接電纜,這樣可以有效地減少運行中的干擾,避免仿真時出現(xiàn)莫名其妙的故障；13），仿真插針采用優(yōu)質鍍金插針,可以有效地防止日久生銹,選擇優(yōu)質園腳ic插座，保護仿真插針，同時不會損壞目標板上的插座. ；14），仿真時監(jiān)控和用戶代碼分離,不可能產(chǎn)生不能仿真的軟故障；15），rs-232接口不計成

8、本采用max202集成電路,串行通訊穩(wěn)定可靠,絕非一般三極管的簡易電路可比。1.3 8255芯片原理及其功能8255是intel公司生產(chǎn)的可編程并行i/o接口芯片，有3個8位并行i/o口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口a、b、c口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內部結構分為3個部分：與cpu連接部分、與外設連接部分、控

9、制部分。1）與cpu連接部分根據(jù)定義，8255能并行傳送8位數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)線為8根d0d7。由于8255具有3個通道a、b、c，所以只要兩根地址線就能尋址a、b、c口及控制寄存器，故地址線為兩根a0a1。此外cpu要對8255進行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復位、讀、寫信號。各信號的引腳編號如下：（1）數(shù)據(jù)總線db：編號為d0d7，用于8255與cpu傳送8位數(shù)據(jù)。（2）地址總線ab：編號為a0a1，用于選擇a、b、c口與控制寄存器。（3）控制總線cb：片選信號、復位信號rst、寫信號、讀信號。當cpu要對8255進行讀、寫操作時，必須先向8255發(fā)片選信號選中8255芯片，然后發(fā)讀

10、信號或寫信號對8255進行讀或寫數(shù)據(jù)的操作。2）與外設接口部分根據(jù)定義，8255有3個通道a、b、c與外設連接，每個通道又有8根線與外設連接，所以8255可以用24根線與外設連接，若進行開關量控制，則8255可同時控制24路開關。各通道的引腳編號如下：（1）a口：編號為pa0pa7，用于8255向外設輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)。（2）b口：編號為pb0pb7，用于8255向外設輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)。（3）c口：編號為pc0pc7，用于8255向外設輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)，當8255工作于應答i/o方式時，c口用于應答信號的通信。3）控制器8255將3個通道分為兩組，即pa0pa7與pc4pc7組成a組

11、，pb0pb7與pc0pc3組成b組。如圖7.5所示，相應的控制器也分為a組控制器與b組控制器，各組控制器的作用如下：（1）a組控制器：控制a口與上c口的輸入與輸出。（2）b組控制器：控制b口與下c口的輸入與輸出。1.4 液晶顯示模塊原理液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、pcb線路板、背光源、結構件裝配在一起的組件英文名稱叫“l(fā)cd module”，簡稱“l(fā)cm”，中文一般稱為“液晶顯示模塊”。實際上它是一種商品化的部件根據(jù)我國有關國家標準的規(guī)定：只有不可拆分的一體化部件才稱為“模塊”，可拆分的叫作“組件”。所以規(guī)范的叫法應稱為“液晶顯示組件”。但是由于長期以來人們都已習慣稱

12、其為“模塊”。 液晶顯示器件是一種高新技術的基礎元器件，雖然其應用巳很廣泛，但對很多人來說，使用、裝配時仍感到困難。特別是點陣型液晶顯示器件，使用者更是會感到無從下手特殊的連接方式和所需的專用設備也非人人了解和具備，故此液晶顯示器件的用戶希望有人代勞，將液晶顯示器件與控制、驅動集成電路裝在一起，形成一個功能部件，用戶只需用傳統(tǒng)工藝即可將其裝配成一個整機系統(tǒng)。從廣義上說，凡是由液晶顯示器件和集成電路裝配在一起的部件都屬于“模塊”，但實際上我們通常所說的“模塊”主要是指點陣液晶顯示器件裝配的點陣液晶顯示模塊，特別因為是點陣液晶顯示器件產(chǎn)品除某些專用大批量的一些品種(如翻譯機、通訊用)，生產(chǎn)廠家是直

