基于单片机的GPS设计毕业设计论文Word下载.docx

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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