基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计毕业设计.docx
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基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计毕业设计
本科毕业设计(论文)
(基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计)
本科毕业设计(论文)
(基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计)
学院(系):
***
专业:
08级应用电子
学生姓名:
***
学号:
***
指导教师:
***
答辩日期:
2012年6月17日
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
****系级教学单位:
电气工程其自动化
学
号
***
学生
姓名
**
专业
班级
应电08-2班
题
目
题目名称
基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计
题目性质
1.理工类:
工程设计(√);工程技术实验研究型();
理论研究型();计算机软件型();综合型()
2.管理类();3.外语类();4.艺术类()
题目类型
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题()生产实际()自选题目(√)
主
要
内
容
STC12C5A60S2单片机因其自身的优势广泛应用于要求使用双串口场合,但是还存在着自身的一些缺点。
在海上测量,海上GPS信号采集,船载数据接收发送系统中都得以广泛使用。
基本参数:
不同GPS数据同时发送给单片机,在PPS/TTL控制下,按一定延时时间,有规律发送出去。
基
本
要
求
①详细分析单片机主电路工作原理参数设计及程序编写
②STC12C5A60S2的原理分析、参数设计
③控制电路工作原理分析参数设计
④完成论文一份
参
考
资
料
IEEEtrans.Onpowerelectronics
中国期刊全文数据库
万方学位论文全文数据库
STC12C5A60S2使用手册
8051系列单片机C程序设计完全手册
周次
第1~4周
第5~8周
第9~12周
第13~16周
第17~18周
应
完
成
的
内
容
①1-2周资料收集阅读;
②3-4周单片机主电路、控制方案确定的确定
①5周单片机主电路原理分析及程序编写;
②6-8周单片机主电路仿真结果分析
①9周单片机主电路部分书面整理;
②10-12周硬件电路设计
①13-15周整体电路调整及硬件调试;
②16周书面整理
完成论文准备答辩
指导教师:
职称:
年月日
系级教学单位审批:
年月日
注:
表题黑体小三号字,内容五号字,行距18磅。
(此行文字阅后删除)
摘要
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的一种先进的无线电导航系统。
该系统能够全天候、全方位的为海陆空用户提供连续的、高精度的三维坐标、三维速度和时间等信息。
它所具有的诸多优点是其他导航设备所无法比拟地。
目前GPS技术,已经被用在各行各业中。
GPS系统的部分用户主要是使用各种型号的GPS接收机。
本设计以STC12C5A60S2单片机为核心,通过GPS接收模块(UBLOX-4T),接收GPS卫星信号,然后将数据发送给单片机的COM2串口,经过单片机内部进行数据处理后,在通过单片机COM1串口,发送给无线电台模块(FT55),最后通过主电台接受信号在PC上显示数据。
关键词 GPS,STC12C5A60S2单片机,无线电台
Abstract
GlobalPositioningSystem(GPS)developedbytheU.S.DepartmentofDefense,anadvancedradionavigationsystem.Thesystemiscapableall-weather,fullrangeofair,seaandlanduserstoprovidecontinuous,high-precisionthree-dimensionalcoordinates,three-dimensionalvelocityandtimeinformation.Ithasmanyadvantagesothernavigationdevicescannotbecomparedto.GPStechnologyhasbeenusedinallwalksoflife.TheGPSsystemofsomeuserstousevarioustypesofGPSreceivers.
ThisdesignmicrocontrollertoSTC12C5A60S2asthecoreGPSreceivermodule(UBLOX-4T),toreceiveGPSsatellitesignals,thensendsthedatatotheCOM2serialportofthemicrocontroller,anddataprocessingaftertheinternalmicrocontrollermicrocontrollerCOM1serialport,sendradioTaiwanmodule(FT55),andfinallyreceivethesignalthroughthemainstationstodisplaydataonaPC.