13、接向用戶供應液晶顯示器件外，幾乎所有通用型點陣液晶顯示器件都是加工成模塊后才供給用戶的，所以很容易形成“液晶模塊”就是“點陣液晶模塊”的誤解。第二章 gps定位系統(tǒng)簡介2.1 gps簡介 導航衛(wèi)星定時測距全球定位系統(tǒng)(navigation satellite timing and ranging global position system gps)是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它在 1973 年底由美國陸?？杖姷葐挝粎f(xié)調分工提出的能取代舊式的導航設備 ,為軍用艦船、飛機車輛等用戶提供全球全天候、連續(xù)實時服務的高精度三維導航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和地面接收機部分組成。定位服務包括精密

14、定位服務( pps)和標準定位服務(sps) 。pps授權的精密定位系統(tǒng)用戶需要密碼設備和特殊的接收機。sps對于普通民用用戶 ,供全世界用戶免費、無限制地使用2。由于gps具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實時性好、抗干擾能力強等特點,近年來在國內外得到廣泛的應用 ,在各個領域發(fā)揮了極大的作用 ,已成為信時代不可缺少的一部分。各種 gps民用產(chǎn)品的開發(fā) ,已是經(jīng)濟和社會發(fā)展的必然要求 ,其前景將會非常廣闊和光明 ,尤其是在我國 ,通過這些年來對它認識不斷加深 ,我國的gps開發(fā)應用也一定會以科技力量推動經(jīng)濟和社會發(fā)展的一顆巨星 ,對我國的經(jīng)濟和社會的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。2.2 gps定位系

15、統(tǒng)的基本原理 gps定位原理gps定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示，假設t時刻在地面待測點上安置gps接收機，可以測定gps信號到達接收機的時間t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式。2.3 gps模塊定位流程1搜索可用衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導航電文信息；2從導航電文中獲取計算位置所需的信息，這些信息應該包括時鐘信息和星歷等數(shù)據(jù)；3計算衛(wèi)星的準確位置，這包括計算衛(wèi)星的高度和方位角，從而進行必要的對流層校正；4計算偽距，并進行電離層校正等；5重復上述過程，對所有可用衛(wèi)

16、星進行相應的計算；6進行其他必要的校正，例如根據(jù)衛(wèi)星信號到達gps接收機的時間，校正地球旋轉所造成的衛(wèi)星位置的偏差；7根據(jù)定位原理，計算出gps接收機的初始位置，并將其轉換成所需的坐標格式進行顯示或輸出；8加入閏秒和utc（標準世界時）時間補償計算當前精確的時間；9分析可用衛(wèi)星的信息，計算最好的dop(dilution of precision)，進行選星，并計算和修正gps接收機的位置，給出gps接收機的三維坐標和準確的時間信息。2.4 nmea-0183數(shù)據(jù)格式序號命令說明最大幀長1$gpgga全球定位數(shù)據(jù)722$gpgsa衛(wèi)星prn數(shù)據(jù)653$gpgsv衛(wèi)星狀態(tài)信息2104$gprmc運

17、輸定位數(shù)據(jù)705$gpvtg地面速度信息346$gpgll大地坐標信息7$gpzdautc時間和日期第三章 硬件連接電路3.1單片機硬件核心控制任務是由單片機來完成的，單片機的采用使硬件電路設計大大簡化，而性能更加可靠。目前，可采用的微處理器有很多種，如:mcs-51、me6sol、280、eopsoo、等8位單片機，雖然16位單片機在1982年已經(jīng)問世，但其發(fā)展并不象人們想象的那樣快，盡管在某些性能指標方面超過了8位單片機，但從性能價格比及開發(fā)周期等綜合效益上不如8位單片機，因此應用并不普及。在本次設計中，采用mcs-51系列單片機，雖然信號處理和計算的功能相對差些，但其結構簡單、體積小、性

