基于单片机的GPS定位系统软件设计.docx

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基于单片机的GPS定位系统软件设计

本科生毕业设计（论文）

基于单片机的GPS定位系统软件设计

SoftwareDesignofGPSPositionInformationProcessingSystemBasedonSingleChipComputer

总计：

25页

表格：

11个

插图：

7幅

学院（系）：

电子与电气工程系

专业：

电子信息工程

基于单片机的GPS定位系统软件设计

[摘要]本文件介绍了一项单片机采集和处理GPS定位信息的设计，实现定位功能。

该系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心控制器件，通过串行口与GPS模块C3-370B通信，接收GPS模块输出的时间和定位信息，该输出信息格式采用NMEA-0183标准格式中的GPRMC语句。

单片机接收到定位信息和时间信息后，将GPS模块输出的时间信息进行时差调整，再将所获取的位置和时间信息通过显示终端显示。

该系统采用AT89C51来控制各模块，其中看门狗模块、GPS模块、液晶显示及键盘模块与单片机进行连接。

本论文对各个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了软件设计，在总体流程图的基础上对本设计中各模块的工作流程及软件实现进行了详细的论述。

最后，用Keil与Proteus进行了联机仿真，基本实现了本设计的应用功能。

[关键词]单片机；GPS定位系统；NMEA-0183；软件设计

SoftwareDesignofGPSPositionInformationProcessingSystemBasedonSingleChipComputer

Abstract:

AdesignofGPSpositioninformationacquisitionbasedonsinglechipcomputerisintroduced.ThissystememploysATMEL’SAT89C51asacorecontroller，communicatingwithGPSmodule（C3-370B）inserialsport,receivesNMEA-0183standardformednavigatingdataoutputfromGPSmodule,amongwhichGPRMCisselectedtoacquiregeologicalinformationandtiminginformation.Finallytheacquiredgeologicalinformationandtiminginformationaredisplayedonthedisplayterminalafterproperdataprocessingsuchastimedifferencecorrection.

Thesystemuses89C51tocontroleverymodule,whichthewatchdogmodule,GPSmodule,LCDdisplayandkeyboardmoduleandMCUareconnected.Thisarticlestudiedeachmoduleandcomprehensivelydiscussedthesoftwaredesignindetail.Aspecificdescriptionhasbeengivenabouttheprocessandsoftwarerealizationofeachmoduleduetothewholeflowchart.Finally,bysimulatingwithKeilandProteuslinkingtogether,theapplicationfunctionsofthisdesignhasbeenprimarilycarriedintoeffect.

Keywords:

MCU;GPS;NMEA-0813;softwaredesign

1引言

本章主要介绍了本课题研究的背景和意义，然后简要描述了GPS定位系统的发展及现状，最后介绍了本设计的主要内容及特点。

1.1课题背景和意义

最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。

随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。

两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。

消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数据功能。

有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。

GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。

尽管目前大多数人还不知道什么是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。

今后，所有运载器都将依赖于GPS。

GPS就象移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

1.2GPS的发展及现状

在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统[1]。

（1）无线电导航系统 

●罗兰—C：

工作在100KHz，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000Km，一般精度200-300m。

●Omega（奥米茄）：

工作在十几千赫，由八个地面导航台组成，可覆盖全球。

精度几英里。

●多卜勒系统：

利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。

误差随航程增加而累加。

缺点：

覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。

（2）卫星定位系统 

最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。

由于该系统卫星数目较少（5-6颗），运行高度较低（平均1000Km），从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。

为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。

1973年美国国防部制定了GPS计划。

欧盟“伽利略”：

1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。

今年该计划正式启动。

　　俄罗斯“格洛纳斯”：

尚未部署完毕。

始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。

中国“北斗”：

2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。

去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。

北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。

（3）GPS发展历程 

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。

研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。

实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。

1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

如人们所说：

“GPS的应用，仅受人们的想象力制约。

”GPS问世以来，以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引了全世界许多用户。

我国的GPS应用发展势头迅猛，短短几年，GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益,具有广阔的应用前景。

1.3本设计的主要内容

本论文主要研究的是基于单片机的GPS定位系统的软件设计，主要目的是在掌握一定量GPS和单片机理论和知识的基础上，选用ATMEL公司的AT89C51系列单片机提取GPS模块接收到的数据，由TS12864A1液晶显示接收并显示数据。

本系统主要是利用核心器件单片机对卫星信号信息数据的提取和进行相应的处理，使收集到的数据能在液晶显示模块上进行正确的显示。

系统中需要有信号接收处理模块，由C3-370BGPS模块完成；数据提取和处理模块，由AT89C51单片机完成；数据显示模块，本设计选择TS12864A1点阵式图形液晶显示模块。

除了以上三部分外，为了保证系统的可靠性，本系统还选用了具有强大功能的X5045芯片。

软件设计内容不仅包括控制流程图的绘制和程序的编写，还包括仿真的软件实现。

2GPS定位系统

2.1GPS定位系统的定义

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。

经过近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、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，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[2]。

2.2GPS定位系统的定位原理

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等[3]。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。

对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。

严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。

一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。

相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值[3]。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。

相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（