GPS坐标采集设备设计毕设论文.docx

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GPS坐标采集设备设计毕设论文

GPS坐标采集设备设计

摘要

随着社会经济和科学技术的发展，卫星导航观念也逐渐为人们所接受。

将全球定位系统应用于汽车导航，给汽车提供全球性、全方位、全天候的实时导航。

同时，便携式的GPS定位仪可为户外运动用户提供精确定位数据。

论文在介绍GPS定位基本原理的基础上,提出了一种基于STC89C52单片机的液晶GPS定位仪的设计方案,同时实现了GPS信息输出到显示屏显示。

本文基于单片机控制系统的原理，从理论上分析了基于单片机的GPS坐标采集的设计与开发，论述了GPS系统的组成以及其应用，研究了GPS坐标采集的硬件实现，设计了软件程序，并对本文所作的工作给出一个总结。

实际应用表明,该系统能够实现对GPS全球定位系统的定位导航信息帧参数的提取,实现了GPS空间数据的读取显示,具有功耗低特点,有良好的应用价值。

相比较其他微控制器，单片机STC89C52具有成本上的绝对优势，本文详细描述了利用单片机设计全球定位系统坐标采集的设计方案。

关键词：

单片机；GPS定位；LCD显示

DesignoftheEquipmentofGPSCoordinateCollection

Abstract

Withthesocio-economicandscientificandtechnologicaldevelopment,theconceptofsatellitenavigationisgraduallyacceptedbypeople.GlobalPositioningSystembeingusedincarnavigationglobalpositioningsystem,providesacarglobal,comprehensive,all-weatherreal-timenavigation.Meanwhile,theportableGPSlocatorcanprovideaccuratepositioningdataforoutdoorsports.Paper,introducingthebasicprincipleofGPSpositioning,proposesadesignofliquidcrystalGPSLocatorbasedonmicrocontrollerSTC89C52,whileachievingthattheGPSinformationisoutputtedonthescreentodisplay.

ThepaperbasedontheprincipleofSCMcontrolsystem,introducesthedesignandexploitationofGPScoordinatescollectionthatisbasedonSCM.，GlobalPositioningsystemisresearchedontheory,hardwaredesign,software.ThepaperdiscussesthetheoryofGPS,adetailedstudyisaccomplishedaboutthecompositionoftheGPSsystemanditsapplicationsandtheacquisitionofhardwareGPScoordinates,andthisarticlegivesasummaryoftheworkdone.Thepracticalapplicationshowedthatthesystemcancollectthelocationandnavigationinformationframeparameter,andachieveareadofGPSspatialdatawhichcanbedisplayed.Thesystemhasthefeatureoflowpowerconsumption,provideswithgoodappliedvalue.

Comparedwithothermicro-controller,themicrocontrollerSTC89C52hastheabsoluteadvantageoncost,thepaperdescribesthedesignofcollectionofglobalpositioningsystemcoordinatesbasedonMicrocontrollerindetail

Keywords：

SCM;GPSpositioning;LCDdisplay

1绪论

1.1研究背景

GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。

GPS是20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。

利用24颗地球卫星发射的信息进行导航、定位、授时等,向全世界提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

利用导航卫星进行测时和测距，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程[14]。

全球定位系统（GPS）具有全球全天候工作以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点，随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。

并开始逐步深入人们的日常生活，汽车导航已得到广泛应用，如今，GPS已经成为世界上应用最广一泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

1.2国内外研究现状

（1）GPS接收机及其分类[22]

GPS系统主要包括有三大组成部分即空问星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。

一般而言，一部GPS接收机有三部分组成：

导航信号接收单元、导航信号处理单元和存储及人机接口单元。

接收机的种类很多，按接收机的用途可分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机；按接收机的载波频率可分为单频接收机、双频接收机；按接收机通道数可分为多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机。

（2）GPS接收机的发展情况[14,24]

第一代测地型GPS接收机主要由美国麻省理工学院，根据射电干涉测量原理研制成功的，主要成果有MACROMETERV1000单频接收机和MACROMETERⅡ型双频接收机；另外还有TEXAS仪器公司采用单通道多路复用型P码生产的GPS型号为T14l00接收机：

