畢業(yè)設(shè)計--基于單片機的GPS導(dǎo)航裝置的設(shè)計（含外文翻譯）.doc

洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的GPS導(dǎo)航裝置的設(shè)計摘 要GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS技術(shù)在軍事、通訊、勘探、氣象、導(dǎo)航、大地測量等眾多學(xué)科領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用，推動了科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，也豐富了人們的科學(xué)文化生活。因其具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點，作為先進的測量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入到了國民經(jīng)濟建設(shè)國防建設(shè)和社會發(fā)展的各個應(yīng)用領(lǐng)域。本次設(shè)計采用GPS模塊（M-87），基于單片機STC89C52來實現(xiàn)GPS定位信息顯示系統(tǒng)。本設(shè)計詳細介紹了一種成本低廉，操作簡單的經(jīng)濟型GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計方案。本方案基于STC89C52單片機，LOLUX M-87，12864液晶顯示屏等硬件，應(yīng)用C語言進行編程，可以完成GPS信息的提取，顯示時間、經(jīng)度、緯度等信息。分別從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等方面對其做了詳細的闡述，并結(jié)合硬件的特點研究了STC89C52單片機如何與GPS接收模塊實現(xiàn)串行通信，該系統(tǒng)是根據(jù)GPS模塊數(shù)據(jù)輸出基本原理設(shè)計而成的。這種設(shè)計精度高、體積小、攜帶方便，可以實現(xiàn)全天候?qū)崟r定位導(dǎo)航。關(guān)鍵詞：GPS，單片機，LOLUX M-87，12864液晶屏 Design of GPS positioning system based on single-chip computerABSTRACTGPS is Global Positioning System in English. GPS technology has obtained extremely widespread application in military, communications, exploration, weather, navigation, geodesy, and many other fields. It promots a rapid development of science and technology and has enriched peoples scientific and cultural life. It has good performance, high precision, wide application characteristics. As advanced measuring method and the new productive forces, it has been integrated into the national economic construction of national defense construction and social development in various application fields. This design uses the GPS module (M-87) to realize the GPS positioning information display system which is based on the micro-controllerSTC89C52. This design detailedly introduces a kind of low cost, simple operation, economical GPS positioning system design scheme. This scheme bases on STC89C52 , LOLUX M-87, 12864 LCD screen and other hardware, and apply C language to programme. It can complete the GPS information extraction and display information such as time, longitude, and latitude. Respectively from the hardware design and software design, it has given a detailed elaboration. It combines the characteristics of the hardware