基于单片机的GPS设计.docx
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基于单片机的GPS设计
毕业设计〔论文〕说明书
题目:
基于单片机的GPS设计
系别:
专业班级:
学生XX:
指导教师:
提交时间:
2021年5月10日
摘要
本设计根据GPS模块数据输出原理,基于GPS接收模块、51系列单片机、1602液晶显示屏等元件实现的一台小体积、方便携带、能够独立使用的实时定位导航设备。
本设计主要研究GPS接收模块与单片机的串行通信,分别从硬件和软件两方面同步GPS的实时显示设计。
硬件局部主要由STC90C51单片机最小系统模块、,GPS接收模块、LCD液晶显示模块、电源模块等组成。
本设计软件方面以单片机的汇编语言进展,编写完成程序后,用软件wave进展调试,无误后在Proteus8软件进展单片机嵌入仿真。
关键词:
单片机;GPS;1602液晶屏;串行通信;
ABSTRACT
ThedesignmodulebasedonGPSdataoutputtheory,basedGPSreceivermodule,51series,1602LCDdisplayandotherponentstoachieveasmallsize,portable,real-timepositioningandnavigationequipmentcanbeusedindependently.
ThisdesignstudyGPSreceivermoduleandsingle-chipserialmunications,GPSsynchronizedseparatelyfromthehardwareandsoftwareaspectsofreal-timedisplaydesign.ThehardwareconsistsofSTC90C51smallestsingle-chipsystemmodule,,GPSreceivermodule,LCDliquidcrystaldisplaymodules,powersupplymodulesandotherponents.Thedesignsoftwareinmicrocontrollerassemblylanguage,aftertheirpletionprogram,usingsoftwarewavedebugandcorrectinProteus8softwareembeddedmicrocontrollersimulation.
KEYWORDS:
GPS(GlobalPositioningSystem);MCU51;1602LCDscreen
第1章引言
1.1课题的背景及意义
自第一颗GPS试验卫星于1978年2月22日入轨运行以来,以卫星为动态点的无线电导航定位时代就已经开启。
陆地、海洋及空间上的无数用户可以通过具有接收、跟踪、变换和测量GPS导航定位信号功能的接收机就能够随时随地共享GPS卫星发送的导航定位信号,以此来计算GPS测量点七维状态和三维状态参数。
GPS卫星的运行,不仅为用户提供定位信号,GPS技术带来的高精度、全天候、全天时的新的测量技术还在地球物理学、大地测量学、地球运动力学、天体力学、载人航天学、全球气象学和全球海洋学等学科上做出了巨大奉献。
实时地显示所在地的经纬度和UTC标准时间是GPS设备的最根本功能,但要能实现这一功能,就要求设备最根本的能够接收GPS信号并可以调制输出。
现今市面上的车载GPS导航仪、GPS手持机等基于GPS接收模块开发的产品,虽然功能强大,但是造价昂贵,对于一般应用而言没有必要。
故基于这一背景,此设计制作了一款低本钱的能够满足用户对于GPS的一般需求的基于单片机的采集与显示定位信息的GPS手持设备。
1.2总体方案的设计
该GPS设备在硬件上主要包括U-BLOXNEO-6M〔GPS信号接收模块〕、AT890C51、1602LCD、电源四局部。
GPS信号接收模块〔U-BLOXNEO-6M〕将收到的GPS卫星导航电文调制解码,转换为TTL的电平直接传送给单片机串口。
单片机经程序识别筛选接收到的GPS导航电文后送到显示模块,按照预先设定的排版方式显示在1602LCD液晶显示器上。
第2章GPS全球定位系统介绍与接收GPS定位信号方案
