1、常州机电职业技术学院毕业设计（论文）作 者： 印 坤 学 号： 51350234 系 部： 信息工程系 专 业： 应用电子技术 题 目： 基于单片机的 GPS 导航装置设计 指导者： 左亚旻评阅者：2015 年 7 月 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 本文以基于单片机的 GPS 导航装置设计为主要内容，围绕“单片机控制 GPS模块实现定位导航功能”这一热点课题，利用 u-blox 公司的 GPS 模块和美国Cygnal 公司的 C8051F020 单片机，制作了 GPS 接收板和相应的数据处理、控制终端。给出了系统的总体设计方案并阐述了终端设计方法、开发方法和开发过程。文中首先
2、阐述了课题涉及的相关知识，主要包括定位导航的原理、系统组成、技术特点。并从系统功能和系统结构出发，通过分析比较选出合适的实现方案，在此基础上对系统所需硬件模块的选取作了简要介绍。然后针对系统的硬件设计、软件设计和软硬件联合调试等方面展开论述。本系统硬件设计分为两部分.:第一部分，接收板是以 u-blox 公司的 GPS 模块为核心并结合相关的外围电路实现。其中，接收天线的选取、天线座到模块 RF 1N 端的 50 欧姆阻抗匹配设计以及电源模块的设计等都在本文中作了详细阐述。第二部分，作为导航数据处理，定位控制以及显示部分的设计，对单片机、液晶屏(OCM12864)以及相关串口设计等也做了相应介
3、绍。本系统的软件设计，采用 C51语言编程，完成了单片机初始化程序、主程序(定位数据接收、处理)、液晶屏(OCM12864)初始化和显示程序的设计。最后文中详细描述了系统的实验调试过程、所遇到的问题以及解决方法，通过调试、修改，成功实现小范围的定位导航，完成课题设计的要求。并在此基础上提出了下一步的研究方向和工作。关键词:GPS; C8051F020;阻抗匹配;OCM12864;目录第 1 章 绪论 .41.1 论文的研究背景 .51.2 国内外研究现状及研究意义 .61.3 本文的研究内容 .71.5 论文的组织 .9第 2 章卫星定位系统相关技术 .92.1 GLONASS(格鲁纳斯)卫星
4、定位系统 .92.1.1 系统组成 .92.1.2 技术特点 .102.2 伽利略卫星定位系统 .102.2.1 系统组成 .102.3 中国“北斗”导航系统 .112.3.1 系统组成 .112.3.2 技术特点 .112.3.3 定位原理 .122. 4 GPS 卫星定位系统 .122.4.1 GPS 系统的组成 .132.4.2 技术特点 .142.4.3 定位原理 .162.5 目前各种卫星定位系统的比较 .172. 6 GPS 系统的优点 .182. 7 GPS 通信协议 .18第 3 章系统总体设计 .203.1 系统功能 .203.2 系统的组成 .203.3 系统方案选取 .2
5、03.3.1 常见导航定位系统实现方案 .203.4 定位导航终端的硬件模块的选取 .223.4.1 单片机的选取 .223.4.2 GPS 模块的选取 .223.4.3 液晶显示模块的选取 .22第 4 章系统硬件设计 .224.1 系统终端的总体硬件结构 .224.1.1 GPS 接收板的设计 .234.1.2 单片机控制模块设计 .234.1.3 LCD 模块电路设计 .254. 2 GPS 接收板设计 .254.2.1 GPS 模块 LEA-5H 介绍 .254.2.2 天线的选取 .274.2.3 阻抗设计 .284. 2. 4 电源供电模块设计 .294.2.5 RS-232 串口
6、模块设计 .304.2.6 工作指示电路设计 .314. 3 单片机控制模块设计 .314. 3.1 单片机 C8051F020 介绍 .314. 3.2 C8051 F020 单片机的接口电路设计 .354.4 RS-232C 串口模块设计 .374.4.1 RS-232C 总线标准与电气特性 .374.4.2 串行口电平转换芯片的选取 .374. 5 LCD 显示模块 .384. 5. 1 OCM12864 介绍 .384. 5. 2 LCD 显示模块与 C8051F020 单片机硬件接口设计 .394.6 系统抗干扰设计 .404.6.1 PCB 抗干扰设计 .404.6.2 软件抗干扰
7、设计 .41第 5 章系统的软件设计 .415. 1 系统时钟初始化 .415.2 1/0 口的初始化 .425.3 UARTO 的初始化 .435. 4 LCD 模块的初始化 .455.4.1 指令描述 .455.4.2 接口时序 .465.4.3 LCD 模块的初始化程序Zs .47第 6 章系统调试及结论 .496. 1 系统调试软件介绍 .496. 2 接收板硬件系统调试 .506. 3 单片机硬件系统调试 .53第 7 章结论 .547. 1 结论 .547.2 建议 .55致谢 .55参考文献 .56附录 .57附录 A 管脚分配图 .57附录 A. l GPS LEA-5H 模块