to study how STC89C52 single-chip microcomputer implements serial communication with GPS receiving module. The system is designed based on the basic principle of GPS module data output. The design of high precision has small volume and was convenient to carry, and it can realize the all-weather real-time positioning navigation.KEY WORDS：GPS，Single chip microcomputer，LOLUX M-87，LCD12864 - 2 -目錄第1章 緒論21.1 課題背景及意義21.2 論文主要內(nèi)容2第2章 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)42.1 GPS簡介42.1.1 GPS特點42.1.2 GPS用途42.2 GPS組成概述52.2.1 空間星座部分52.2.2 地面監(jiān)控部分52.2.3 用戶設(shè)備部分62.3 GPS定位基本原理62.4 GPS通信協(xié)議7第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計93.1 系統(tǒng)功能93.2 系統(tǒng)組成93.3 系統(tǒng)方案的選擇93.3.1 方案一93.3.2 方案二93.4 定位導(dǎo)航硬件模塊選取103.4.1 單片機的選取103.4.2 GPS模塊的選取103.4.3 液晶顯示模塊的選取103.4.4 天線的選取11第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計124.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)124.2 單片機與GPS接收機的接口模塊設(shè)計124.2.1 單片機STC89C52介紹124.2.2 GPS模塊LOLUX M-87介紹164.2.3 STC89C52與LOLUX M-87的接口電路設(shè)計174.3 單片機與LCD顯示模塊接口電路184.3.1 LCD12864介紹184.3.2 LCD顯示模塊與STC89C52硬件接口設(shè)計20第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計225.1 系統(tǒng)總流程225.2 LCD顯示程序設(shè)計225.2.1 LCD模塊初始化225.2.2 LCD模塊顯示程序235.3 GPS信息提取23第6章 系統(tǒng)調(diào)試266.1 硬件調(diào)試266.2 軟件調(diào)試266.3 實驗結(jié)果27結(jié)論28謝 辭29參考文獻30附錄32外文資料翻譯66前言伴隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設(shè)速度越來越快，道路越來越復(fù)雜，人們的出行也越來越頻繁，然而擁堵的交通現(xiàn)狀令人們的出行舉步維艱。你可以理解每天上下班都要提前一小時左右的時間去打車或開車嗎？你能夠想象在公路上堵車幾個小時是什么滋味嗎？其實大家完全不必糾結(jié)于這種現(xiàn)狀，GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的問世徹底解決了人們外出的煩惱。它能夠使人們從容地面對錯綜復(fù)雜的交通網(wǎng)。然而，縱觀國內(nèi)的GPS導(dǎo)航市場，成型的GPS產(chǎn)品價格各異，性能更是參差不齊，昂貴的費用令消費者望而卻步，因此研發(fā)一套價格適中的GPS產(chǎn)品一定會具有相當(dāng)廣闊的市場前景。我的本次設(shè)計就是受到這方面的啟發(fā)。雖然是初步的嘗試，還有待改進，但這是我經(jīng)多方研究后的成果。本文首先介紹了選題的背景及意義、GPS系統(tǒng)的特點及其定位基本原理、LOLUX M-87的工作原理，然后確定了最佳的設(shè)計方案。文中對STC89C52、NMEA-0183通訊協(xié)議、液晶顯示器LCD12864進行了詳細論述，并設(shè)計了單片機與GPS接收模塊的接口電路以及單片機與液晶顯示器的接口電路。通過C語言來是實現(xiàn)GPS信號的提取和顯示。經(jīng)過最后的調(diào)試，最終完成的簡易接收機可以顯示經(jīng)緯度和時間。本作品方便實用、簡單廉價，可實現(xiàn)全天候?qū)崟r定位導(dǎo)航，并可廣泛用于個人自助游、私家車定位等眾多領(lǐng)域。 第1章 緒論1.1 課題背景及意義GPS從1973年開始籌建到1995年完全建成，歷時22年，從此人類進入了以導(dǎo)航衛(wèi)星作為動態(tài)已知點的導(dǎo)航定位新時代。GPS是由24顆覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠確保任意時刻、任意地點都可以同時觀測到4顆以上衛(wèi)星，通過衛(wèi)星采集到的經(jīng)緯度和高度，來實現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時等功能。