基于单片机的GPS定位系统设计.doc

1、基于单片机的 GPS 定位系统设计摘 要GPS 是英文 Global Positioning System（ 全 球 定 位 系 统 ） 的 简 称 。 由 于GPS 技术所 具 有 的 全 天 候 、 高 精 度 和 自 动 测量的 特 点 ， 作 为 先 进 的 测 量 手 段和 新 的 生 产 力 ， 已 经 融 入 了 国 民 经 济 建 设 、 国 防 建 设 和 社 会 发 展 的 各 个 应 用 领域 。本 次 设 计 由 于 采 用 GPS 模 块 (M-87)， 基 于 单 片 机 AT89C51 来 实 现 GPS定 位 信 息 显 示 系 统 。 所 以 本 设 计 详

2、细 介 绍 了 一 种 成 本 很 低 ， 操 作 简 单 的 经 济 型GPS 定 位 系 统 的 设 计 方 案 。 本 方 案 基 于 51 单 片 机 ， M-87,12864 液 晶 显 示 屏的 等 硬 件 ， 应 用 C 语 言 ， 可 以 完 成 GPS 的 信 息 提 取 ， 可 以 显 示 时 间 、 经 度 、纬 度 等 其 他 信 息 ， 使 用 基 本 的 键 盘 控 制 操 作 等 。 这 种 设 计 可 以 精 度 高 、 体 积小 、 连 续 导 航 。 本 设 计 主 要 是 应 用 于 个 人 驾 车 外 出 旅 游 ， 出 租 车 定 位 等 领 域 。关

3、 键 词 ： 单 片 机 ， HOLUX M-87， LCD摘要IIDesign of GPS positioning system based on single-chip computerABSTRACTAs GPS technology with around-the-clock, high accuracy automatic measurement and characteristics as advanced measurement methods and new productive forces, are integrated into the national economi

4、c construction and national defense construction and social development in various areas of application.The design due to the use of GPS module (M-87), AT89C51 based on single-chip microcomputer to achieve GPS positioning information display system. So this design details to a low cost, easy afforda

5、ble GPS positioning system design. This scenario is based on 51 single chip, M-87,12864 LCD screen, hardware, c language, you can complete the GPS information extraction, you can display the time, other information such as longitude, latitude, using basic keyboard control of operations. This design

6、makes high precision and small size, continuous navigation. This design is applied to individual car travel, taxi location and so on.KEY WORDS: SCM, HOLUX M-87,LCD洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 GPS 和相关软件的简介 .21.1 GPS 简介 21.1.1 GPS 定义 21.1.2 GPS 定位基本原理 21.1.3 GPS 特 点 .31.2 HULUX M-87 简介 .41.2.1 HULU

7、X M-87 参数 41.2.2 通信处理 .41.2.3 M-87 协议 5第 2 章 硬件电路设计 .82.1 设计方案的选择 .82.1.1 方案一 .82.1.2 方案二 .82.2 AT89C51 92.2.1 AT89C51 简介 .92.2.2 管脚说明 .102.2.3 AT89C51 芯片擦除 .112.3 单片机与 GPS 接口电路 122.3.1 单片机与 GPS 的接口电路 .122.3.2 GPS 模块管脚说明 122.3.3 键盘部分 .132.4 LCD 液晶显示器 .132.4.1 LCD12864 概述 .132.4.2 基本特性 142.4.3 模块接口说明

8、 142.5 电源部分 .16第 3 章 系统软件设计 .18前言IV3.1 系统软件概述 183.2 软件程序的编写 183.2.1 初始化模块 .193.2.2 数据接收处理模块 .19第 4 章 系统调试 .214.1 硬件调试 .214.2 软件调试 .214.3 系统测试结果 .22结 论 .24谢 辞 .25参考文献 .26附录 .26外文资料翻译 .28洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言针对中国交通现状而言，我想大家都不言而喻。其实我更想说的是上班不易，下班难，当然我这里说上班不易是你必须提前一个小时左右的时间去赶车或开车，下班时，你到家可能很困难。因为堵车在这个时段是很常见的

9、，特别是那些开私家车的人对这种情况更加烦恼，不知道改怎么做，我想他们想的更多的是还是等政府制定政策，在开几条道路吧！在这之前还是默认接受这样的情况。我想这样的情况我们大可不必这样默认接受，我本次设计就是有这方面的启发。面临如今交通现状，特别是私家车日益增多，对交通便利的压力很大，GPS车载定位监控对于缓解交通拥堵现象还是很有一定的作用，这个定位监控能及时的把自己的位置显示出来，及时找到一条交通不拥堵的道路，让自己的能准时的去工作，准时的到家等等：当然这个设计不仅仅只有这样一些的特点，他们对于自己外出旅行业有很大的帮助，他能准确的识别道路，识别自己的方位等很多方面。本文首先介绍了 GPS 系统由