18、價比高、可靠性高、功耗小及應用范圍廣，適合于小型化作業(yè)。因此，筆者選擇了at89c51單片機作為微控制器。它具有全雙工異步通信口 ,可與gr-87接口進行數(shù)據(jù)讀取 ,處理和輸出。gps信號接收和處理部分與單片機進行串口通信時,由于都采用 ttl電平 ,故兩者之間不需進行電平轉換就可直接通信。3.2 gps模塊3.2.1 概述根據(jù)設計需要，gps模塊選用gr-87。holux gr-87是一個高性能，低功耗，小型的并且很容易聯(lián)合的gps模塊，它每次將跟蹤12枚衛(wèi)星，應用廣泛。當gr-87系統(tǒng)最初的自檢完成后，它開始處理衛(wèi)星所獲得的數(shù)并自動跟蹤。在正常情況下，它需要大約45秒達到位置進行定位，但如

19、果ephemeris數(shù)據(jù)知道，只用38秒即可。在被計算了之后，合法的位置、速度和時間等信息被傳送到輸出通道，通過串口傳送到單片機設備。gr-87運用最初的數(shù)據(jù)，例如前被存放的位置、日期和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，完成最大獲取。3.2.2 主要技術參數(shù)：1輸入電壓：3.3-5.5 vdc輸入。輸入電流 ；少于80 ma (沒有天線)；2 rf接口：天線連接器類型：mmcx，2.8 vdc產(chǎn)品 (任意產(chǎn)品vcc_in)；3極小的信號跟蹤：-159 dbm；4連續(xù)端口： 二個全雙工串行通信cmos 3v接口，可選擇的波特速率(4800默認， 9600， 19200， 38400)本設計選用4800；nmea 0

20、183版本2.2 ascii 輸出(gga， gsa， gsv， rmc (vtg，任意的gll和zda)； dgps協(xié)議rtcm sc-104消息類型1，2和9；sirf二進制位置，速度，高度，狀態(tài)輸出。3.2.3 管腳介紹管腳管腳名稱功能描述1vcc-5v+3.55.5vdc電量輸入2txa串行數(shù)據(jù)輸出端口a （cmos 3v：voh 2.4v vol 0.4v ioh=iol=2ma）3rxa串行數(shù)據(jù)輸入端a (cmos 3v： vih0.7*vcc vil0.3*vcc)4rxb串行數(shù)據(jù)輸入端b (cmos 3v： vih0.7*vcc vil0.3*vcc)5gnd接地6時鐘/復位時

21、鐘 ：1pps時鐘信號輸出(vil0.2v脈沖寬度10ms)。 復位： 復位輸入3.3 顯示部分液晶顯示lcd（liquid crystal display），是利用液晶材料在電場作用下發(fā)生位置變化，而遮蔽/通透光線的性能制作成為一種重要平板顯示器件。通常使用的lcd器件有tn型（twist nematic，扭曲向列型液晶）、stn型（super tn，超扭曲向列型液晶）和tft型（thin film transistor，薄膜晶體管型液晶）。tn、stn、tft型液晶，性能依次增強，制作成本也隨之增加。tn和stn型常用作單色lcd。stn型可以設計成單色多級灰度lcd和偽彩色lcd，tft

22、型常用作真彩色lcd。采用 lcm 液晶顯示模塊作為人機交互界面。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、pcb 線路板、背光源、結構件裝配在一起的組件。字符型液晶顯示模塊目前在國際上已經(jīng)規(guī)范化，無論顯示屏規(guī)格如何變化，其電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。從性價比等方面考慮，這里選用長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的字符型液晶顯示模塊smc1602，它是一種用5x7位圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等。本設計以常用的2行16個字的1602液晶屏來構成整個系統(tǒng)的顯示模塊。smc1602采用標準的16腳接口，具體定義如下:16腳接口引 線