它能夠為飛機、船舶、車輛以及個人提供準確的路線，從而降低人們?yōu)閷ふ夷康牡囟冻龅馁Y源浪費，使作業(yè)效率和人們的生活質(zhì)量得到了一定程度的提高。 GPS是人類發(fā)明史上最具開創(chuàng)意義的科學(xué)技術(shù)之一，其憑借實時性、全球性、精確性等諸多優(yōu)越性能在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。GPS已被廣泛應(yīng)用于勘探、航海、運輸、航天等諸多領(lǐng)域。由于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候、高精度和自動測量的性能，其作為先進的測量工具，已經(jīng)融入到了經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和人們的日常生活中?？梢哉fGPS在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天發(fā)揮了不可估量的作用，而且全球定位技術(shù)對于人們的日常生活所起到的作用也將越來越不可忽視。 由此可見，GPS技術(shù)已經(jīng)延伸到各個領(lǐng)域的方方面面。要完成以上所述的各種用途，最基本的就是要具備能夠接受GPS信號且能夠調(diào)制輸出的設(shè)備，而這種設(shè)備最基本的功能就是能夠顯示當(dāng)時所處地點的經(jīng)緯度以及UTC標(biāo)準時間?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)有許多基于GPS接收模塊所開發(fā)的產(chǎn)品，如GPS手持機、車載GPS導(dǎo)航儀等，雖然其功能強大，但價格相對比較昂貴，而且對于普通應(yīng)用沒有必要。基于這種情況下，本次設(shè)計針對普通用戶使用GPS的切實需要，設(shè)計并制作基于單片機的GPS定位信息顯示系統(tǒng)。1.2 論文主要內(nèi)容本次設(shè)計的主要任務(wù)是在GPS和單片機的理論知識基礎(chǔ)上，選擇合適的單片機提取出GPS接收模塊接收的數(shù)據(jù)，并在液晶顯示模塊上顯示接收的數(shù)據(jù)。 本次設(shè)計過程中，要熟悉所選用的GPS接收模塊的性能指標(biāo)，結(jié)合STC89C52單片機的相關(guān)知識，實現(xiàn)對GPS接收到的衛(wèi)星信息的提取并在液晶顯示器上選擇性地顯示所需要的數(shù)據(jù)。第2章 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng) 2.1 GPS簡介2.1.1 GPS特點全球定位系統(tǒng)的主要特點： 1. 全球、全天候定位GPS由24顆衛(wèi)星組成，且均勻覆蓋在地球外圍的軌道網(wǎng)上，繞行周期為12小時，確保全球任意地點任意時間至少能觀測到4顆GPS衛(wèi)星，這樣就能提供全球全天候的導(dǎo)航、定位等服務(wù)。 2. 定位精度高實踐驗證，民用GPS衛(wèi)星定位接收機的單機定位精度可限制在100m以內(nèi)。但使用差分碼或載波技術(shù)的GPS卡可以獲得低于5m的定位精度。實際上，單頻L1GPS卡的實時精度可優(yōu)于20cm，Millennium卡實時精度可達2cm。應(yīng)用后處理軟件分析具有原始數(shù)據(jù)輸出的接收機所采集的數(shù)據(jù)，則可獲得毫米級的定位精度。 3. 觀測時間短 隨著GPS系統(tǒng)的不斷升級和相關(guān)軟件功能的增強，如今，相對靜態(tài)定位在20km內(nèi)，觀測時間只有20min。而對于快速靜態(tài)相對定位測量，當(dāng)每個探測器距基準站15公里之遙，探測器觀測時間僅為12min。當(dāng)采用實時動態(tài)定位測量時，僅需幾秒。2.1.2 GPS用途全球定位系統(tǒng)的主要用途： 1. 陸地應(yīng)用，主要包括日常出行導(dǎo)航、車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)控、應(yīng)急車輛的快速引導(dǎo)、大型建筑和煤氣田的沉降檢測、大氣物理觀測、工程建設(shè)的放樣測量等； 2. 海洋應(yīng)用，主要包括海洋救援的搜索、海底管道的鋪設(shè)測量、海底地形的精細測量、遠洋船舶的最佳航線測定等； 3. 航空航天應(yīng)用，主要包括航空救援的搜索、民航飛機的在途自主導(dǎo)航、機載地球物理勘探、衛(wèi)星入軌和回收時的實時點位測量、低軌道通訊衛(wèi)星群的實時軌道測量等1-3。2.2 GPS組成概述2.2.1 空間星座部分全球定位系統(tǒng)的空間部分由24顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星的高度約為20200千米，運行周期約為12小時。工作衛(wèi)星分布在6個與赤道面成55度角 的軌道面內(nèi)，每個軌道面有4顆衛(wèi)星。各軌道面相距60度，相鄰軌道上的衛(wèi)星超前或滯后30度。