Keywords GPS,STC12C5A60S2microcontroller,Radio
第1章绪论
1.1课题背景
1978年2月22日第一颗GPS试验卫星的入轨运行,开创了以导航卫星为动态已知点的无线电导航定位的新时代。
GPS卫星所发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的空间信息资源。
陆地、海洋和空间的广大用户,只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机,就可以全天时、全天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数和三维状态参数。
其用途之广,影响之大,是任何其他无线电接收设备望尘莫及的。
不仅如此,GPS卫星的入轨运行,还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度、全天时、全天候的测量新技术。
纵观现状,GPS技术有下述用途。
1.GPS技术的陆地应用
各种车辆的行驶状态监控;旅游者或旅游车的景点导游;应急车辆(如公安、急救车等)的快速引导行驶;高精度时间比对和频率控制;大气物理观测;地球物理资源勘探;工程建设的施工放样测量;大型建筑和煤气田的沉降检测;板内运动状态和地壳形变测量;陆地以及海洋大地测量基准的测定;工程、区域、国家等各种类型大地测量控制网的测量和建设;请求救援在途实时报告;引导盲人行走;平整路面的实时监控,精细农业。
2.GPS技术的海洋应用
远洋船舶的最佳航线测定;远洋船队在途中航行的实时调度和监测;内河船只的实时调度和自主导航测量;海洋救援的搜索和定点测量;远洋渔船的结队航行和作业调度;海洋油气平台的就位和复位测定;海底沉船位置的精确探测;海底管道铺设测量;海岸地球物理勘探;水文测量;海底大地测量控制网的布测;海底地形的精细测量;船运货物失窃报警;净化海洋(如海洋溢油的跟踪报告);海洋纠纷或海损事故的定点测定;浮筒抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位;港口交通管制;海洋灾难检测。
3.GPS技术的航空应用
民航飞机的在途自主导航;飞机精密着陆;飞机空中加油控制;飞机编队飞行的安全保护;航空援救的搜索和定点测量;机载地球物理勘探;飞机探测灾区大小和标定测量;摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量。
4.GPS技术的航天应用
低轨道通讯卫星群的实时轨道测量;卫星入轨和卫星回收的实时点位测量;载入航天器的在轨防护探测;星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量;对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。
1.2选题意义和依据
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的一种先进的无线电导航系统。
该系统能够全天候、全方位的为海陆空用户提供连续的、高精度的三维坐标、三维速度和时间等信息。
它所具有的诸多优点是其他导航设备所无法比拟地。
现在,GPS接收机作为一种先进的导航和定位仪器,已在军事及民用领域得到广泛的应用。
本设计主要是基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计,主要应用于海上GPS信号采集及处理。
由于STC12C5A60S2单片机有2个串口可以使用,这样就满足了一个串口接收GPS信号,另一个串口把经过单片机处理后的信号发送给电台的要求。
这个题目是我在北京公司实习期间的公司项目,虽说目前的GPS数据接收和发送都比较成熟,但是对于我本人来说还是第一次接触,我觉得是一次很好的实践机会,也是一次学习机会,公司项目主要是对STC12C5A60S2内部的程序编写,以及各个组件的硬件集成。
同时包含软件硬件,对马上毕业的我来说是个不错的学习机会,也是一个很好的毕业设计题目,这个题目是对我大学所有的大部分的知识点一个总结,和考验。
1.3课题国内外现状
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的一种先进的无线电导航系统。
该系统能够全天候、全方位的为海陆空用户提供连续的、高精度的三维坐标、三维速度和时间等信息。
它所具有的诸多优点是其他导航设备所无法比拟地。
现在,GPS接收机作为一种先进的导航和定位仪器,已在军事及民用领域得到广泛的应用。
还需要一个重要的模块就是FT55系列1000mW工业级无线串口通信模块。
FT55微功率无线串口通信模块具有:
多信道,数据实时通信,传输距离远,透明的数据传输,抗干扰能力强和低误码率,提供三种用户接口方式,高可靠性体积小,重量轻等等一系列优点。
