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GPS报告
基于单片机的GPS定位系统
系部：
自动化系
制作人：
季宇峰，田金霞，苏慧雯
指导老师：
魏芬
南京航空航天大学金城学院
1．2．1数据采集方案2
1前言
1．1GPS概述
全球定位系统（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。
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。
全球定位系统由空间部分（GPS卫星星座）、地面监控部分（地面监控系统）和用户接收机（GPS信号接收机）3大部分组成。
通常说的GPS系统一般是指用户接收机，即GPS信号接收机。
本文中的简易GPS定位系统也是指GPS信号接收机，通过AT89S52单片机将从JRC-GPS-V1模块上采集的数据显示在12864液晶屏上。
本文主要研究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。
完成了一台液晶显示的手持式GPS定位接收设备，并依次显示实时时间及所在地的经纬度等信息。
1．2基础知识
本案例的基础知识主要有GPS的基础知识、串口通信的基础知识以及12864液晶显示知识。
GPS主系统是美国发射运行的卫星系统，包含了27颗能持续发送地理位置海拔高度和时间信号的卫星，24个正常使用，3个备用，这些卫星平均分布运行在六个轨道上。
一般来说，在地面上的GPS接收器能接收5～12个卫星信号，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卫星号的跟踪、锁定、测量,从而产生计算位置的数据信息（包括:
纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等）,经由I/O口输出串行数据。
串口通讯和12864液晶显示的知识将在下文中涉及，顾不在此赘述。
1．2．1数据采集方案
为了减少接收出错的问题，采集数据时使用串行口中断数据接收方式。
经过商定，我们决定采用以下方案设计：
选择性接收，先判断从GPS模块接收到的数据的格式，然后选择需要的格式中的一些数据进行存储。
这样就大大的节余了RAM，解决RAM不够用的问题。
例如：
接收$GPGGA格式数据的时间：
前五次数据接收的时候先判断数句格式（依次判断接收到的数据是否先后为’$’、’G’、’P’、’G’、’G’、’A’），如果是，然后判断接下来的逗号（’，’）是第几个逗号。
如果是第一个，说明接下来的数据是时间，如果是第二个，说明接下来的数据是纬度，依此类推。
本设计采用这种方案接收数据。
2硬件设计
2．1整版设计
设计原理图：
以单片机为核心将GPS数据发送模块，12864液晶显示模块系统的结合在一起形成一个整体，实现特定功能。
2．2显示模块设计
由于本作品显示的内容涉及中文显示，顾采用SMG12864液晶屏（带字库）作为显示模块，该液晶有20个引脚，带背光显示。
显示电路如下：
2．3GPS数据模块设计
本作品采用JRC-GPS-V1模块接受卫星发射的定位数据，顾不再需要设计GPS模版。
而为了能够显示时间、经纬度、海拔、速度等信息，需要接收GPGGA和GPRMC两段数据。
GPGGA数据格式：
$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx
$GPGGA：
起始引导符及语句格式说明（本句为GPS定位数据）；
<1>：
UTC时间，格式为hhmmss.ss；
<2>：
纬度，格式为ddmm.mmm（第一位是零也将传送）；
<3>：
纬度半球，N或S（北纬或南纬）
<4>：
经度，格式为dddmm.mmm（第一位零也将传送）；
<5>：
经度半球，E或W（东经或西经）；
<6>：
定位质量指示，A为有效位置,V为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3颗；
<7>：
使用卫星数量，从00到12（第一个零也将传送）；
<8>：
水平精确度，0.0到99.9；
<9>：
天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米；
M：
指单位米
<10>：
大地水准面高度，-9999.9到9999.9米；
M：
指单位米
<11>：
差分GPS数据期限（RTCMSC-104），最后设立RTCM传送的秒数量；
<12>：
差分参考基站标号，从0000到1023（首位0也将传送）。
*：
语句结束标志符。
xx：
从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验和。
：
回车。
：
换行。
GPRMC数据格式：
$GPRMC,hhmmss.dd,s,xxmm.dddd,,yyymm.dddd,,s.s（速度数据）,h.h,ddmmyy,d.d,,M*hh
3软件设计
3．1主程序设计
本设计的主要功能是接收GPS模块传送的数据，并显示出相应的数据信息，包括接受卫星颗数、当地时间、纬度、经度、高度以及速度。
数据接收部分，采用串行口中断接收数据。
显示部分就采用一个I/O口控制12864液晶显示相应的信息。
系统主程序的总体结构如图所示。
系统的主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断，12864液晶初始化；然后LCD显示屏进入开机状态，显示开机信息，转入正常的显示，并接收数据。
接着由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断地循环执行数据信息显示。
系统程序结构属中断方式，绝大多数功能在中断服务子程序中完成。
根据总体结构，可将程序划分为几个功能化模块：
串行口中断服务程序、显示子程序、扫描程序。
各个模块可进行独立设计、调试和查错，最终再连接成一个整体。
系统主程序的总体结构
系统主程序的总体结构如图3-1所示，首先是系统初始化，然后是显示开机信息，最后根据系统接收到的信息综合处理，得到数据显示到显示屏上。
图3-2数据接收程序流程图
3．2显示驱动程序
voidwr_d_lcd（ucharcontent）//写入数据
voidwr_i_lcd（ucharcontent）//写入命令
voidbusy_lcd（void）//忙信号检查
voidgotoxy（unsignedchary,unsignedcharx）//控制数据显示位置