10、来及其发展、基本概念、M-87 的工作原理通信处理和 M-87 协议。然后确定最佳的了设计方案 及其对 AT89C51、NMEA-0183 通讯协议、液晶显示器进行了详细论述。并且设置了单片机与 GPS 接口电路、单片机与液晶显示器的电路。 。通过 C 语言实现了 GPS 信号的提取、显示及基本的键盘控制操作等。经过实践测试,这种接收机可以达到基本 GPS 信息接收以及显示，可以做到方便灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强，并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。第 1 章 标题 2第 1 章 GPS 和相关软件的简介1.1 GPS 简介1.1.1 GPS 定义

11、利 用 GPS 定 位 卫 星 ， 在 全 球 范 围 内 实 时 进 行 定 位 、 导 航 的 系 统 ， 称 为 全球 卫 星 定 位 系 统 ， 简 称 GPS。 GPS 的空间部分是由 24 颗卫星组成（2 1 颗工作卫星；3 颗备用卫星） ，它位于距地表 20200km 的上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗） ，轨道倾角为 55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，G PS 的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。图 1.1 GPS 卫星空间分布示意图1.1.2 GPS 定位基本原理G

12、PS 定 位 的 基 本 原 理 是 根 据 高 速 运 动 的 卫 星 瞬 间 位 置 作 为 已 知 的 起 算 数 据 ，采 用 空 间 距 离 后 方 交 会 的 方 法 ， 确 定 待 测 点 的 位 置 。 如 图 所 示 ， 假 设 t 时 刻在 地 面 待 测 点 上 安 置 GPS 接 收 机 ， 可 以 测 定 GPS 信 号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据 。洛阳理工学院毕业设计（论文）31.1.3 GPS 特 点（ 1） 全 球 全 天 候 定 位 GPS 卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到 4 颗 G

13、PS 卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外） 。 （ 2） 定 位 精 度 高 应 用 实 践 已 经 证 明 ， GPS 相 对 定 位 精 度 在 50km 以 内 可 达 10-6m， 100-500km 可 达 10-7m， 1000km 可 达 10-9m。 在 300-1500m 工 程 精 密 定 位 中 ， 1小 时 以 上 观 测 时 解 其 平 面 位 置 误 差 小 于 1mm， 与 ME-5000 电 磁 波 测 距 仪 测定 的 边 长 比 较 ， 其 边 长 较 差 最 大 为 0.5mm， 校 差 中 误 差 为 0.3mm。 实 时

14、单 点 定 位 (用 于 导 航 )： P 码 12m ； C/A 码 510m。 静 态 相 对 定 位 ： 50km 之 内 误 差 为 几 mm+(12ppm*D)； 50km 以 上 可 达0.10.01ppm。 实 时 伪 距 差 分 (RTD)： 精 度 达 分 米 级 。 实 时 相 位 差 分 (RTK)： 精 度 达 12cm。 （ 3） 观 测 时 间 短 随 着 GPS 系 统 的 不 断 完 善 ， 软 件 的 不 断 更 新 ， 目 前 ， 20km 以 内 相 对 静态 定 位 ， 仅 需 15-20 分 钟 ； 快 速 静 态 相 对 定 位 测 量 时 ， 当

15、每 个 流 动 站 与 基 准 站相 距 在 15KM 以 内 时 ， 流 动 站 观 测 时 间 只 需 1-2 分 钟 ； 采 取 实 时 动 态 定 位 模式 时 ， 每 站 观 测 仅 需 几 秒 钟 。 因 而 使 用 GPS 技 术 建 立 控 制 网 ， 可 以 大 大 提 高 作 业 效 率 。 （ 4） 测 站 间 无 需 通 视 GPS 测 量 只 要 求 测 站 上 空 开 阔 ， 不 要 求 测 站 之 间 互 相 通 视 ， 因 而 不 再 需 要建 造 觇 标 。 这 一 优 点 既 可 大 大 减 少 测 量 工 作 的 经 费 和 时 间 （ 一 般 造 标 费