2.1GPS全球定位系统及GPS接收模块的研究
2.1.1GPS全球定位系统
全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
最初GPS建立主要谁为了给美国独霸全球战略的军事目的效劳。
到1994年3月,历时20多年的研究开发,耗资300亿美元,布设完成的24颗GPS卫星组成的星座全球覆盖率已达98%。
构成全球定位系统的三大局部:
●地面控制局部;
●空间局部;
●用户装置局部。
图2-1构成GPS全球定位系统的三大局部
全球定位系统的主要特点:
●全天候;
●全球覆盖;
●定位精度高;
●高效率:
●应用广泛多功能。
在离地面2万公里的高空上,24颗GPS卫星以固定的周期绕地运转,保证至少6颗卫星的定位信息能够在任一时间任一地点被同时接收到。
只需其中4颗卫星的信号,GSP接收模块就能给出三维坐标,时间和移动速度等参数
因为卫星的位置准确,在GPS观测中,我们得出卫星与GPS接收设备之间的距离,所以观测点的位置(X,Y,Z)可以利用3颗卫星组成三个方程式根据三维坐标中的距离公式解出。
实际上存在X、Y、Z和钟差这四个未知量,这是因为卫星时钟与接收机时钟存在误差,因此需要引入第4颗卫星,组成4个方程式求解,才能得到定位点的经纬度和高程。
2.1.2GPS接收模块的研究
接收机的关键局部是GPS接收模块,不同的接收模块功能各不一样,普通的接收模块构造主要由低噪声下变频器、并行信号通道、CPU、储存器等组成。
GPS接收模块的工作原理:
通过接收天线获取的卫星信号,再经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理,可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。
得到了卫星的位置信息和信号传播时间便可计算出天线所在的位置。
用户采用异步串行通信方式通过I/O接口与GPS接收模块进展通信。
图2-2GPS接收模块内部构造
2.2接收GPS定位信号方案
只有先完成接收和调制好GPS信号后,才能将接收到的GPS地理信息显示在液晶显示屏上。
我们有两种接收GPS信号的方案。
方案一:
选用GPS芯片,基于芯片设计GPS接收模块接收定位信号,然后在基于设计的接收模块完本钱设计。
方案二:
直接选用产品GPS接收模块获得定位信号完本钱设计。
选用方案一的话可以使我们掌握GPS接收模块的局部技术,但是难度较大不易实现,方案二的成品模块很容易在市面上买到,比拟容易实现。
故经过分析,选择方案二比拟适合本设计。
第3章基于单片机的GPS硬件设计
3.1基于单片机的GPS硬件总体构造
根据总体设计方案,该基于单片机的GPS硬件设计主要四局部构成:
1 由GPS信号接收局部〔U-BLOXNEO-6M信号接收模块〕;
2 控制芯片(AT89C51单片机〕;
3 显示局部〔1602LCD液晶显示模块〕;
4 电源这几局部构成。
图3-1基于单片机的GPS硬件总体构造框图
3.2基于单片机的GPS设计硬件局部介绍
3.2.1AT89C51微处理器主要性能
在本次设计中,采用微控制器为AT89C51单片机,其小体积、构造简单、性价比高、可靠性高、功耗小及应用范围广等特性适用于移动便携设备。
AT89C51的全双工异步通信口,更够跟U-BLOXNEO-6M接口进展数据读取、处理和输出。
且由于两者串口通信时,采用的电平方式均为TTL,故不需要电平转换便可直接连接。
AT89C51功能性能:
1.主要特性:
1.与MCS-51兼容
2.4K字节可编程闪烁存储器
3.全静态工作:
0Hz-24Hz
4.三级程序存储器锁定
5.128*8位内部RAM
6.32可编程I/O线
7.两个16位定时器/计数器
8.两个优先级别的五个中断源
9.可编程串行通道
10.低功耗的闲置和掉电模式
11.片内振荡器和时钟电路
图3-3AT89C51引脚图
3.2.2WaveshareU-BLOXNEO-6M信号接收模块介绍
该设计中的GPS信号接收模块所选用的是由XX市微雪电子XX所生产的WaveshareU-BLOXNEO-6M接收模块。
该模块在5V±10%范围的电压工作时,电流低至60mA,U-BLOXNEO-6M优异的节能特性使其得以更广泛的应用在移动手持设备上。
特性:
使用U-BLOXNEO-6M模组,自带高增益有源天线
波特率默认为9600,可以通过u-center修改
自带IPX接口,可以连接各种有源天线
自带可充电后备电池,可以掉电保存星历数据,实现热启动
自带EEPROM,保存配置信息
参数:
接口特性:
TTL电平,兼容3.3V/5V系统
接收特性:
50通道,GPSL1(1575.42Mhz)C/A码,SBAS:
WAAS/EGNOS/MSAS
定位精度:
2.5mCEP(SBAS:
2.0mCEP)
更新速率:
最大5Hz(默认1HZ)
捕获时间:
冷启动:
27S〔最快〕
热启动:
1S
追踪灵敏度:
-161dBm
捕获灵敏度(冷启动):
-147dBm
通信协议:
NMEA(默认)/UBXBinary
串口通信波特率:
默认9600
速度限制:
500m/s
高度限制:
50000m
工作温度:
-40摄氏度~85摄氏度
工作电压:
2.7V-5.0V(VCC引脚输入)
工作电流:
45mA
TXD/RXD阻抗:
510欧
使用说明:
VCC:
接3.3V/5V
GND:
接GND
TXD:
接MCU.RX
RXD:
接MCU.TX
PPS:
接MCU.IO时钟脉冲输出〔可不接〕
3.2.31602LCD液晶显示模块介绍
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA(5.0V)
模块最正确工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
配置LED背光
内带CGROM、CGRAM能够显示160个不同的点阵字符图形
多种软件功能:
光标显示、画面移位、自定义字符
其字符与图形在CGROM和CGRAM中的对应的关系如表3-1所示。
图3-41602液晶显示模块
表3-1CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应的关系
1602采用标准的16脚接口,其中:
引脚功能说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表3-2引脚接口说明表
14脚时无背光,16脚时带背光
引线号
符号
名称
功能
1
Vss
接地
0V
2
VDD
电路电源
5V±10%
3
VL
液晶显示偏压信号
调节比照度
4
RS
存放器选择信号
H:
数据存放器L:
指令存放器
5
R/W
读/写信号
H:
读L:
写
6
E
片选信号
下降沿触发,锁存数据
7
|
14
DB0
|
DB7
数据线
数据传输
15
BLA
背光源正极
提供背光
16
BLK
背光源负极
提供背光
表3-316脚接口
根据编程时所采用的方法,决定采用1602LCD液晶显示模块和单片机连接的方式:
图3-6AT89C51与1602LCD液晶显示模块的连接方式
3.2.4电源
为了设备的能够方便携带,所以决定选择电池给设备供电,考虑到系统各模块的最正确工作电压,应选择了5V锂电池。
3.3基于单片机的GPS硬件连接介绍
整个硬件设计要求GPS接收模块输出的信号连接器件将单片〔STC90C51〕、GPS信号接收模块、1206液晶显示模块、电源相连接实现系统功能。
硬件电路设计详图。
3-71206LCD与单片机的连接图
3-8单片机与GPS的接口图
第4章基于单片机的GPS软件设计
4.1GPSNAEA0183数据格式介绍
NMEA-0183是美国国家海洋电子协会〔NationalMarineElectronicsAssociation〕为海用电子设备制定的标准格式。
它是在0180和0182的标准格式的根底上参加GPS接收机输出。
NMEA-0183将包含经度、纬度、速度、时间、日期、航向、以及卫星信号情况等信息的语句以ASCⅡ字符码输出。
本设计只运用定位数据语句$GPRMC的构造为:
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh
;
GP:
交谈识别符;
RMC:
语句识别符;
hh:
校验和,表示“$〞与“*〞之间所有字符〔不包括$和*〕的按位异或值。
<1>:
UTC时间,hhmmss〔时分秒〕格式;
<2>:
定位状态,A=有效定位,V=无效定位;
<3>:
定位点纬度,ddmm.mmmm〔度分〕格式;
