基于单片机及GPS器件的定位与测量系统设计毕业设计 精品Word格式文档下载.docx
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参考文献……………………………………………………
附录1…………………………………………………………
附录2…………………………………………………………
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;
学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;
学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;
在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
日期:
导师签名:
日期:
摘要:
本文主要介绍了利用单片型微机作为处理器,接收GPS定位导航系统信息的原理和方法,以及如何实现控制和显示所采集的信息。
GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系统,是由美国为高精度导航和定位而研制的全球性被动式无线电卫星系统,是集无线电导航、定位和定时于一体的多功能系统。
GPS系统由空间部分、地面监控部分和地面接收机部分组成。
GPS全球定位系统精度高,可连续导航,抗干扰能力强,加之其全天候,全球覆盖,方便灵活,质优价廉的特点,因而具有广阔的应用前景。
将GPS接收机的小型化OEM板与单片机相结合,配置相应的外围设备,即可开发GPS应用系统。
在这里我们以MCS-51单片机作为控制模块,接收由GPS接收机发送的数据,进行定位信息的计算处理后,控制显示模块将当前时间、经度、纬度等定位信息用液晶显示器显示出来。
借助该系统,只许按几次键,便可以清楚的知道自己的方位。
本文以Garmin公司生产的GPS25LP型OEM板为例,介绍了全球定位系统(GPS)的基本工作原理,讨论了GPS-OEM板的组成和特点,分析了满足NMEA–0183通信协议语句的数据格式及信息组成,并结合其硬件特点,着重讲述了MCS-51单片机与GPSOEM板的串行通信问题,讨论了GPS应用系统的软硬件配置问题,并给出了单片机读取和现实导航数据的有关汇编语言程序。
关键字:
全球定位系统,单片机,OEM板,串行通讯,液晶显示器
PositioningandmeasurementsystembasedonSCMandGPSdevice
Abstract:
ThispapermainlyintroducedthetheoryandmethodofusingmicrocontrollerasmicroprocessorstoreceiveinformationfromGPSnavigationsystem,Andthecontrolanddisplayofthecollectionofinformation.GPSNamelyglobalpositioningsystemisbuiltforprecisionglobalsatellitesystemandpassiveradiobyAmerica'
snavigationandpositioning,whichisamultifunctionalsystemofcollectionofradionavigation,locationandtime.GPSsystemconsistsofspace,groundmonitoringandgroundreceiversparts.GPShashighprecision,stronganti-jammingcapability,togetherwithitsall-weather,globalcoverage,convenientandflexible,inexpensive,andthushasthebroadapplicationprospect.TheminiaturizationofGPSreceiverwillbecombinedwithMCUOEMboard,configurecorrespondingperipherals,wecandeveloptheGPSsystemapplication.
TocombineGPSreceiversofminiaturizationOEMplatewithSCM(singlechipmicrocomputer)ascontrolmoduletoreceivethedatasentGPSreceiver,andcorrespondingperipherals,wecandeveloptheGPSsystemapplication.UsingSCMasMicroprocessormoduletoreceivethedatafromGPSreceiverandcalculatethePositioninginformation,Thensendthecurrenttime,latitude,longitudeetcpositioninginformationtoLCDtodisplay.Here,wetaketheGPS25LPOEMboardofGarmincompanyasanexample,IntroducesthebasicprincipleofGPSdeviceanddataformats,discussestheGPS-OEMplatewithMCS-51SCMserialcommunicationinterfaceandliquidcrystaldisplaycircuitconnectionmethod,Andpresentthereading,controlanddisplayofGPSnavigationinformationassemblerlanguageprogram.
