1113014162陈频.docx

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1113014162陈频

题目基于单片机的GPS定位系统设计

学生姓名陈频学号1113014162

所在学院物理与电信工程学院

专业班级电子1105

指导教师张志伟

完成地点陕西理工学院博远楼10楼传感器实验室

2015年6月12日

毕业论文﹙设计﹚任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级电子1105学生姓名陈频

一、毕业论文﹙设计﹚题目基于单片机的GPS定位系统设计

二、毕业论文﹙设计﹚工作自2015年1月10日起至2015年6月15日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:

陕西理工学院

四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：

GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维速度、三维位置等信息的一种无线电导航定位系统。

本课题要求利用单片机作为核心控制器件，设计一个GPS定位系统。

利用GPS进行数据采集，通过单片机获取GPS的定位信息并进行处理，最后在液晶显示屏上实时显示所在位置的经纬度信息。

制作核心模块印刷电路板、焊接器件，完成样机的调试。

撰写毕业设计论文。

（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体会等）。

五、毕业论文﹙设计﹚应收集资料及参考文献：

收集GPS定位系统、单片机编程等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献：

[1]邱致和,王万义.GPS原理与应用[M].北京:

电子工业出版社，2001

[2]李建忠.单片机原理及应用（第三版）[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2013.

[3]谭浩强.C程序设计（第二版）[M].北京:

清华大学出版社,1999.

[4]周功明,周陈琛.基于AT89C52单片机的液晶GPS定位仪设计[J].工矿自动化,2010,2:

38-40.

[5]赵志礼,孟庆辉,张松涛,等.基于单片机的GPS定位信息处理[J].电子测试,2009,（10）:

45-48

[6]李云溪,韩涛,项剑峰.基于单片机的GPS定位系统设计[J].四川兵工学报,2012,33（11）:

111-113.

六、毕业论文﹙设计﹚的进度安排：

1月10日——3月20日：

查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。

3月21日——4月20日：

完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。

4月21日——5月20日：

完成整体设计并调试，准备作品验收。

5月21日——6月15日：

撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。

指导教师签名系（教研室）主任签名

专业负责人签名批准日期

基于单片机的GPS定位系统设计

陈频

（陕西理工学院物电学院电子信息工程专业电子1105班，陕西汉中723000）

指导教师张志伟

[摘要]GPS是在地球经纬座标系下对被测对象的方位进行测定，同时可以提供较高精度与实时的测定数据。

对于基于单片机的便携式设备，如果要获取持有者的位置信息，则GPS是最好的解决方案。

本课题主要研究GPS的定位原理与技术，单片机的编程及其应用，液晶屏的功能及其实现方法。

制作了一套设计方案，以软、硬件相结合的方式完成整个GPS数据接收和显示的过程。

本课题采用GPS模块GR-87、单片机AT89S52、液晶显示屏LCD1602、设计一款可以实时显示当前所在位置的纬度、经度等信息，通过设计，编程，调试，该定位系统工作正常，可以满足基本的课题要求。

[关键字]单片机；液晶显示屏；GPS定位

DesignofGPSpositioningsystembasedonMCU

ChenPin

（Grade2011,Class5,MajorElectronicInformationEngineering,InstituteofelectricalandphysicalDept.ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）

Tutor:

ZhangZhi-wei

Abstract：

GPSistheorientationoftheobjectstobemeasuredwasmeasuredattheearth'slatitudeandlongitudecoordinates.Anditcanprovidehighaccuracyandreal-timemeasurementdata.Forportabledevicesbasedonmicrocontroller,ifyouwanttoobtainthepositionoftheholderinformation,theGPSisthebestsolution.

ThispapermainlystudiesthepositioningprincipleandtechnologyofGPS,theprogrammingandapplicationofSCM,thefunctionofLCDanditsrealization.Adesignschemeismade,andtheprocessofthewholeGPSdatareceivinganddisplayingandbroadcastingisaccomplishedbycombiningthesoftwareandhardware.ThistopicusingGPSmodulegr-87,singlechipmicrocomputerAT89S52,LCD1602LCDdisplay,designacanreal-timedisplaythecurrentlocation（latitude,longitudeinformation,throughthedesign,programming,debugging,thepositioningsystemcanmeetthebasicrequirementsofthesubject.