同一個觀測站每天提前4分鐘看到相同的衛(wèi)星分布圖形。每顆衛(wèi)星每天在地平線上的時間約為5個小時，隨時間和地點的變化位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目也在改變，數(shù)目在411顆之間變化。上述特點確保了隨時隨地可以同時觀測到至少4顆衛(wèi)星，使GPS定位系統(tǒng)能夠在全球絕大多數(shù)地方實現(xiàn)全天候、高精度、連續(xù)實時定位導(dǎo)航。2.2.2 地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由1個主控站、5個監(jiān)測站和3個注入站組成。 1. 主控站主控站設(shè)在科羅拉多。除全面控制所有地面監(jiān)控部分外，其主要任務(wù)是：根據(jù)本站與其他監(jiān)測站的全部觀測數(shù)據(jù)推演編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星軌道等，并傳遞這些數(shù)據(jù)到注入站。提供GPS時間基準。測出各監(jiān)測站及GPS衛(wèi)星與主控站的原子鐘差，將這些鐘差編入導(dǎo)航電文，并傳遞至注入站。使偏離軌道的衛(wèi)星沿預(yù)定的軌道運行。當(dāng)有工作衛(wèi)星失效時，啟用備用衛(wèi)星代替4-5。2. 監(jiān)控站監(jiān)控站是數(shù)據(jù)自動采集中心，在主控站的直接控制下。站內(nèi)設(shè)有GPS接收機、提供時間基準的原子鐘、進行數(shù)據(jù)初步處理的計算機和收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器。監(jiān)控站的主要任務(wù)是搜集各監(jiān)控站的全部觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機初步處理后傳送到主控站，用來推算衛(wèi)星的精密軌道。 3. 注入站注入站的主要任務(wù)是往相應(yīng)的衛(wèi)星存儲系統(tǒng)中正確地注入衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他控制指令，每顆衛(wèi)星每天進行一次注入，全部過程都在主控站的控制下完成。2.2.3 用戶設(shè)備部分GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分為用戶的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而用戶只有通過接收機設(shè)備，方能應(yīng)用GPS來實現(xiàn)導(dǎo)航和定位。用戶設(shè)備的主要任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成導(dǎo)航和定位工作。GPS接收設(shè)備隨用戶的要求而不同，隨著GPS定位技術(shù)在全球生產(chǎn)和日常生活中越來越不可忽視，開發(fā)適用于不同需求的GPS接收機及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件已勢在必行。2.3 GPS定位基本原理GPS系統(tǒng)定位的基本原理是以衛(wèi)星的瞬時位置為已知點，采用空間距離交會的技術(shù)來推算待測點的位置。GPS接收機在工作狀態(tài)下會不停地接受并計算出導(dǎo)航定位信息，然后傳送到計算機中，最后綜合多顆衛(wèi)星的采集數(shù)據(jù)來計算出用戶的位置。GPS系統(tǒng)衛(wèi)星部分不停地發(fā)送導(dǎo)航電文，用戶將從導(dǎo)航電文中提取的衛(wèi)星時間與自己的時鐘作對比，便能夠得到與衛(wèi)星的距離，然后利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時的位置，從而便可得知用戶在大地坐標(biāo)系中的位置、速度等信息。由于用戶接收機的時鐘與星載時鐘存在鐘差，因此除用戶的三維坐標(biāo)X、Y、Z外，還需將鐘差作為未知數(shù)，引進t，然后列出關(guān)于用戶接受器與衛(wèi)星之間距離的四個方程，解方程，即可得到用戶接收機的位置。所以至少收到4顆衛(wèi)星的信號，才能推算出用戶的具體位置6-8。2.4 GPS通信協(xié)議NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備自定的標(biāo)準格式，它是GPS接收機所使用的最廣泛的標(biāo)準協(xié)議。NMEA-00183在海用設(shè)備的標(biāo)準格式基礎(chǔ)上增加了GPS接收機輸出內(nèi)容。除一些先期的GPS接收機外，幾乎全部的GPS接收機都采用該數(shù)據(jù)格式。此協(xié)議能夠在不同的GPS設(shè)備中建立統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準。NMEA-0183數(shù)據(jù)格式的使用大大提高了GPS接收模塊的通用性和互換性。其串行通信默認參數(shù)為：波特率=9600bps，數(shù)據(jù)位=8bit，開始位=1bit，停止位=1bit，無奇偶校驗。