<4>:
纬度半球,N〔北半球〕或S〔南半球〕;
<5>:
定位点经度,dddmm.mmmm〔度分〕格式;
<6>:
经度半球,E〔东经〕或W〔西经〕;
<7>:
地面速率,000.0节~999.9节;
<8>:
地面航向,000.0度~359.9度;
<9>:
UTC日期,ddmmyy〔日月年〕格式;
<10>:
磁偏角,000.0度~180度;
<11>:
磁偏角方向,E〔东〕或W〔西〕。
4.2基于单片机的GPS软件开发环境
4.2.1程序编译环境――KeiluVision4
本设计的软件的开发环境为KeiluVision4。
KeiluVision4开发环境具有以下优点:
①真正的集成调试环境;
②众多强大软硬件调试手段,包括逻辑分析仪、跟踪器、逻辑笔、波形发生器、影子
存储器、记时器、程序时效分析、数据时效分析、硬件测试仪、事件触发器;
③集成了各种类的单片机,不仅支持汇编,还支持C、PL/M源程序混合调试;
④支持工程管理和软件模拟;
⑤支持点屏功能;
⑥支持各种数据类型的窗口观察;
⑦树状构造显示;
⑧在线修改、编译、调试源程序,错误定位
4.2.2串口通信调试工具――PortDebugerV2.00
设计使用PortDebugerV2.00进展串口通讯调试。
此款软件能够选择串口端口,设定波特率、数据位、停顿及校验位等等,且能够自定义自动发送数据的时间间隔。
如图4-2,软件正在模拟GPS将地理数据传输给单片机,以辅助调试程序和硬件。
图4-1PortDebugerV2.00界面图
4.2.3单片机程序编程软件――SLISPV1.3.2
所以我选择了SLISPV1.3.2这款编程配合烧录程序。
在程序在KeiluVision4调试、编译完成后,还需要通过编程软件跟编程器将烧录到单片机的硬件系统中进展整体调试。
图4-2SLISPV1.3.2界面图
4.2.4GPS接收模块调试软件——u-center
第一次使用GPS接收模块时需要在电脑上对其进展串口输率初始化以及GPS地理数据的测试接收。
WaveshareU-BLOXNEO-6M信号接收模块生产商推荐使用u-center。
u-center上可以设置输出语句,还能查看分析接收GPS数据后的状态。
4.3基于单片机的GPS软件设计思路
设计的关键是AT89C51通过串行通讯接收到U-BLOXNEO-6M的数据,并筛选编排后显示到1602LCD上。
考虑到调试及移植,故使用模块化进展软件设计。
软件包括四个主要模块:
1 串口初始化模块;
2 液晶模块初始化模块;
3 数据接收模块;
4 数据格式调整送显模块。
图4-3软件程序流程图
4.4各模块软件设计
4.4.1串口初始化模块
波特率设为9600,定时器为工作方式2,将#0FDH分别赋值给TH1和TL1。
其程序如下:
MOVTMOD,#20H;定时器工作方式选择
MOVTH1,#0FDH;定时器初始赋值
MOVTL1,#0FDH;
MOVPCON,#00H;串口工作方式选择
SETBTR1
MOVSCON,#70H;串口工作方式选择
4.4.2液晶模块初始化模块
1602液晶模块的标准初始化描述如下:
延时15ms
写指令38H〔不检测忙信号〕
延时15ms
写指令38H〔不检测忙信号〕
延时15ms
写指令38H〔不检测忙信号〕
写指令38H
写指令38H:
显示模式设置
写指令08H:
显示关闭
写指令01H:
显示清屏
写指令06H:
显示关标移动设置
写指令0CH:
显示开及光标设置
程序如下:
MOVP0,#0H;清屏
ACALLENABLE
CALLdelay1
MOVP0,#38H
ACALLENABLE
MOVP0,#38H
ACALLENABLE
MOVP0,#38H
ACALLENABLE
MOVP0,#8H
ACALLENABLE
MOVP0,#1H
ACALLENABLE
MOVP0,#6H
ACALLENABLE
MOVP0,#0cH
ACALLENABLE
4.4.3数据接收模块
数据接收先要检测串口是否给单片机发送信息,而且需要识别语句,才能取入所需的语句$GPRMC,…………。
由于这些语句都是已$GP开头的,故在程序中也只需要判断M和C这两个字母。
其识别和储存的程序如下:
read:
callrec
cjneA,#04dH,read;'M'?