Keywords：

Singlechip;LCDscreen;GPSpositioning

附录A实物图20

附录B程序及注释.............................22

附录C外文资料和中文翻译......................32

1引言

GPS技术在军事、通讯、气象、勘探、导航、遥感、大地测量、地球动力以及天文等众多学科领域得到极其广泛的应用，推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。

现在，GPS的外型设计已经转向便携式发展，逐步踏入寻常百姓的生活中。

所以，对GPS的研究具有十分重要的意义。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem简称GPS）是美国第二代军用导航系统，可实现全球范围内的实时导航和定位[1]。

GPS由太空卫星、地面控制系统、用户设备三个部分组成。

太空卫星共有27颗，24颗运行，3颗备用。

24颗可操作的工作卫星以55°的倾角分布在地球上空20～200KM的6个轨道面上。

这些卫星轨道上的分布状态使地球上的任何位置在任意时候都可以同时收到至少6颗卫星的定位信息，这些卫星则不断地给全球用户发送位置和时间的广播数据。

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[2]。

纵观现状，GPS技术有下述用途。

地面控制系统主要作用有：

根据监控系统对GPS的观测数据计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据注入到卫星中去；对卫星进行控制，对卫星进行发布指令；接收卫星信号，监测卫星状态等。

用户设备用于接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

GPS系统的基本定位原理是：

每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。

同时收集至少4颗卫星的数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。

由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点，近年来在国内外得到了广泛的应用，在各个领域发挥了极大的作用，已成为了信息时代不可以或缺的一部分。

本课题的主要目的是在GPS和单片机的理论和知识上，选用Atmel公司的AT89S52提取GPS模块的接收数据并由1602液晶显示接收数据。

在此设计过程中，主要熟悉GR-87GPS模块各性能指标，结合单片机串行通信知识能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，而后在1602液晶显示平台上选择性的显示数据[3]。

2方案选择

2.1方案一

方案一硬件结构图如图2.1所示，主要芯片器件由：

GPS的模块GPS-OEM板，单片机AT89S54，键盘模块，液晶LCD1602，电平转换MAX232，外置ROM等。

LCD1602

AT89S54

MAX232

GPSOEM

外置ROM

键盘模块

图2.1硬件结构图

OEM模块通过电平转换MAX232与AT89S54进行串行通信，其中GPS传入单片机的为GPRMC格式的语句，需要在单片机中进行数据拆分等操作。

将取得的GPS数据发送到单片机中进行处理，通过键盘模块的按键控制，单片机判断后进行操作，或将数据存储到外置ROM中,在此期间，LCD1602始终显示当前位置的经纬度[4]。