voidprint（uchar*str,uintd）//显示字符串
charopen（）//开机程序
3．3硬件连接设置
sbitrs=P2^0;
sbitrw=P2^1;
sbite=P2^2;
#definelcddataP0
sbitbusy=P0^7;//lcdbusybit
寄存器选择位RS，当RS=1时选择数据寄存器DDRAM。
当RS=0时选择指令寄存器CDRAM。
读写选择位RW，当RS=1时读数据寄存器。
当RS=0时写数据或指令到寄存器。
读写使能信号EN，当EN=1时读取数据。
当EN为下降沿是为写数据或指令。
3．4系统主程序
main（）
{
unsignedcharb;
TMOD=0x20;//初始化串口
TL1=0xfd;
TH1=0xfd;//9600波特率
SCON=0x50;//工作方式1：
八位异步通信，允许接收
PCON=0x00;//波特率加倍关
IE=0x90;//打开总中断EA，和串行口中断ES
TR1=1;//开启启动定时器1
init_lcd（）;
clrram_lcd（）;//清屏
img_disp（qq1）;//
mdelay（3000）;
clrram_lcd（）;//清屏
b=open（）;;
clrram_lcd（）;
while
（1）
{
show（）;
}
}
3．5数据接收程序
RI=0;//软件清除中断标志位，串行口中断需要软件清零，去除中断标志
进入中断过后要先判断接收数据的格式，否则会出现乱接收数据，出现接收到的数据不对的问题，先判断是否接收到GPGGA格式语句的第一个字符“$”收到后，继续判断格式是不是为GPGGA，分五次中断判断，如果是，开始记录数据并设置记录标志，否则退出数据接收中断，程序设计如下：
voidqiannan（）interrupt4using3
{
ucharx,z,temp,ips,num;
inty;
RI=0;//软件清除中断标志位
temp=SBUF;
switch（data_item）
{
case0:
if（temp=='$'）{data_item++;igps=0;Num_comma=0;}
break;
case1:
if（temp=='G'）{data_item++;}
else{data_item=0;}
break;
case2:
if（temp=='P'）{data_item++;}
else{data_item=0;}
break;
case3:
if（temp=='G'）{data_item++;}
else{data_item=0;}
break;
case4:
if（temp=='G'）{data_item++;}
else{data_item=0;}
break;
case5:
if（temp=='A'）{data_item++;}
else{data_item=0;}
break;
}
if（data_item==6）//开始处理GPRMC中的数据信息,
{
if（temp==','）//利用GPGGA数据中的逗号间隔，判断数据信息
{
Num_comma++;//记录逗号个数，标志数据的意义
}
if（Num_comma==1）//接收时间，时分秒格式
{
data_temp[igps]=temp;//将字符放入字符串"data_temp"中
igps++;
}
if（Num_comma==2）//接收接收纬度，ddmm.mmmm格式
{data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（Num_comma==3）//判断北纬还是南纬
{data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（Num_comma==4）//接收精度，ddmm.mmmm格式
{data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（Num_comma==5）//判断东西经
{
data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（Num_comma==7）//判断使用卫星数量
{
data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（Num_comma==9）//海拔高度：
0-9999.9
{
if（SBUF!
='M'）//不接受M单位数据，节省资源
data_temp[igps]=temp;
igps++;
}
if（temp=='*'）//判断是否收到字符"*"，是，则结束接收，//开始处理
{
//返回初值;标识结束一次接收完毕
Num_comma=0;
data_item=0;
igps=0;
}
在对GPS接收到的卫星信息进行处理时，碰到较为麻烦的问题是在对接收到的时间信息进行转换上。
直接从卫星接收到的时间是UTC时间，北京时间应在UTC时间上加上8小时才是准确的北京时，在超出24小时时应作减24小时处理，代码如下：
time[0]=data_temp[1];
time[1]=data_temp[2];
x=time[0]-'0';//提取时间的小时位高位并转换码型
y=time[1]-'0';//提取时间的小时位低位并转换码型
y=x*10+y+8;//在UTC时间上加上8个小时
if（y>=24）//判断得到的时间是否超过24小时，超出变作24处理
{
y-=24;
}
time[0]=y/10+'0';//将北京时间高一位作码型变换并赋予高一位显示
time[1]=y%10+'0';//将北京时间高二位作码型变换并赋予高二位显示
}
4调试及性能分析
4．1软件调试
软件调试采用Proteus7.1、操作系统Windows7。
在PC机上对目标电路原理图和程序进行检测和调试。
4．2硬件调试
焊接硬件，检查线路连接正确无误。
硬件调试环境，从USB蓄电池中输出5V直流电。
以下是2012年9月1日在高速公路上对GPS的整体功能的测试图：
参考文献
[1]周国运。
单片机原理及应用（C语言版）。
北京：
中国水利水电出版社，2010
[2]邱致和，王万义。
GPS原理与应用。
北京：
电子工业出版社，2001
[3]51单片机接收GPS数据的算法与实现。
淮安：
淮安信息职业技术学院，2008
[4]王丙祥，李建海。
基于89C52的GPS板电路设计与实现。
西安文理学院学报（自然科学版）,2007
附录：
（电路图）
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