基于单片机的GPS设计毕业设计论文文档格式.docx
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5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
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指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
摘要
本设计详细介绍了一种基于单片机、GPS接收模块、1602液晶屏等器件的GPS实时显示功能的实现。
分别从硬件和软件实现等方面对设计作了详细的阐述,并且结合硬件的特点研究了MCS-51系列单片机如何与GPS接收模块实现串行通信,该系统是根据GPS模块数据输出基本原理设计而成的。
是一台体积小巧、携带方便、可以独立使用的全天候实时的定位导航设备。
关键词:
单片机;
GPS;
1602液晶屏;
串行通信;
ABSTRACT
ThedesingnofGPS(GlobalPositioningSystem)portablereceiverisintroducedindetail.ThereceiverhasbeenrealizedonthebasisofMCU,GPSreceiverand1602LCDscreenetc.Thesystemisdiscussedintwoaspects,softwareandhardware.Itiswidelyusedintraveling,navigations,landsurveys,prospectingandmanyotherfields.AnditisdesignedbasedonprinciplesofGPS,whichissmallbulk,easytotakeandcanbeindependentlyused.
KEYWORDS:
GPS(GlobalPositioningSystem);
MCU51;
1602LCDscreen
第1章引言
1.1课题的背景及意义
1978年2月22日第一颗GPS试验卫星的入轨运行,开创了以导航卫星为动态已知点的无线电导航定位的新时代。
GPS卫星所发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的空间信息资源。
陆地、海洋和空间的广大用户,只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机,就可以全天时、全天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数和三维状态参数。
其用途之广,影响之大,是任何其他无线电接收设备望尘莫及的。
不仅如此,GPS卫星的入轨运行,还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度、全天时、全天候的测量新技术。
纵观现状,GPS技术有下述用途。
1.GPS技术的陆地应用
各种车辆的行驶状态监控;
旅游者或旅游车的景点导游;
应急车辆(如公安、急救车等)的快速引导行驶;
高精度时间比对和频率控制;
大气物理观测;
地球物理资源勘探;
工程建设的施工放样测量;
大型建筑和煤气田的沉降检测;
板内运动状态和地壳形变测量;
陆地以及海洋大地测量基准的测定;
工程、区域、国家等各种类型大地测量控制网的测量和建设;
请求救援在途实时报告;
引导盲人行走;
平整路面的实时监控,精细农业。
2.GPS技术的海洋应用
远洋船舶的最佳航线测定;
远洋船队在途中航行的实时调度和监测;
内河船只的实时调度和自主导航测量;
海洋救援的搜索和定点测量;
远洋渔船的结队航行和作业调度;
海洋油气平台的就位和复位测定;
海底沉船位置的精确探测;
海底管道铺设测量;
海岸地球物理勘探;
水文测量;
海底大地测量控制网的布测;
海底地形的精细测量;
船运货物失窃报警;
净化海洋(如海洋溢油的跟踪报告);
海洋纠纷或海损事故的定点测定;
浮筒抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位;
港口交通管制;
海洋灾难检测。
3.GPS技术的航空应用
民航飞机的在途自主导航;
飞机精密着陆;
飞机空中加油控制;
飞机编队飞行的安全保护;
航空援救的搜索和定点测量;
机载地球物理勘探;
飞机探测灾区大小和标定测量;
摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量。
4.GPS技术的航天应用
低轨道通讯卫星群的实时轨道测量;
卫星入轨和卫星回收的实时点位测量;
载入航天器的在轨防护探测;
星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量;
对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。
由此可见GPS技术已经延伸到各个领域的方方面面,但是要完成以上所述的各种用途,最基本的就是要具备能够接收GPS信号并且能够调制输出的设备,而设备最基本的功能就是能显示当时所处地点的经纬度以及UTC标准时间。
现在世面上已经有许多基于GPS接收模块所开发的产品,GPS手持机、车载GPS导航仪等等,虽然其功能强大,如车载GPS导航系统都带有大比例尺地图,但价格都比较昂贵,而且对于普通应用完全没有必要。
所以基于这种情况本次设计针对普通用户使用GPS的切实需要,设计并制作实现了基于单片机采集与显示GPS定位信息的低成本手持GPS设备。
1.2总体方案的设计
该手持GPS设备硬件主要由GPS信号接收部分(SERFGS1100GPS信号接收模块)、控制芯片(AT89S51单片机)、显示部分(1602LCM液晶显示模块)、电平转换电路(MAX232)构成。
GPS接收模块将收到的GPS卫星导航电文调制解码,转换为标准格式后送到电平转换电路再由MAX232芯片进行RS-232——TTL的电平转换,再送给单片机串口接收,当单片机收到GPS发送过来的导航电文后,经过片内程序的识别筛选,将筛选出来的导航电文送到显示模块,并且最后通过液晶显示器按照要求的编排格式所显示。
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。
其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
全球定位系统由三部分构成:
(1)地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
(2)空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;
(3)用户装置部分,主要由GPS接收机和卫星天线组成。
其系统的结构框图如图2-1所示。
图2-1由三大部分构成的GPS卫星全球定位系统
1978年2月22日,第一颗GPS试验卫星的发射成功,标志着工程研制阶段的开始。
1989年2月14日,第一颗GPS工作卫星的发射成功,宣告GPS系统进入了生产作业阶段。
GPS系统经过16年来的发射试验卫星,到开发GPS信号应用,进而发射工作卫星,终于在1994年3月建成了信号覆盖律达到了98%的GPS工作星座它由9颗Block2卫星和15颗Block2A卫星组成。
1985年11月以前发射的11颗Block1GPS试验卫星已经完成了它们的历史使命,于1993年12月31日全部停止了工作。
图2-2BlockⅡ/ⅡR卫星
全球定位系统的主要特点:
(1)全天候;
(2)全球覆盖;
(3)三维定速定时高精度;
(4)快速省时高效率:
(5)应用广泛多功能。
24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
图2-3GPS卫星工作星座图