Keywords:
globalpositionsystem(GPS),singlechipmicrocomputer(SCM),OEMboard;
Serialcommunication;
LCD
1引言
从事林业、石油、地质、海洋、铁路、公路、环保等行业的工作者由于工作范围大多地处户外,有些甚至是人迹罕至的不毛之地,所以他们对于获取自己当前所处位置的需求是非常强烈的。
而且随着经济的不断发展,使移动目标的定位、监控、指挥和调度系统,成为公安、银行以及公交运输系统中一个越来越重要的问题。
而GPS定位技术的出现也给车辆、轮船等移动目标的导航定位提供了精确、实时的定位能力。
全球定位系统是美国第二代卫星导航系统。
它是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,GPS能提供全天候、连续、实时高精度导航参数,实现三维定位,并可提供精确的时间信息。
用户接收机接收到卫星发播的信号并利用本机产生的伪随机噪声码取得距离观测量和导航电文;
根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息计算接收机的位置。
近年来GPS在在国内外得到广泛的应用,在各个领域发挥了极大的作用,已成为信息时代不可缺少的一部分。
GPS系统一开始是为军事目的而建立的,但很快在民用方面得到了极大的发展。
现在大多数的GPS都已经模块化并提供简洁的应用接口。
本文中要讨论的定位测量系统就是利用单片微型计算机和GPS接收技术相结合而成的GPS定位测量系统。
目前,世界市场上已经出现了许多性能优良的便携式GPS接收机,尤其是美国、日本公司的GPS接收机已经被广泛使用在车载导航、大地测量、远洋船舶导航等领域中。
利用GPS全球定位系统而建立的实时导航,定位授时系统目前已被广泛应用。
因此GPS接收机的原始设备制造产商(OriginalEquipmentManufacturer)接收板应运而生,其内部含有基本的GPS信号接收和解算单元以及必要的输入输出接口,具有性能可靠、结构简便、易于开发的特点,而且,仅数厘米的尺寸使其可以十分方便地与其他设备组合,适用于多种应用场合,正越来越受到开发者的关注。
本文即使用Garmin公司生产的GPS25LP型OEM为例,介绍了其基本工作原理和输入输出数据格式,讨论了GPSOEM板与MCS-51单片机的串行通信接口以构成GPS基本应用系统,并给出了读取和控制GPS导航信息的汇编语言程序。
2系统的总体设计
本课题要求设计通过单片机控制GPS器件组成的定位与测量系统。
在这里使用常见的MCS-51型单片机作为处理器,利用MCS-51单片机的串行接口接收GPS25型GPSOEM板输出的数据信号,并通过软件方法筛选出其中有用的定位数据,最后通过单片机的并行接口输出至液晶显示模块显示的方案。
该GPS定位与测量系统硬件系统由以下几部分组成:
(1)接收部分:
以GarminGPSOEM板为核心的GPS接收机;
(2)电平转换电路:
应用MAX232电平转换芯片;
(3)控制电路:
由51单片机作为微处理器控制GPS信号;
(4)显示部分:
图形点阵液晶显示模块;
(5)电源电路部分:
用以提供系统电源和LCD背光调节的双电压输出。
该系统所要实现的基本功能为单片机对GPS器件的控制和对所采集的定位信息的显示两个方面。
系统的总体硬件电路图如电路原理1所示。
单片机系统:
本文提出使用8051单片机作为微处理器,控制GPS数据的读取和传输过程。
利用其串行接口接收GPS25LP型GPSOEM板输出的NMEA0183语句数据,并将接收到的数据经过筛选和处理后发送到LCD液晶显示器显示。
外围电路:
外围电路一部分是由GPS接收器件及其辅助电路组成,一部分是LCD液晶显示模块的电源电路和显示电路。
。
GPS25系列OEM板主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构成。
它接收天线获取的卫星信号,经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理,可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。
单片机控制程序:
编写程序,实现单片机控制系统的初始化,控制GPS器件完成方位数据的采集,进行相应的信号处理,并通过单片机接口用总线的方式输出至液晶显示模块显示的功能。
系统硬件结构原理框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件结构示意图
基于MCS-51系列单片机的GPS独立定位测量系统的软件设计由4个模块组成,
分别是:
1系统初始化模块;
2信号接收模块;