方案一特点：

（1）OEM板军用板，精确度高，是集成模块，易于携带；

（2）键盘模块按键多，使用功能强大，可以实现多种功能；

（3）AT89S54内存大，方便使用大程序；

（4）外置ROM，便于存储数据以及调用；

（5）GPS-OEM板需经过电平转化MAX232才可与单片机通信。

并且OEM成本高，性价比一般；

（6）AT89S54非常用芯片，不易获取；

（7）使用外置ROM需要占用至少8个数据口，如图1所示，需要对某个数据口进行分时复用，加大了电路复杂性；

（8）整个电路硬件多，布局难。

2.2方案二

方案二硬件结构图如图2.2所示，主要芯片器件由：

GPS的模块GR-87，单片机AT89S52，液晶LCD1602等。

AT89S52

LCD1602

GR-87

按键

图2.2硬件结构图

GR-87模块与单片机AT89S52直接可以进行串行通信，其中GPS传入单片机的为GPRMC格式的语句，需要在单片机中进行数据拆分等操作。

将取得的GPS数据发送到单片机中进行处理，通过按键控制，单片机判断后进行操作，在此期间，LCD1602始终显示当前位置的经纬度。

方案二特点：

（1）电路硬件少，结构简单易懂；

（2）GR-87成本低，性价比高；

（3）AT89S52流行，内存8K足够使用；

（4）数据口刚好够用；

（5）结构简单，硬件及软件功能有一定的局限性；

（6）GR-87以及接线不方便携带。

最终选择了方案二，理由如下：

（1）GPS选择GR-87，它可以满足课题要求，并且其性价比高，而且不需要电平转换；

（2）课题按键功能的实现不需要键盘模块，只需4-6个按键即可；

（3）AT89S52内存足够用，不用再定做AT89S54；

（4）虽然缺少了外置ROM，但减少了分时复用的麻烦；

（5）方案二的I/O口分配合理。

3硬件设计

3.1系统总体结构图

LCD1602

数据口

单片机

P1.2、P1.3P0

AT89S52

RXD

TXD

按键

GR-87

TXD

RXD

图3.1系统总体结构图

系统总结构图如图3.1所示，其中，单片机P1.0~P1.3口进行按键控制，GR87与单片机串行通信,单片机的TXD连接GR-87的RXD1，GR-87的RXD2口闲置。

主要熟悉GR-87GPS模块各性能指标，结合单片机串行通信知识能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取，而后在1602液晶显示平台上选择性的显示数据。

GPS模块在实际应用中经常作为时间基准，辅以模块内部的RTC，可获得非常高精度的时间参考，为产品的设计提供了很大的方便。

PS模块只有4个端口与单片机连接，其中VCC、GND为供电部分，TXD、RXD为串行通信部分。

由于GR-87属于独立模块，所以在系统原理图、PCB中未加入其封装，而是采用从PCB中的单片机串行口以及VCC、GND分别引出4条线，采用引线的方式与GPS相连接。

每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。

至于GPS测速，只是在获得经纬度的基础上，进行简单的计算实现的一种扩展应用。

LCD经上拉电阻与单片机P0口连接。

系统由统一的电源5V供电[5]。

3.2单片机引脚连接电路

图3.2单片机引脚连接电路

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

最小系统电路如图3.2、3.3所示，本次课题中，P0口作为标准I/O口进行数据输出端，传入液晶；以P1^0到P1^4的标准I/O口功能进行按键控制，P1^5到P1^7作为下载器连接端口使用，利用P3^0、P3^1的串行数据传输功能与GPS进行数据通信，P2^5到P2^7作为液晶的控制端口。

其他所用端口为：

XTAL1、XTAL2、VCC、VPP、GND、RESET。

3.3GPS模块简介

GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。

目前GPS模块的GPS芯片大部分还是采用全球市占率第一的SiRFIII系列为主。

由于GPS模块采用的芯片组不一样，性能和价格也有区别，采用SIRF三代芯片组的GPS模块性能最优，价格也要比采用MTK或者MSTAR等GPS芯片组的贵很多[6]。

现阶段也持续在芯片升级，比方sirf4，然后又是sirf5，总体灵敏度提高了不少，缩短了定位时间，同时也帮助了客户快速的进入了定位应用状态。

GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。

GPS模块并不播发信号，属于被动定位。

通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。

初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。

GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。

GPS模块性能的性价指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。

模块开机定位时间在不同的启动模式下有很大不同。

一般来说，冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内;温启动时间是指模块内部有较新的卫星星历（一般不超过2小时），但时间偏差很大，一般标称在45秒以内;热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。

一般标称在10秒以内;重新捕捉时间就如同汽车钻过了一个隧道，出隧道时重新捕捉卫星。

一般标称在4秒以内。

如果模块在定位后放的时间很久，或模块在定位后运输到几百公里以外的地方，这样模块内部有星历，但是这个星历是错误的或不具有参考意义的。

在这些情况下，定位时间可能要几分钟甚至更久的时间。

所以一般GPS模块出厂时要将模块内部的星历等数据清掉，这样客户拿到模块后可以冷启动方式快速定位。

GPS模块的定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS系统的卫星钟差及轨道差、可见GPS卫星数量及几何分布、太阳辐射、大气层、多径效应等。