NMEA-0183協(xié)議定義的語句很多，常用的語句如表2-1所示。表2-1 GPS信息類型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運輸定位數(shù)據(jù)705$GPVTG地面速度信息346$GPGLL大地坐標(biāo)信息7$GPZDAUTC時間和日期6洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）本設(shè)計中所需要的信息只有經(jīng)度、緯度和時間，而這些信息都可以從“$GPRMC”幀中得到，對“$GPRMC”幀格式做如下介紹：$GPRMC,*l UTC（Coordinated Universal Time）時間，HHMMSS（時分秒）格式；l 定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位；l Latitude，緯度DDMM.MMMM（度分）格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）；l 緯度半球N（北半球）或S（南半球）；l Longitude，經(jīng)度DDDMM.MMMM（度分）格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）；l 經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）；l 地面速率（000.0999.9節(jié)，Knot，前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）；l 地面航向（000.0359.9度，以正北為參考基準，前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）；l UTC日期，DDYYMM（日月年）格式；l Magnetic Variation，磁偏角（000.0180.0度，前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）；l Declination，磁偏角方向，E（東）或W（西）；l Mode Indicator，模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效）；l 校驗和9。第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計3.1 系統(tǒng)功能文中研究的GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)綜合運用了單片機技術(shù)、GPS技術(shù)和通信技術(shù)。整體采用串口通信，利用GPS定位技術(shù)信息處理等手段，實現(xiàn)對用戶接收機的定位，獲取經(jīng)度、緯度和時間等相應(yīng)信息并在液晶顯示屏上顯示出來，以達到實時定位的效果。3.2 系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)融合了眾多先進的科學(xué)技術(shù)，所需要的技術(shù)支持包括GPS定位技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)。綜合各方面考慮，本次設(shè)計的系統(tǒng)共集成了三大功能模塊，即信息接收模塊、信息處理模塊和顯示模塊。3.3 系統(tǒng)方案的選擇3.3.1 方案一系統(tǒng)由GPS-OEM板、電平轉(zhuǎn)換電路（MAX232）、控制電路（8051單片機）、顯示部分（SED1335彩色液晶顯示器）組成。但在和單片機進行串行通信時由于電平不同，必須附加轉(zhuǎn)換電路（MAX232），而且價格比較昂貴。單片機采用8051，功能全面，但其內(nèi)部ROM一般是掩膜ROM，不可更新改寫。SED1335彩色液晶顯示器其有效顯示點陣320240，顯示顏色為4色，但根據(jù)我們設(shè)計要求，單色顯示完全可以。故不采用此方案。3.3.2 方案二GPS模塊（M-87）、控制模塊（STC89C52單片機）、顯示模塊（12864液晶顯示器）組成。LOLUX M-87是一個高性能，低功耗，小型并且很容易聯(lián)合的GPS模塊。該芯片每次跟蹤12顆衛(wèi)星，應(yīng)用廣泛，而且不用附加電平轉(zhuǎn)換電路，可以直接與單片機進行串行通信。單片機采用STC89C52,相對于8051，其內(nèi)部ROM是FLASH-ROM,可以多次改寫，價格便宜。12864字符型液晶顯示器（LCD），可現(xiàn)實12864點陣或8個4行漢字，點尺寸為0.480.48（WH)mm，內(nèi)置ST7920接口型液晶顯示控制器，內(nèi)帶GB2312碼簡體中文字庫（1616點陣），可與單片機直接連接，具有8位并行的連接方式，廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表及電子設(shè)備。綜上所述，方案二更加實用，根據(jù)實際需要，設(shè)計采用此方案。