8、引脚封装图 .58附录 B 电路原理图 .59附录 B.1 GPS 接收板原理图 .60附录 C 本文所用到的英文检索词 .61第 1 章 绪论众所周知，全球定位系统(Global Positioning System，以下简称 GPS)是一种广泛使用的卫星定位系统，在地球上空分布有 24 颗卫星，用户通过 GPS 接收机接收卫星信号，就可以实时地获得高精度的三维位置/速度和时间信息，给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体、实时的定位能力。目前许多国家已经批量生产各种 GPS 终端模块，俄罗斯的 GLONASS 系统应用已经有几年的历史，我国的北斗系统也开始进入了应用阶段，欧洲的伽利略计划
9、己经启动。本课题设计正是基于此开展 GPS 自主定位系统的研究。由于 GPS 导航定位系统作为一个新兴的高新技术产业，技术含量相当高。发展我国的导航定位产业适逢其时，机不可失。随着现代科学技术的不断进步，导航定位相关产品的成本在不断下降，可以预言，导航与定位系统将向着小型化，智能化，多功能化方向发展。1.1 论文的研究背景GPS 即全球定位系统。它是一个由覆盖全球的 24 颗卫星组成的卫星系统11。这个系统可以保证在任意时刻，在地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗以上卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。它可用于引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、
10、准确地沿着选定的路线准时到达目的地。从而有效的降低了用户为了寻找目的地而付出的资源浪费，从一定程度上提高了作业效率、科学水平以及人们的生活质量。随着经济社会的发展，GPS 的应用己经深入到国民经济的各个领域，主要包括大地测量，工程测量，航空摄影线路勘测，智能交通等。目前国外己有两大卫星导航定位系统在运行:一是美国的全球定位系统(GPS ),二是俄罗斯的“格鲁纳斯”(GLONASS )定位系统。但是这两个系统都受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。为了能在卫星导航领域中占有一席之地，因而欧盟决定启动军民两用的与现有的卫星导航系统相互兼容的全球卫星定位系统计划一“伽利略”(GA
11、LILEO)计划。该计划还在实施当中。我国使用的是“双星定位系统” ，自行研制的第一颗导航定位卫星一“北斗导航试验卫星”于 2000 年 10 月 31 日成功发射。为满足国内卫星导航需求，我国自行建立了第一代卫星导航系统一双星导航定位系统(北斗一号)。2000 年 12月 21 日我国成功发射第二颗“北斗导航试验卫星” ，与发射的第一颗“北斗导航试验卫星”构成了“双星导航定位系统” 。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。该系统将用于交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安及其他领域的导航定位服务。这将标志着我国将拥有自主研发的第一代卫星导航定位系统。但是就
12、目前运行情况来看，俄罗斯由于经费原因导致在轨卫星数目不足 6颗无法独立成网，而伽利略和北斗系统正在建立过程中，所以 GPS 卫星导航系统无疑占据着最大的市场并有着最高的工作稳定性。所以在本文所研究的课题中，所用的导航定位系统仍然是美国建立的 GPS 定位系统。1.2 国内外研究现状及研究意义从上个世纪九十年代开始，各发达国家都加快了导航定位系统的研制开发速度。运用现代信息技术、通信技术、定位技术、控制技术，大大提高了人们的出行安全和工作效率，为现代信息社会提供了准确、迅速的出行服务。由于经济发展的差异，以及 GPS 等技术都是由国外首先拥有和使用，所以国外在GPS 导航定位系统的研究、应用方面
13、都比国内早，现在已经有比较成熟的产品。但是，由于导航定位系统有强烈的本地特色，例如当地的网络状况和地图信息的不尽相同，使许多国外导航定位系统产品不能够简单的应用于中国。国内也有许多公司和机构参与导航定位系统的研制，各家正在研制和已推出的系统之间，应该说各有优缺点。由于现在可用于系统的技术选择比较多，每个公司都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解，构建自己的系统。我国的 GPS 卫星导航定位系统研究起步晚，基本上处于对国外研究的比较、学习阶段。后 PC 时代的来临为我们快速拉近与发达国家的相关科技距离提供了前所未有的机遇。随着社会信息化的日益发展，GPS 的应