这一时期GPS导航型接收机主要处于试验研究阶段。

第二代测造型GPS接收机主要有AFR0SERVICE公司的MINI—MAC（2sls，lsls）接收机：

WM公司的WMl02双频接收机：

TRII}9BLE公司的4000SL：

法国SERCEL公司的NRS2接收机等。

第二代比第一代接收机的体积、重量、功耗减少了很多，但由于采用分离元件结构，所以仍不理想。

第三代采用专用的GPS接收机芯片，使GPS接收机大大改观，产品也不断涌现。

第三代测地型主要有TRIMBLE公司的4000SST系列；ASHTECH公司1989年年底推出的ASHTEGHXⅡL系列、M系列和“3DF”接收机；1990年日本TOPCON公司推出GPS—R1和GP—R单频、双频GPS接收机；同年瑞典GEOTRONICSAB公司生产了GE0RRRA—CER100GPSSURVEYOR接收机等。

这一时期的导航型GPS接收机较多，主要产品有：

美国MAGELLAN公司的MAGELLANl00，1000PRO手持式接收机；英国NAVSTAR公司的XR4双通道8卫星导航接收机；TRIMBLR公司的TANS导航传感器；日本JRC公司的JLR—3200车载式接收机，JLR—530航空型导航接收机；此外，还有法国、德国等也推出了不同规格的导航GPS接收机。

这一时期仅美国就有上百家公司生产各种各样型号、规格的导航接收机，大大推动了GPS的发展和应用。

第三代GPS接收机推广应用的同时，厂商们已着眼第四代GPS接收机的开发研制。

第四代GPS接收机将具有体积小、耗电省、成本低、能在各种恶劣气候条件下（－40℃～+85℃）下工作的特点。

第四代导航型GPS接收机将采用专用超大规模数字信号处理集成电路和微波集成电路组成轻巧便携式的导航接收机或作为综合导航系统的一个组成部分。

（3）GPS接收机开发现状

目前国外的一些公司和研究机构已开始第四代GPS接收机的开发研制，在高动态GPS接收机的设计方面已经取得了卓有成效的进展。

第四代GPS接收机研制的成果典型产品有：

美国ROCKWELLINTERNATIONAL公司的NAVCOERV：

美国的MAGNAV0X公司的MAGNAVOXGPS；日本KODEN电子设备公司的KODEN5等。

国内一些研究机构这两年也开始进行这方面的研究。

但是直到目前。

国内许多GPS的应用项目还需要依赖国外0EM产品的进口，而且许多民用GPS接收机的实时性能和定位精度还是不高。

1.3课题研究的目的和意义

国外对GPS接收技术保护，在高动态高速GPS接收机我们完全依赖国外进口，由于一开始GPS主要是军用，对高性能GPS接收机进口也受到了限制，这种状况严重制约国内GPS的应用。

大力开发国产的GPS接收机，有利于打破技术封锁，打破经济上的垄断，降低使用成本，有利于GPS应用的推广，使GPS接收机民用化，实现强国富民。

全球定位系统（GPS）定位技术的日益发展，GPS应用领域不断扩大，其应用领域以极高深入到国民经济的诸多部门、许多领域，GPS应用已经成为一种新型的产业，成为一种跨世纪的、最先进的、最为活跃的、最具渗透力的社会生产力，目前正在蓬勃兴起。

随着GPS的广泛应用，GPS应用的带来经济价值越来越大，面对市场需求日益扩大，GPS接收机本身的市场的经济价值也是巨大的，大力开发国产的GPS接收机，有利于社会经济的发展。