3信号处理模块;
4数据显示模块。
GPS25型OEM板的数据输入输出格式采用美国海洋电子协会为海洋电子设备制定的NMEA一0183标准格式。
该格式为ASCII码字符串,易于理解,在多种高级语言中都可以直接进行判别和分离,提取所需要的数据。
GPS模块有多种格式的输出信息,这里我们采用$GPGRMC语句,它输出了基本的定位信息,可以满足一般用户的使用要求。
输出的语句按串口通信协议,数据采用的是ASCII码字符,内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。
用软件编程对MCS-51的串行口及定时器正确设置后,即可接收由OEM板传来的的定位数据。
3GPS全球定位系统及其工作原理
3.1GPS全球定位系统
GPS全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem),1994年由美国建成,是美国国防部研究并控制,开始主要应用在军事领域方面。
在海湾战争期之后,GPS开始走向民用研究及开发。
可在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位,具有全天候、高精度、自动化和高效益等特点。
GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机3大部分组成。
其中GPS空间星座部分、地面监控部分均为美国所控制;
GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。
用户通过用户设备接收GPS卫星信号,经信号处理而获得用户位置(经度、维度、高度)、速度等信息,从而实现利用GPS进行导航和定位的目的。
在GPS系统中,分布在6个轨道面上的24颗GPS卫星连续的全天候、覆盖全球的发射定位、时间信息,地面上任何地点、任何时间的GPS接收机都至少可以同时接收到6颗以上GPS卫星的定位信息。
只要有4颗卫星的定位信息,GPS接收机就能向用户提供三维坐标、时间及移动速度等信息参数。
如图3.1所示。
因此,接收机是GPS系统中重要的组成部分,它接收GPS卫星的定位信息,进行处理计算,直接为用户服务。
目前,世界市场上已经出现了许多性能优良的便携式GPS接收机,尤其是美国、日本一些公司的GPS接收机已经被广泛使用在车载导航、大地测量、远洋船舶导航等领域中。
3.2GPS定位原理
GPS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。
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可以确定如下所示的四个方程式:
(1)
(2)
(3)
(4)
上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和
为未知参数,其中:
(i=1、2、3、4);
(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离;
(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
c为GPS信号的传播速度(即光速)。
四个方程式中各个参数意义如下:
、y、z为待测点坐标的空间直角坐标;
、
(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,可由卫星导航电文求得;
(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供;
为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差
3.3GPSOEM板组成结构及原理
GPS-OEM板是将GPS接收机的主要部件做成大规模的集成电路片,并集成在一块电路板上。
这个电路板具有接收GPS信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能。
用户利用GPSOEM板进行二次硬件开发可研制成各种应用的GPS接收机。
在实际的使用中,不需要关心如何去计算坐标,只要选择合适的GPS器件就可以满足我们对位置测量的要求。
所以对于最终用户来说,关注的重点是GPS接收机。
GPS-OEM板是接收机的核心模块。
GPSOEM板内部含有基本的GPS信号接收和解算单元以及必要的输入输出接口,具有性能可靠、易于开发的特点,而且,仅数厘米的尺寸使其可以十分方便地与其他设备组合,适用于多种应用场合,正越来越受到开发者的关注。
在这里,我们以Garmin公司生产的GARMINGPS25LP系列OEM板为例,介绍它与单片机组成的应用系统。