;判断是否M
callrec
cjneA,#043H,read;'C'?
;判断是否C
callrec
movr0,#10h;数据储存起始地址
movr1,#42h;数据位数
store:
;储存
callrec
movr0,a
incr0
djnzr1,store
RET
rec:
RI,goout
incr2
cjner2,#255,rec
movr2,#0h
incr3
cjner3,#255,rec
movr3,#0h
incr4
cjner4,#5,rec
movr4,#0h
callnosignal
jmpwait
goout:
CLRRI
movr2,#0h
movr3,#0h
movr4,#0h
movr5,#0h
MOVA,SBUF
RET
4.4.4数据格式调整送显模块
我们需按位选取GPRMC中纬度、经度、UTC时间和UTC日期等的数据并进展格式调整后再送液晶屏显示。
其程序模块如下:
time:
;时间格式调整模块
MOVR2,#0C0H
LCALLENABLE
LCALLWRITE
movp0,#01h;清屏
ACALLENABLE
mov60h,#20h
mov61h,#20h
mov62h,#20h
mov63h,#20h
mov64h,10h;时
mov65h,11h;
mov66h,#":
";
mov67h,12h;分
mov68h,13h;
mov69h,#":
"
mov6ah,14h;秒
mov6bh,15h;
mov6ch,#20h
mov6dh,#20h
mov6eh,#20h
mov6fh,#20h
MOVR0,#60H
MOVR3,#10H
calldis
dat:
;日期格式调整模块
MOVR2,#80H
LCALLENABLE
LCALLWRITE
mov63h,#32h
mov64h,#30h
mov65h,44h
mov66h,45h
mov67h,#"/"
mov68h,42h
mov69h,43h
mov6ah,#"/"
mov6bh,40h
mov6ch,41h
mov6dh,#20h
mov6eh,#20h
mov6fh,#20h
MOVR0,#60H
MOVR3,#10H
calldis
lon:
;纬度格式调整模块
MOVR2,#0C0H
LCALLENABLE
LCALLWRITE1
movp0,#01h;清屏
ACALLENABLE
mov70h,#20h
mov71h,#20h
mov72h,#4eh
mov73h,#":
"
mov74h,#20h
mov75h,1ch
mov76h,1dh
mov77h,#2eh
mov78h,1eh
mov79h,1fh
mov7ah,20h
mov7bh,21h
mov7ch,22h
mov7dh,23h
mov7eh,24h
mov7fh,#20h
MOVR0,#70H
MOVR3,#10H
calldis
lat:
;经度格式调整模块
MOVR2,#080H
LCALLENABLE
LCALLWRITE1
mov60h,#20h
mov61h,#20h
mov62h,#45h
mov63h,#":
"
mov64h,28h
mov65h,29h
mov66h,2ah
mov67h,#2eh
mov68h,2bh
mov69h,2ch
mov6ah,2dh
mov6bh,2eh
mov6ch,2fh
mov6dh,30h
mov6eh,31h
mov6fh,#20h
MOVR0,#60H
MOVR3,#10H
calldis
第五章总结
随着GPS应用的不断扩大,GPS设备将普及到生活的方方面面中,GPS产业的兴起势必也将大大的推进GPS在民间的应用。
各个领域中定GPS已经显示了它的重要的作用,为人类开展作出了不可估量的奉献。
但是专业GPS设备昂贵的价格,很多功能对普通消费者而言没有必要,导致了GPS大量应用受到限制,现今GPS厂商的首要任务是降低GPS的制造本钱,将GPS功能
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