本文提出了一种基于STC89C52单片机的GPS定位仪的设计方案,并对相关数据信息的处理做了重点的设计。

这次毕业设计，我的工作主要是编写串口中断接收GPS字符串程序、字符串处理程序、LCD显示模块程序和主程序。

设计中的程序是按照自己对GPS坐标采集设备功能要求的理解，参考相关文献编写出来的，已调试成功，并在硬件设备上实现。

但硬件设备中的电源部分，并非手持设备所用电源，本文对手持设备所用电源仅是做了理论分析，并未运用到实际的硬件设备当中。

该系统设计简易,性价比高,对研究GPS二次开发应用具有参考价值，可研制成各种应用的GPS接收机。

1.4论文的组织结构

本文重点讨论了GPS坐标采集设备的软硬件设计问题。

全文共6章，第1章首先介绍本课题的研究背景及意义、国内外相关研究现状以及说明本课题研究的目的和意义。

第2章介绍卫星导航系统组成及原理分析，在系统分析设计中建立系统的思维方式。

第3章介绍了系统硬件设计及器件选型，根据自己对GPS坐标采集设备功能的理解，提出了系统硬件设计方案，并选择相关器件型号。

在第4章中，详细介绍了系统软件设计及各模块子程序的编写流程。

第5章介绍了软硬件调试方法及过程，在软硬件设计完成之后，主要任务就是调试。

第6章主要对本文进行总结，并对本课题方向未来方向进行分析。

2GPS卫星导航系统组成及原理分析

2.1GPS卫星导航系统概述[2,3,6,7]

全球定位系统（GlobalPositioningsystem—GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

全球定位系统是美国第二代卫星导航系统。

是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验，和子午仪系统一样，全球定位系统“61由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2．02万千米的卫星组成卫星星座，卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。

随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

GPS卫星发送两种码：

粗捕获码（C／A码）和精码（P码）。

前者是民用的，后者只限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用。

这些码以扩频方式调制在两种不同的频率上发射：

L1波段以1575．42兆赫发射C／A和P码；而L2波段只以1227．6兆赫发射P码。

2.2GPS系统组成[22]

GPS系统包括三大部分：

空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分一地面监控系统：

用户设备部分—GPS信号接收机。

（1）空间部分—GPS卫星星座

GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。

24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。

每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。

卫星空间星座如图2.1所示。

图2.1卫星空间星座

两万公里高空的GPS卫星，当地球对很行来说自转一周时，他们绕地球运行二周，即绕地球一周时间为12恒星时。

位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。

在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位卫星，这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。

对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间叫做“间隙段”。

但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时定位导航。

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

（2）地面控制部分—地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。

星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。

每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。

卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一致沿着预定轨迹运行，都要由地面设备进行检测和控制。

地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。

这就需要地面站检测各颗卫星的时间，求出钟差。

然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

每个监测站配有GPS接收机，监测站的重要任务是对每颗卫星进行观测并向主控站提供观测数据。

主控站采集各个监测站传送来的数据，根据采集的数据计算每一颗卫星的星历、时钟校正量、状态参数、大气校正量等，按一定格式编辑成导航电文传送到注入站。

（3）用户设备部分—GPS信号接收机

GPS接收机的任务是：

能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接受到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS信号接收机所位于的运动物体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）上，接受机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

2.3GPS定位原理[14]

全球有24颗GPS卫星沿6条轨道绕地球运行（每4个一组）,GPS接收模块就是靠接收这些卫星来进行定位的。

但一般在地球的同一边不会超过12颗卫星,所以一般选择可以跟踪12颗卫星以下的器件。

当然,能跟踪的卫星数越多,性能越好。

大多数GPS接收器可以追踪8~12颗卫星,计算LAT/LONG（二维）坐标至少需要3颗卫星,4颗卫星可以计算三维坐标。

GPS定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交会方法。

GPS接收机在某一时刻接收到4颗以上的GPS卫星信号导航电文,通过变频、放大、滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,从而产生计算位置的数据信号,经由I/O串行输出。

2.4GPS输出数据格式

由于定位信息是由GPS模块提供的，因此必须弄明白GPSOEM的输入输出语句格式。

数据处理模块主要用于接收GPSOEM模块发送的串行数据。

这个程序在串行中断里面完成。

GPSOEM模块的通信波特率为4800bit/s、1bit起始位、8bit数据位、1bit停止位、无奇偶校验。

GPS模块接收从天线输入的GPS信号,经模块处理后,按NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCII码字符。

NMEA协议是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的BTCM标准,由美国国家海洋电子协会制定的一套通讯协议[5]。

NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议,也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，目前广泛使用V2.0版本，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。