14、用己经深入到国民经济的各个领域，其发展方向是监控跟踪及导航相结合，其长远发展则是导航、测量、线路勘测、智能交通、通信等。本文提出的导航定位终端设计方案，将终端设计为一个基于单片机 C8051F020 的简易导航定位系统，可实现 GPS 导航、电子地图实时定位等功能。虽然与现阶段比较成熟的定位导航产品有一定差异，但也算是对定位导航的一种简单尝试。本课题的研究意义主要有如下几个方面:(1)随着中国经济的飞速发展，人们的出行越来越频繁，GPS 应用也越来越广泛，GPS 导航定位系统的研制具有很大的实用价值和市场前景，但是从系统的技术水平、产品的质量和成熟程度来说，我国还处在往上发展的时期。目前，城市
15、建设发展速度越来越快，道路变得也越来越复杂，在这种情况下，找到一种方式，使人们能够从容的面对错综复杂的交通网，已经迫在眉睫。利用 GPS进行定位是个不错的选择。(2)纵观国内的 GPS 导航市场，成型的 GPS 导航定位产品价格各异，少则上千多则上万，且性能差距较大。昂贵的费用不仅让众多消费者望而却步，而且定位精度的落差时常使得他们怨声载道。因此研发一套价格适合中低层用户且定位精度高的 GPS 导航系统，具有相当的市场前景。也是对导航定位技术运用的一种初步尝试。(3) C8051F 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与 8051兼容的 CIP-51 微控制器内核。其内部电路包括 C
16、IP-51 微控制器内核及 RAM, ROM, I/0 口、定时/计数器、ADC, DAC, PCA, SPI 和 SMBus 等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SOC )。具有与 80C51 系列单片机相同的指令系统，并且功能更加全面。因此将 C8051F020 单片机运用于本次设计，也是一种新的尝试，也加深了对C8051F 系列的掌握。(4)针对导航电子地图，由于生产厂家各自为阵，电子地图的数据质量也参差不齐，没有统一的标准。如果利用专业电子地图开发软件，其开发成本昂贵。并且随着我国城市建设和改造步伐加快，城区道路不断新建，错综复杂
17、的道路时而涌现。因此如何根据用户实际需要，开发出一套价格低廉且适合于用户工作环境的导航地图尤为重要。1.3 本文的研究内容GPS 定位导航终端中控制器的选择直接影响到整个系统的性能。目前，定位导航终端一般采用基于嵌入式、单板机或单片机的实现方案。基于嵌入式的车载定位航终端开发难度较大，开发周期也相对较长;单板机开发成本较高，体积大，一般适用于大型基于单片机的 GPS 导航装置的设计监控系统。因此，为了开发成本低、体积小、性能稳定的定位导航终端，选择一种合适的控制器至关重要。如今，高性能、高可靠性、低价位的 SOC 单片机己经广泛应用于工业控制领域，使用 SOC 单片机不仅可以优化系统性能，而且
18、节约了资源和成本。SOC 单片机克服了普通单片机功能单一、资源分配不灵活的缺点，从众多单片机中脱颖而出。选择合适 CPU 内核和 IP 模块构架成具有特定功能的 SOC 单片机，使得其满足位导航终端功能所需。本文设计的 GPS 定位导航终端采用基于 SOC技术的单片机 C8051F020 作为核心控制器，优化了系统性能，节约了成本，缩短了开发周期。该课题主要的任务是:以 Silicon Labs 公司生产的 C8051F020 芯片作为系统中心控制处理器，结合部分外围器件设计出控制、显示的硬件电路，并通过自制的 GPS 接收机接收来自 GPS 定位卫星的定位信息。系统通过串口实现和GPS 接收
19、机通信，实时提取相关的定位数据(经度、纬度、高度等)并通过自制的电子地图，由液晶屏显示用户位置，实现导航定位的目的。1.4 课题完成的工作I.本文所做的工作主要有以下 4 点:(1)研究了目前国内外 GPS 导航系统的发展现状、GPS 技术，讨论了定位导航终端的设计以及先进的 SOC 单片机技术。(2)选择合适的 GPS 模块和 SOC 单片机，构建基于 SOC 技术的定位导航终端，并进行可行性论证。(3)设计了 GPS 接收板电路和控制板电路并制作 PCB 板。焊接元器件做系统调试。(4)通过核心控制器 C805IF020 与 GPS 接收机进行通信，提取定位数据并进行处理和定位显示，实现定位导航终端的基本功能。(5)通过实际点的取样，对道路进行描绘。实现简单的自制电子地图显示。(6)将基于 SOC 技术的定位导航终端应用于实际定位导航中，对定位导航终端进行灵敏度和定位精度测试。