16、 用 约 占总 经 费 的 30% 50%） ， 同 时 也 使 选 点 工 作 变 得 非 常 灵 活 ， 也 可 省 去 经 典 测 量中 的 传 算 点 、 过 渡 点 的 测 量 工 作 。 （ 5） 仪 器 操 作 简 便 随 着 GPS 接 收 机 的 不 断 改 进 ， GPS 测 量 的 自 动 化 程 度 越 来 越 高 ， 有 的 已趋 于 “傻 瓜 化 ”。 在 观 测 中 测 量 员 只 需 安 置 仪 器 ， 连 接 电 缆 线 ， 量 取 天 线 高 ，监 视 仪 器 的 工 作 状 态 ， 而 其 它 观 测 工 作 ， 如 卫 星 的 捕 获 ， 跟 踪 观 测

17、 和 记 录 等 均第 1 章 标题 4由 仪 器 自 动 完 成 。 结 束 测 量 时 ， 仅 需 关 闭 电 源 ， 收 好 接 收 机 ， 便 完 成 了 野 外 数据 采 集 任 务 。 如 果 在 一 个 测 站 上 需 作 长 时 间 的 连 续 观 测 ， 还 可 以 通 过 数 据 通 讯 方 式 ， 将所 采 集 的 数 据 传 送 到 数 据 处 理 中 心 ， 实 现 全 自 动 化 的 数 据 采 集 与 处 理 。 另 外 ，现 在 的 接 收 机 体 积 也 越 来 越 小 ， 相 应 的 重 量 也 越 来 越 轻 ， 极 大 地 减 轻 了 测 量 工作 者

18、的 劳 动 强 度 。 （ 6） 可 提 供 全 球 统 一 的 三 维 地 心 坐 标 GPS 测 量 可 同 时 精 确 测 定 测 站 平 面 位 置 和 大 地 高 程 。 目 前 GPS 水 准 可 满足 四 等 水 准 测 量 的 精 度 ， 另 外 ， GPS 定 位 是 在 全 球 统 一 WGS-84 坐 标 系 统 中计 算 的 ， 因 此 全 球 不 同 地 点 的 测 量 成 果 是 相 互 关 联 的 。 （ 7） 应 用 广 泛1.2 HULUX M-87 简介1.2.1 HULUX M-87 参数（1）GPS 芯片是 MTK，系统内存是 4MB；（2）模块灵敏度：

19、1 59dBm，卫星通道：3 2 通道，定位精度：= 24) /判断得到的时间是否超过 24 小时，超出变作减24 处理j - = 24;洛阳理工学院毕业设计（论文）21 g_DisTime0 = j/10+0; /将北京时间高一位作码型变换并赋予高一位显示g_DisTime1 = j%10 +0;/将北京时间高二位作码型变换并赋予高二位显示在调试中出现一个奇怪的问题，在作了以上的处理后时间的小时位数据并不完全正确，高位显示的与北京时间相同，但低位却与 UTC 时间相同。在做了各种尝试（如在 UTC 时间上做加 9 处理、直接给六位时间 g_DisTime5赋值等）后总结出这样一个问题，以上的

20、算法处理只对六位数据位的高一位处理有效，低五位的显示始终都是正确 UTC 时间。经过分析，初步认定上面的程序并没有被完全的执行。因 GPS 接收模块源源不断的传送数据给单片机处理，在运行过程中定位信息大约每秒钟更新一次，在主函数中对收到的时间进行处理时有可能会出现还没来得及处理完毕时便接收到下一帧数据，故时间的处理就可能会有只对高一位处理完成而没完成处理好低五位时又进入了串行口中断，那么液晶显示的结果就是经过处理的高一位(北京时间)和未经处理的低五位(UTC 时间)。考虑到以上原因，将原放在主函数的时间转换处理程序放置在到中断时一收到 UTC 时间就对其进行转换处理。经过了调试，终于在液晶上显

21、示出来正确的北京时间，证明了以上的分析、推断的正确性。4.3 系统测试结果2012 年 5 月 12 日上午 10 点 23 分钟左右在洛阳理工学院实验楼 D 楼进行测试，接收天线放置于户外接收信号，启动 GPS 接收系统，经过测试，液晶显示的结果如下图 4-1：结 论22图 4-1 液晶显示结果洛阳理工学院毕业设计（论文）23结 论本课题是在了解当前 GPS 导航系统的条件下，自行开发一套 GPS 定位系统。GPS 接收机的开发和研制，主要是了解 GPS 的原理，熟悉 GPS 接收机的工作原理及其各部分工作流程。GPS 信号处理这一块由 M-87 实现，通过 M-87 与MCS-51 兼容系