3.4 定位導(dǎo)航硬件模塊選取3.4.1 單片機的選取綜合常見的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，本設(shè)計采用AT89C52單片機與GPS接收模塊構(gòu)成定位導(dǎo)航終端。所有系統(tǒng)軟件都存放在AT89C52的存儲器中，它是該設(shè)計的中樞。STC89C52與GPS接收機之間通過串口通信，將GPS串口輸出的信息處理，得出用戶接收機的地理信息（經(jīng)緯度，時間），并在液晶顯示屏上顯示出來。3.4.2 GPS模塊的選取對于GPS模塊的選取來講，通常從技術(shù)參數(shù)、所支持的通信協(xié)議、控制接口和成本4個方面綜合考慮。目前商用的GPS模塊，大都支持16通道，采用C/A編碼，其中最大更新速率為4Hz，而具有授時功能或具有DGPS差分功能的模塊在價格上要高出許多。本系統(tǒng)選用的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊是LOLUX M-87，它是一個高性能，低功耗，小型的并且很容易聯(lián)合的GPS模塊。該芯片每次跟蹤12顆衛(wèi)星，應(yīng)用廣泛。而且不用附加電平轉(zhuǎn)換電路，可以直接與單片機進行串行通信。3.4.3 液晶顯示模塊的選取顯示模塊的選取常見的是利用LCD液晶屏或LED發(fā)光二極管顯示。本設(shè)計選取的是LCD12864液晶顯示屏，它是一種可以顯示漢字和圖形的點陣圖形液晶顯示模塊，該模塊接口方式靈活，操作指令簡單，可以構(gòu)成全中文人機交互圖形界面，且功耗低，價格相對較低。3.4.4 天線的選取由于天線原理復(fù)雜，有源天線內(nèi)核技術(shù)含量較高，且涉及硬件調(diào)試及高頻控制，因此選擇成品的天線。選擇時要注意天線的供電電壓和信噪比以及增益。本設(shè)計的天線為GPS ANTENNA，天線選用5V直流供電的有源天線，增益參數(shù)為2628dB，噪聲系數(shù)為1.4dB，頻率為1575.42MHz。有源天線的電壓由GPS模塊提供，天線水平放置。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)本次設(shè)計的系統(tǒng)在實現(xiàn)GPS信息的提取和處理的同時，還涉及定位信息顯示問題，其主要組成部分有GPS接收模塊LOLUX M-87、STC89C52單片機、QC12894B液晶顯示屏及外界按鍵等?？傮w設(shè)計框圖如圖4-1所示。圖4-1 總體設(shè)計框圖4.2 單片機與GPS接收機的接口模塊設(shè)計4.2.1 單片機STC89C52介紹STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，采用40引腳雙列直插封裝方式。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造，與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集合輸出管腳相兼容10-12。STC89C51引腳如圖4-2所示：圖 4-2 STC89C52引腳圖其引腳說明如下：主電源引腳：VCC（40腳）：電源端，為+5V; GND（20腳）：接地端。外接晶體引腳：XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩電路反相放大器的輸入端；XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩電路反相放大器的輸出端。 控制信號引腳：RST（9腳）：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此端口持續(xù)24個時鐘振蕩周期的高電平時，即可復(fù)位；PSEN（29腳）：程序存儲允許輸出信號端，當(dāng)片外程序存儲器取指令時，每個機器中周期兩次PSEN有效； ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許信號端；EA/VPP(31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端，接低電平時，CPU只訪問片內(nèi)Flash ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中指令，接高電平時，CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行片外程序存儲器中的指令。 可編程輸入/輸出引腳（32根）：STC89C52單片機有48位的可編程I/O端口，如表4-1所示。表4-1 STC89C52輸入/輸出口I/O口管腳名稱介紹P0口Pin39Pin32P0.0P0.78位準雙向I/O端口，地址低八位P1口Pin1Pin8P1.0P1.78位準雙向I/O端口，地址高八位P2口Pin21Pin28P2.0P2.78位雙向I/O端口P3口Pin10Pin17P3.0P3.78位雙向I/O端口在STC89C52中，P3端口的復(fù)用功能如表4-2所示。