23、 號符 號名 稱功 能1vss接地0v2vdd電路電源5v10%3vl液晶顯示偏壓信號調節(jié)對比度4rs寄存器選擇信號h:數(shù)據(jù)寄存器 l:指令寄存器5r/w讀/寫信號h:讀 l:寫6e片選信號下降沿觸發(fā),鎖存數(shù)據(jù)7|14db0|db7數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)傳輸15bla背光源正極提供背光16blk背光源負極提供背光主要技術參數(shù)：技術參數(shù)顯示容量162個字符芯片工作電壓4.55.5v工作電流2.0ma(5.0v)模塊最佳工作電壓5.0v字符尺寸2.954.35(wxh)mm第四章 軟件設計4.1系統(tǒng)軟件概述系統(tǒng)的軟件流程是：開機上電后初始化，然后單片機開始接收gps模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)有

24、效則顯示所需的信息，數(shù)據(jù)無效則等待直至收到有效數(shù)據(jù)。在等待過程中，單片機響應鍵盤輸入的信息，但鍵盤輸入不是必須的。系統(tǒng)圖如圖所示：系統(tǒng)軟件由以下模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機對話模塊。初始化模塊完成開機上電后對單片機和液晶顯示器初始化。對單片機設置串口工作模式和中斷工作模式；對液晶顯示器設置開機畫面和顯示模式。數(shù)據(jù)處理模塊主要是從gps模塊接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的有效性，對有效數(shù)據(jù)進行相應的格式處理，然后等待送液晶顯示器顯示。數(shù)據(jù)處理模塊的工作從開機上電開始一直連續(xù)不斷的進行，直到關機為止。人機對話模塊主要是相應的顯示器顯示。該部分完成從單片機讀數(shù)據(jù)到液晶顯示器和從液晶顯示器讀數(shù)據(jù)到單片

25、機的雙向傳輸工作。4.2軟件程序的編寫4.2.1 初始化模塊1單片機 根據(jù)3.2對單片機串行通信的詳細介紹可知： 本設計選擇串行通信工作方式1并允許接收；選擇定時器1，模式2；根據(jù)波特率為4800b/s,計算出定時器計數(shù)初值；啟動定時器1；開總中斷、串口中斷。2液晶顯示通過初始化函數(shù)lcminit()進行初始化，然后又調用顯示字符串函數(shù)以便讓屏幕顯示gps monitor v1.2字樣，表示準備工作，接著延時400ms然后調用清屏函數(shù)進行一次清屏。4.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊負責處理從gps模塊接收到的數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)格式符合nmea 0183 ascii碼接口協(xié)議，所以接收到的數(shù)據(jù)

26、會轉換為需要的信息。1接收總流程圖 圖5-2 接收總流程圖2命令類型判斷流程圖（以 gpgga為例） 圖5-3 命令類型判斷流程圖 當類型數(shù)據(jù)接收完畢，先判斷類型。本設計中有3種類型數(shù)據(jù)，即gpgga、gpgsv、gprmc。如果接收到的是gpgga，則將命令類型置1，接收命令模式賦為2，逗號和位數(shù)均清空。 3gpgga數(shù)據(jù)存儲流程圖圖5-4 gpgga數(shù)據(jù)存儲流程圖 開始接收類型數(shù)據(jù)。此時，當逗號計數(shù)為2且位計數(shù)小于9，就將緯度數(shù)據(jù)一位一位存儲起來（存儲一位后ri便置0以接收下一位）。當接收數(shù)據(jù)為“，”時，則逗號計數(shù)加1為3同時位計數(shù)清空，如果位計數(shù)小于1，則將緯度方向數(shù)據(jù)一位一位存儲起來（同上）。當逗號計數(shù)再加1為4時同時位計數(shù)清空，這時位計數(shù)只要小于10，就將經(jīng)度數(shù)據(jù)一位一位存儲起來（同上）。依次類推，會順次將經(jīng)度方向、定位判斷、定位使用的衛(wèi)星數(shù)、高度處理存儲起來。然后會接收到“*”，說明整句接收完成并將