另外，同一个GPS模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB设计等原因产生不同的定位误差。

即使是同一个厂家同一个型号的不同GPS模块使用天线分集器同时进行测试时，静态漂移量也会有差别。

定位精度可在静态与动态情况下进行考察，且动态定位效果优于静态定位[7]。

GPS模块所标称的定位参数是指在完全开放的天空下，卫星信号优良的情况下测得。

所以在常规的测试中很难达到标称的定位时间与定位精度。

GPS模块在实际应用中经常作为时间基准，辅以模块内部的RTC，可获得非常高精度的时间参考，为产品的设计提供了很大的方便。

至于GPS测速，只是在获得经纬度的基础上，进行简单的计算实现的一种扩展应用。

GPS常见的天线是陶瓷平板天线，这种天线成本低，外部加有源放大电路，接收信号方向单一，增益比较高，所以采用最多。

但它的缺点是体积大，易受温度影响产生频率飘移。

如果把陶瓷面积做小，会影响接收增益;如果做薄，会影响接收天线接收带宽，还会受有源放大部分影响。

HOLUXGR-87是一个高效能、低耗电的智慧型卫星接收模组或称做卫星接收引擎，他采用美国瑟孚SIRFstarIII公司所设计的第三代卫星定位接收晶片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求与个人消费需求。

特色：

采用SIRF第三代高效能晶片高灵敏度、低耗电量晶片STARIII,内建ARM7TDMICPU可符合客制需求。

（1）具备快速定位及追踪20颗卫星的能力。

（2）体积超小，仅25.4×25×7公\u91d0。

（3）晶片内建200,000个卫星追踪运算器，大幅提高搜寻及运算卫星讯号能力。

（4）内建RTCMSC-104DGPS和WASS/EGNOS解调器。

（5）低耗电量,具备有省电模式（Trickle-Power）功能，以及在设定的时间才启动的定时定位（Push-to-Fix）功能。

（6）支援NMEA-0183v2.2版本规格输出。

VCC

TXDAT89S52

RXD

GND

VCC

TXDAT89S52

RXD

GND

GPSVCC

GR-87RXD1

TXD

GND

天线

图3.4GPS模块GR-87与单片机连接图

GPS模块GR-87与单片机连接图如图3.4所示结构图，GPS模块只有4个端口与单片机连接，其中VCC、GND为供电部分，TXD、RXD为串行通信部分。

由于GR-87属于独立模块，所以在系统原理图、PCB中未加入其封装，而是采用从PCB中的单片机串行口以及VCC、GND分别引出4条线，采用引线的方式与GPS相连接。

3.4LCD显示电路

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。

其中RS为寄存器选择端，高位时是数据寄存器，低位时是指令寄存器；RW时读写信号线，高位时是读，低位时是写；E为使能控制端。

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源。

第2脚：

VDD接5V电源正极

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（对比度过高时会产生“鬼影”，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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

显示电路如图3.2右侧所示，P0^0~P0^7经过上拉电阻10K*8欧姆与LCD的数据口DB0~DB7相连;RS/RW/EN由单片机的P2^7~P2^5控制；对比度控制口VO经过测试后，经5K定值电阻与VCC相连刚好合适；背光灯控制BGVCC经51欧姆的电阻与VCC连接，BGGND连接地。

这种接法缺陷是对比度不可调，但在稳定的5V供电的情况下，连接定置电阻经过测试也是行的通的。

3.55V稳压电源

5V稳压电源设计如图3.5所示，其中Pd10为输入口，Pd11为输出口；LM7805输出稳定在5V，输入端要求为5V~18V或24V，本次测试中，采用2节锂电池（型号18650），约7.4V输入。

三端稳压集成电路LM7805。

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78××系列和负电压输出的lm79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，因