表4-2 P3端口引腳與復(fù)用功能表引腳復(fù)位功能引腳復(fù)位功能P3.0RXD：串行輸入口P3.4T0：定時器0的外部輸入P3.1TXD：串行輸出口P3.5T1：定時器1的外部輸入P3.2INT0：外部中斷0P3.6WR：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3.3INT1：外部中斷1P3.7RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通STC89C52主要功能如表4-3所示。 表4-3 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦拭Flash ROM32個雙向I/O口256*8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時計數(shù)器中斷時鐘頻率024MHZ2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能下面簡單介紹下單片機的時鐘電路與復(fù)位電路。1.時鐘電路STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該反相放大器的輸入端和輸出端。兩端跨接相應(yīng)晶振和兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2通常取30pF左右，可以穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。如圖4-3所示13。圖4-3 STC89C52內(nèi)部時鐘電路圖 2.復(fù)位復(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。除了進行系統(tǒng)的正常初始化之外，由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動14。當(dāng)單片機的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RST引腳高電平到時，單片機復(fù)位。RST/VPD端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生則為上電復(fù)位，若通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱為手動復(fù)位。對于51單片機應(yīng)用系統(tǒng)一般有兩種復(fù)位方式，包括上電復(fù)位和手動復(fù)位。在時鐘電路工作后，只要單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位，而在設(shè)計過程中，通常使高電平保持在10ms以上。這里采用手動復(fù)位方式。當(dāng)按鈕按下的瞬間，接通電路，給電容充電，實現(xiàn)RST端的高電平，使單片機復(fù)位，而按鈕釋放時電容器放電，使高電平的產(chǎn)生時間比較長。其示意圖如圖4-4所示。圖4-4 按鈕復(fù)位電路示意圖4.2.2 GPS模塊LOLUX M-87介紹下面我們來介紹一下GPS信息接收器的其中一種，也就是本方案將要用到的信息接收模塊LOLUX M-87。其主要參數(shù)如下：1. 芯片為MTK，系統(tǒng)內(nèi)存4MB,波特率為4800bps；2. 靈敏度：159dBm，衛(wèi)星通道：32通道；定位精度： NS= bufGetComma(4, buf);GPS - EW= bufGetComma(6, buf);GPS-latitude=Get_Double_Number(&bufGetComma(3, buf);GPS-longitude=Get_Double_Number(&bufGetComma(5, buf); GPS-latitude_Degree =(int)GPS-latitude/100; /分離緯度 lati_cent_tmp=(GPS-latitude-GPS-latitude_Degree*100);GPS-latitude_Cent=(int)lati_cent_tmp;lati_second_tmp=(lati_cent_tmp-GPS-latitude_Cent)*60;GPS-latitude_Second=(int)lati_second_tmp; GPS-longitude_Degree=(int)GPS-longitude/100;/分離經(jīng)度 long_cent_tmp=(GPS-longitude-GPS-longitude_Degree*100); GPS-longitude_Cen=(int)long_cent_tmp; long_second_tmp=(long_cent_tmp-GPS-longitude_Cent)*60; GPS-longitude_Second=(int)long_second_tmp; speed_tmp=Get_Float_Number(&bufGetComma(7,buf);/速度(單位：海里/時) GPS-speed=speed_tmp*1.85; /1海里=1.85公里 GPS-direction=Get_Float_Number(&bufGetComma(8, buf); /角度 GPS-D.hour=(buf7-0)*10+(buf8-0);/時間 GPS-D.minute=(buf9-0)*10+(buf10-0);GPS-D.second=(buf11-0)*10+(buf12-0);tmp=GetComma(9, buf);GPS-D.day=(buftmp+0-0)*10+(buftmp+1-0); /日期 GPS-D.month=(buftmp+2-0)*10+(buftmp+3-0);GPS-D.year=(buftmp+4-0)*10+ (buftmp + 5 - 0)+2000;UTC2BTC(&GPS-D);return 1;return 0;第6章 系統(tǒng)調(diào)試6.