GARMINGPS25LP系列OEM板采用全封闭方式,单一+5V供电,内置保护电池。
是同类型的GPSOEM板中最常用的一款,在飞机领域使用最多。
GPS25LP系列OEM板的外观如图3.2所示。
图3.2GPS25LPOEM板外观图图3.3GPS25LPOEM板引脚图
GPS25LPOEM板的主要性能如下:
·
电源/数据口:
单排12插针;
位置精度(m):
小于15;
速度精度(m/s):
小于0.1;
外形尺寸(mm):
46.5×
69.8×
11.4;
定位时间(s):
冷启动时间<45;
热启动时间<15;
重捕获时间<2;
速度限制(m/s):
515;
加速度限制(g):
6;
电源(V):
3.6-6.0;
功耗(W):
0.9
GPS25LPOEM板的引脚如图3.3所示。
各引脚定义如下:
Pin1:
TXD2,第二异步串行数据输出口;
Pin2:
RXD2,第二异步串行数据输入口;
Pin3:
PPS,秒脉冲信号;
Pin4:
TXD1,第一异步串行数据输出口;
Pin5:
RXD1,第一异步串行数据输入口;
Pin6:
PWR_DN,电源控制;
Pin7:
VAUX,内部辅助电源充电输入;
Pin8:
GND,电源和信号地;
Pin9:
VIN,与10脚相连;
Pin10:
电源输入,3.6VDC-6.0VDC;
Pin11:
NC,留用,不外借引线;
Pin12:
NMEA,NMEA输出。
该GPSOEM主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构
成。
从而产生计算位置的数据信息(包含维度,经度,高度,速度,日期,时间,航向,卫星状况等信息)。
其内部结构原理图如图3.4所示。
图3.4GPS25LP系列GPSOEM板内部结构原理图
在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后,就可计算出当前天线位置。
用户通过微处理器的输入输出接口,采用异步串行通信方式与GPSOEM板进行信息交换。
输入语句由用户编制,主要功能是对GPSOEM板进行初始化、对导航模式和输出数据格式进行设定。
该OEM板为12通道的GPS接收机,可以同时跟踪多达12颗的GPS卫星,能够实现快速定位。
GARMIN的OEM板功耗小,数据更新率为每秒一次。
4GPS25LP系列OEM板的数据格式
4.1GPSOEM板的窜口通信协议
尽管目前市场上GPSOEM板的型号众多且功能各异,但它们输出的GPS定位信
息大多都是串行数据,且采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。
NAEA-0183协议语句格式为ASCII码字符串,易于理解,在多种高级语言中都可以直接进行判别和分离,提取所需要的数据。
传输速率可自定义。
数据结构为8个数据位,1个起始位,1个停止位,无奇偶校验位。
输出数据格式初始化为NMEA-0183格式,输出波特率为4800波特。
用户通过输入语句对GPS-OEM板进行初始化,设置数据格式和通信波特率,以及要求输出的种类等。
通过一系列设定,输出语句即向用户提供相应的定位数据。
4.2NMEA-0183语句格式
“$”为语句起始标志;
“Aaccc”为地址域,前两位为识别符,后三位为语句名;
“,”为域分隔符;
“Ddd…ddd”为数据块,发送数据内容;
“*”为校验和识别符,其后面的两位数为校验和;
“hh”为校验和;
“<
CR>
/<
LF>
”为终止符,表示回车、换行。
4.2.1输入语句
NMEA0183输入语句是指GPSOEM板可以接收的语句。
输入语句包括初始位置,时间,秒脉冲状态,差分模式,NMEA输出间隔等设置信息。
这些语句是GPS接收机可以有串口1接受的于语句。
本设计使用了接收机初始化信息(PGRMI)语句。
该语句一般在初始位置和当前实际位置的距离超过800公里时使用,以加快定位速度。
$GPRMI,<
1>
,<
2>
3>
4>
5>
6>
7>
*hh<
<
纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输);
纬度半球N(北半球)或S(南半球);
经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输);
经度半球E(东经)或W(西经);
UTC日期,ddmmyy(日月年)格式;
UTC时间,hhmmss(时分秒)格式;
接收机命令,A=自动定位,R=机器重新启动。
4.2.2输出语句
GPS-OEM板的输出语句有十余种,以Garmin生产的GPS25L
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