22、列单片机串口相连，配备了所需的外围电路，同时配有液晶显示器，可以显示字符，并详细介绍了该 GPS 接收机的硬件和软件设计。开发的 GPS接收机已经可以正常工作，同时显示的定位精度和定位速度等各方面的指标都满足要求。通过实验模拟仿真，结合本课题的人机界面、参数设置与计算等，能够满足课题要求，可以实现导航功能。通过本课题的完成，我对 GPS 的原理有了深入的理解，熟练地掌握了 GPS接收机的工作原理。同时，我对单片机的应用有了更深入的掌握，提高了单片机外围电路设计和软件设计的经验的能力。这些对我今后的工作的提高都有所帮助。同时，由于水平有限和时间问题，有许多不足。没有进行误差分析，定位数据可能有误

23、差，这有待改进和提高。附 录24谢 辞时间转眼即逝，不知不觉我的大学已渐渐的接近尾声，大学的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。在此，首先，我要感谢王煜老师！老师学识渊博、治学严谨、耐心细致。在毕业设计期间，无论是在资料的查找、原理的讲解，还是在做人处世的风格上，都让我受益匪浅，得到的启示是难以详尽。在这里我要向老师表示最忠心最诚挚地感谢！我有很多基础理论知识掌握不牢，一面帮我查缺补漏，一面发挥我的特长，让我的课题能够顺利有序地进行到满足要求。其次，我还要感谢我们课题组的曲尚辉，梁玲敏，张益梁同学，在共同的学习中，我们互帮互助，愉快地完成了毕业设计！此外,还要感谢以前的代课老师

24、,他们在各方面都给了我不少帮助,愿他们工作愉快,身体健康，万事如意!25参考文献1刘基余. GPS 卫星导航定位原理与方法M. 北京: 北京科学出版社,20032洪大永. GPS 全球定位系统技术及应用M. 福建 : 厦门大学出版社,19983张守信. GPS 卫星测量定位理论与应用 M. 长沙: 国防科技大学出版社,19964郑晓霞. 基于 AT89S51 单片机实验开发系统设计D. 内蒙古大学 20095尹继尧,徐平 ,杨天青,吴培稚. 对 GPS 接收机测试评估的探讨 J. 地震地磁观测与研究. 2005(06)6施维忠. 接收全球定位系统信号的系统和方法 P. 中国专利:CN,2003

25、-12-03.李华. MCS51 系列单片机实用接口技术. 北京: 北京航空航天大学，19937徐绍铨等编著.GPS 测量原理及应用M. 武汉测绘科技大学出版社, 19988贾赞杰,朱昱 ,史线龙,高云飞. 基于 GPS 的时钟同步模型选择与实验分析J. 测绘科学. 2011(03) 9长谷川浩二;若森美贵雄;金纲治男. 全球定位系统定位方法和全球定位系统接收装置 P. 中国专利:CN,2001-06-20.10吴迅. 使用单片机的简易 GPS 经纬度信息显示系统 J. 电子世界. 2009 年,第1 期,P464811Ling Huang. GPS Information Processin

26、g System Based on Single Chip Microcomputer. Modern Electronics TechniqueC. 200712张海龙. 基于单片机的 GPS 定位显示系统J. 网络与信息. 2009 年,第 4期，P4713何立民. 从 Cygnal 80C51F 看 8 位单片机发展之路 . 单片机与嵌入式系统应用，2002 年，第 5 期,P5 814Bradford W Parkinson,James J Spilker Jr.Global Positioning System: Theory and Applications Volume. . 1

27、99615S.-C. Han,J. H. Kwon,C. Jekeli. Accurate absolute GPS positioning through satellite clock error estimationJ ,2001第 3 章 标题26附 录 软件程序#include“reg51.h“#include “stdio.h“#include “intrins.h“#include“System.h“#define FALSE 0#define TRUE 1sbit SCLK = P17;sbit MISO = P16;sbit MOSI = P15;sbit LCD_SH =

28、P12;sbit LCD_CS = P11;#define LCD_SCLK SCLK#define LCD_MISO MISO#define LCD_MOSI MOSI#define LCD_16dot_mode 1#define LCD_12dot_mode 2#define LCD_DRAW_mode 3#define LCD_FD_DRAW_mode 4#define LCD_FD_DATA 1#define LCD_FD_ADDR 0#define LCD_FD_CMD 0/LCD 命令及参数定义#define LCD_CMD_HEAD 0x80#define LCD_CMD_END 0x93#define LCD_16DOT_MODE_CMD 0x81#define LCD_12DOT_MODE_CMD 0x82#define LCD_DRAW_MODE_CMD 0X83