由于该格式为ASCII码字符串,比较直观和易于处理,在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离,以提取用户所需要的数据。

GPSOEM模块可以输出11句语句,这里接收的是"$GPRMC"语句的数据。

"$GPRMC"语句的格式为：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,A*66

其中各参数的意义:

例：

$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,,,A*50

字段0：

$GPRMC，语句ID，表明该语句为RecommendedMinimumSpecificGPS/TRANSITData（RMC）推荐最小定位信息

字段1：

UTC时间，hhmmss.sss格式

字段2：

状态，A=定位，V=未定位

字段3：

纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）

字段4：

纬度N（北纬）或S（南纬）

字段5：

经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）

字段6：

经度E（东经）或W（西经）

字段7：

速度，节，Knots

字段8：

方位角，度

字段9：

UTC日期，DDMMYY格式

字段10：

磁偏角，（000-180）度（前导位数不足则补0）

字段11：

磁偏角方向，E=东W=西

字段12：

校验值

其中UTC时间为世界时间,比北京时间要晚8个小时,需要加上8个小时才是北京时间,如果超过24小时,则减去24小时后,才是北京时间。

经由GPS模块产生的计算位置的数据信号，输出为NMEA-0183定义的ASCII码语句，通过I/O口串行输出给单片机处理。

STC89C52单片机内部有一个可编程的全双工串行异步通信接口，该接口为串行通信提供了方便，利用STC89C52单片机的这个功能，本文选择通过单片机引脚RXD完成位置信息数据的传输。

2.5本章小结

本章介绍了GPS卫星导航系统组成：

空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分一地面监控系统：

用户设备部分—GPS信号接收机。

对GPS定位原理及GPSOEM板输出的数据格式予以分析，并提出了GPS模块与单片机控制模块的通信方式。

3系统硬件设计及器件选型

3.1系统整体结构设计

GPS定位仪采用单片机具有控制方便、接口简单、低成本、低能耗、体积小等特点作为微控制器建立嵌入式系统，将GPS接收的信息通过LCD显示给用户，这是设计的核心。

根据题目要求与提示，系统设计可划分为电源模块、单片机控制模块、GPS接收模块、液晶显示模块四部分。

将GPS接收模块接收的定位信息数据传送至单片机，由单片机对GPS定位信息中需要的信息进行采集、解析，最后将需要的信息发送至外接的液晶显示其经、纬度、海拔高度和时间。

电源模块主要是为各个模块提供辅助工作电源，GPS模块的作用是接受卫星信号，控制模块主要完成对GPS接受的数据进行处理，并将处理后的数据传送给显示模块，本系统的基本框图如图3.1所示。

图3.1系统基本原理框图

（1）HOLUXM-89作为GPS信号接收处理模块。

GPS接收模块负责从GPS卫星（空间部分）接收信息，并实时的将数据通过串口发送给微控制器，两者之阅的通信数据格式将在下面提到；在设计过程中，通过分析和比较，我们选用了台湾的HOLUX长天M-89串口GPS接收器。

（2）GPS定位仪以单片机STC89C52作为微控制器。

当微处理器接收到GPS接收模块送来信息后，进行分析运算处理，获得有效特定数据，送到显示器显示。

单片机STC89C52以其高性能、低电压、接口兼容性好且经济等优点，作为微控制器的首选。

（3）在定位仪的输出显示部分（Display），实时显示出用户的位置信息，以及开机信息。

选用QC12864B作为显示器，实现定位信息的实时显示。

设计的主要工作是建立各部件之间的通信，建立主控程序，形成信息处理能力和应用。

3.2单片机模块选型

随着电子技术的迅速发展，单片机技术的出现在现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。

目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业制作系统、数据采集系统、智能化仪器表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走入家庭、洗衣机、空调等，到处可见到单片机的踪影。

在单片机众多成员中，MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域的主流，世界各大单片机厂商都在MCS51上投入了大量的资金和人力，围绕51内核，衍生出许多品种，增强51单片机的各种功能。

本文将介绍一种由MCS51系列单片机衍生出来的高性价比的STC89系列单片机——STC89C52。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为