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試的主要任務(wù)是排除硬件故障，其中包括設(shè)計的錯誤和工藝性故障等。 1. 檢查硬件電路板所有的器件和引腳是否正確。 在電板加電前，根據(jù)電氣原理圖，先用萬用表檢查逐點檢查，查看電源走線，防止電源短路和極性錯誤的發(fā)生，還要檢查信號線是否通暢以及線路是否存在開路和短路現(xiàn)象。加電后，要注意每個電器元件的引腳電壓是否存在異常。 2. 將電線插頭直插入單片機STC89C52插座進行調(diào)試，通過編程器將生成的（.hex）文件導(dǎo)入單片機STC89C52中。 3. 將寫入程序的單片機插入硬件電路單片機管座，查看液晶顯示器LCD12864顯示結(jié)果是否符合設(shè)計要求。6.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具Keil進行調(diào)試，能夠準確發(fā)現(xiàn)程序語法錯誤以及硬件故障。軟件調(diào)試是對各個模塊依次進行的，首先，單獨調(diào)試各子程序，看其能否實現(xiàn)預(yù)期功能，然后檢查接口電路的控制正常與否，最后調(diào)試全部程序，確保各模塊間夠正確地傳遞參數(shù)。1. 檢查LCD12864顯示程序，觀察在液晶顯示器上能否顯示相應(yīng)的字符。2. 檢查GPS模塊程序，通過觀察LCD12864液晶顯示情況了解GPS信號接收狀況。3. 通過GPS模塊程序和LCD12864液晶顯示模塊程序的結(jié)合，觀察LCD12864液晶顯示器上的GPS顯示信息。6.3 實驗結(jié)果27結(jié)論本課題是在充分了解了GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)的一套GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在開發(fā)和研制的過程中，通過查閱有關(guān)導(dǎo)航定位資料，了解到了GPS的定位原理及各部分工作流程。GPS信號接收和處理由LOLUX M-87來實現(xiàn)，通過M-87與AT89C51單片機的串口連接并配備了相關(guān)的外圍電路和液晶顯示器LCD12864，顯示器能夠顯示中文漢字，文中詳細介紹了接收機的硬件以及軟件設(shè)計。最終，完成的GPS接收機能夠正常工作，同時顯示的經(jīng)緯度和時間等各方方面指標(biāo)都滿足要求。這次畢業(yè)設(shè)計加深了我對GPS的理解，同時也讓我學(xué)到了很多實用的知識，學(xué)會了如何來制定并實現(xiàn)計劃，不僅鞏固了課本上所學(xué)到的知識，而且掌握了一些書本上不可能了解的東西，最重要的是我學(xué)會了通過獨立思考來解決問題的一套系統(tǒng)的研究方法。通過這次設(shè)計是我懂得了理論聯(lián)系實際的重要性，只有勤動手，多實踐，才能提高整體能力，不至于眼高手低。同時我還發(fā)現(xiàn)了自己的不足，例如對學(xué)過的知識掌握尚不夠扎實，C語言編程能力有待提高。在今后的日子里，我一定會加倍努力，提高自己的整體水平。同時，由于本人能力有限、時間短等問題，設(shè)計尚有許多不足，需要多加改進。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文謝 辭 本課題是在張老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從開始選題直至最后截稿，張老師給予了耐心的指導(dǎo)和極大的幫助。張老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的學(xué)識給我很大的影響。張老師的平易近人讓我們倍感親切，在設(shè)計階段，張老師總是耐心的給我們講解，幫助我們調(diào)試系統(tǒng)。張老師的循循善誘讓我受益匪淺，在關(guān)鍵的階段，張老師總是給予引導(dǎo)，讓我自己去尋求最佳方案，而非直接公布結(jié)果，這不僅鍛煉了我獨立思考并解決問題的能力，同時也是為我負責(zé)。此外，還要感謝那些平時經(jīng)常交流經(jīng)驗的同組同學(xué)，在共同的學(xué)習(xí)交流中，我不僅收獲了學(xué)識，還有友情。感謝所有在大學(xué)期間幫助過我的人們，是你們讓我成長，是你們讓我的大學(xué)生活變得充滿色彩。感謝你們！參考文獻1安妮.基于單片機的 GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計.科技與生活,2012(5):116-1162陳賽, 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