由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。
美国政府宣布2000年起,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米。
为了达到更高的定位精度,往往还采用了差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。
接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。
实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。
2.1.2GPS接收模块的研究
GPS接收模块是接收机的关键模块,而且型号很多,功能各异,一般的组成结构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是它接收天线获取的卫星信号,进过变频、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。
在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后,即可计算出天线位置。
用户通过输入输出接口,采用异步异步串行通信方式与GPS接收模块进行信息交换。
图2-4GPS接收模块内部结构
2.2接收GPS定位信号方案
要实现在液晶显示器上显示出接收到的GPS地理信息,首先要实现GPS信号的接收和调制。
在接收GPS方案上我们可以有两种选择。
第一种方案是选择GPS接收芯片然后再根据芯片设计标准,设计外围电路和安装天线等,选择这个方案的优点是可以掌握到GPS接收部分的电路设计技术,但是这个方案的缺点也是显而易见的,首先实现的难度较大不容易成功,其次由于GPS接收芯片一般都是厂商直接供货,单独采购价格会很高。
第二种方案是选择成品的GPS接收模块,采用这个方案的优点是由于现阶段GPS接收模块的制造技术已经相当成熟,性能稳定并且使用非常方便,定位成功后直接就可以通过模块的串口输出GPS地理信息。
当然其缺点就体现在,由于GPS接收模块已经由厂家完成了设计与封装,所以其核心技术我们就不得而知。
不过对于我们也并不影响其应用。
并且在经过大规模的商业化生产后价格已经很低,这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。
从上面的分析可以知道,GPS接收模块就能够很好的作为本次设计接收GPS定位信号的解决方案,经过大规模工厂生产后价格已经很低,并且这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。
第3章基于单片机的GPS硬件设计
3.1基于单片机的GPS硬件总体结构
根据总体设计方案,该基于单片机的GPS硬件设计主要由GPS信号接收部分(SERFGS1100GPS信号接收模块)、控制芯片(AT89S51单片机)、显示部分(1602LCM液晶显示模块)、电平转换电路(MAX232)这几部分构成。
其大体结构框图如下。
图3-1基于单片机的GPS硬件总体结构框图
3.2基于单片机的GPS设计硬件部分介绍
3.2.1AT89S51微处理器主要性能
AT89S51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(Flash)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,内置功能强大的微型计算机的AT89S51提供了高性价比的解决方案。
AT89S51是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89S51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3-2AT89S51管脚示意图
AT89S51的主要特性:
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程Flash存储器;
寿命:
1000写/擦循环;
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24Hz
最高工作频率为33MHz
ISP在线编程功能
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
内部集成看门狗计时器
双数据指示器
电源关闭标识
全新的加密算法
具有双工UART串行通道
可编程串行通道
低功耗的内置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
3.2.2SERFGS1100GPS信号接收模块介绍
该设计中GPS信号接收模块所选用的是SERFGS1100GPS接收模块,该模块是由深圳市瑟孚电子有限公司所生产。
模块具有12通道并行接收能力,所接收的GPS信号属于民用频段的L1信号(1575.42MHz),在没有SA干扰的情况下平均定位误差为10米,动态速度误差为0.1米/秒,信号灵敏度更是高达-153dBm,冷启动定位时间为50秒,热启动时间为35秒,重新定位时间仅仅需要8秒。
而在数据输出方面信号电平是采用的标准的RS-232电平,为应用的通用性提供了便利,其波特率为常用的9600,GPS数据输出格式为标准的NMEA0183V3.0标准,采集地理信息的更新速率为每秒一次,地图坐标系为WGS-84坐标系。
天线采用的是体积小、可靠性高、灵敏度高的微带天线,该天线与整个模块封装在防水的塑料外壳里,更进一步的提高了整个模块的可靠性。
工作电压为5V±
%10,工作电流仅为60mA,其优异的节能特性完全可以和AT89S51等芯片共用一组电池电源,使得这一模块在移动手持设备上有了更广泛的用途。
图3-3SERFGS1100GPS信号接收模块
3.2.31602液晶显示模块介绍
主要技术参数数和显示特性:
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)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35(W×
H)mm
配置LED背光
内带字符发生存储器(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:
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第15~16脚:
空脚。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
根据编程时我所采用的方法,决定采用图3-6的连接方式连接单片机和1602LCM液晶显示模块。
图3-6AT89S51与1602LCM液晶显示模块的连接方式
3.2.4电平转换电路介绍
由于我们所采用的SERFGS1100GPS信号接收模块输出信号为RS-232电平,而AT89S51单片机串口所使用的电平为TTL电平,所以为了能使单片机正常的与SERFGS1100GPS信号接收模块进行通讯,故需要对电平进行相互转换,经查阅资料后决定采用MAXIM公司生产的MAX232电平转换芯片。
图3-7MAX232芯片在单片机中的典型应用
该电路就可以实现GPS接收模块与AT89S51单片机之间的通讯。
3.2.5电源
考虑到该系统的移动便携性,因此决定使用电池作为电源,在电池的选择上我参考了单片机、液晶模块、GPS接收模块、232电平转换电路的最佳工作电压,选择了四节镍氢电池串连作为电源,该电池在充满电后实测电压为1.4V左右,四节电池串连后电压为5.6V左右,其最佳供电电压平台在5.2V左右,足以满足上述模块的电压要求。
镍氢电池可以反复充电,从而降低了该系统的使用成本。
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