本设计主要是基于STC12C5A60S2单片机GPS信号控制系统设计,主要应用于海上GPS信号采集及处理。
由于STC12C5A60S2单片机有2个串口可以使用,这样就满足了一个串口接收GPS信号,另一个串口把经过单片机处理后的信号发送给电台的要求。
1.4研究主要成果
GPS是一种最先进的以覆盖全球的24颗卫星网为基础的无线电定位导航系统。
GPS卫星导航仪定位精度为15米(无SA)~100米(有SA),比传统的导航设备提高了10~30倍。
它可以在全球范围内全天候、实时地提供精确时间及船舶、汽车或飞机的位置(经纬度)、速度和方向,并可以在电子地图上给出航迹和直观地指出自己在地图上所处的位置。
在定位导航方面,GPS的使用对象主要是汽车、船舶和飞机等运动物体。
例如船舶远洋导航和进港引水,飞机航路引导和进场降落,汽车自主导航定位,地面车辆跟踪和城市智能交通管理等。
此外,对于警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等,GPS都具有得天独厚的优势。
在日常生活中,GPS还可用于人身受到攻击危险时的报警,特殊病人、少年儿童的监护与救助,生活中遇到各种困难时的求助等。
使用时只需按动带有移动位置服务的GPS手机按钮,警务监控中心和急救中心在几秒钟内便可获知报警人的位置并提供及时的救助。
在军事领域,GPS也已从当初的为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位导航,扩展到成为目前精确制导武器复合制导的一种重要技术手段。
其工作原理是利用弹上安装的GPS接收机接
收4颗以上导航卫星播发的信号来修正导弹的飞行路线,提高制导精度。
区别于误差较大、精度较低的民用标准定位服务,军方使用的是精密定位服务。
资料显示,未配置GPS制导系统之前,美军的“战斧”(BGM-109C)巡航导弹的圆概率误差约为9米,在其惯性+地形匹配制导系统中加入GPS后,圆概率误差降至3米,制导精度大大提高。
STC12C5A60S2单片机因其自身的优势广泛应用于要求使用双串口场合,但是还存在着自身的一些缺点。
在海上测量,海上GPS信号采集,船载数据接收发送系统中都得以广泛使用。
基本参数:
不同GPS数据同时发送给单片机,在PPS/TTL控制下,按一定延时时间,有规律发送出去。
第2章GPS全球定位系统介绍及UBLOX-4T接受模块介绍
2.1GPS全球定位系统
2.1.1GPS的历史和发展
全球定位系统(GPS)是本世纪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。
1978年2月22日,第一颗GPS试验卫星的发射成功,标志着工程研制阶段的开始。
1989年2月14日,第一颗GPS工作卫星的发射成功,宣告GPS系统进入了生产作业阶段。
GPS系统经过16年来的发射试验卫星,到开发GPS信号应用,进而发射工作卫星,终于在1994年3月建成了信号覆盖律达到了98%的GPS工作星座它由9颗Block2卫星和15颗Block2A卫星组成。
1985年11月以前发射的11颗Block1GPS试验卫星已经完成了它们的历史使命,于1993年12月31日全部停止了工作。
全球定位系统的主要特点:
(1)全天候;
(2)全球覆盖;(3)三维定速定时高精度;(4)快速省时高效率:
(5)应用广泛多功能。
24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。
美国政府宣布2000年起,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米。
为了达到更高的定位精度,往往还采用了差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。
接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。
实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。
2.1.2GPS定位的基本原理
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.
2.1.3GPS接收机的定位流程
1.搜索可用卫星,接收卫星信号,与卫星信号同步,提取导航电文信息;
2.从导航电文中获取计算位置所需的信息,这些信息应该包括时钟信息和星历等数据;
3.计算卫星的准确位置,这包括计算卫星的高度和方位角,从而进行必要的对流层校正;
4.计算伪距,并进行电离层校正等;
5.重复上述过程,对所有可用卫星进行相应的计算;
6.进行其他必要的校正,例如根据卫星信号到达GPS接收机的时间,校正地球旋转所造成的卫星位置的偏差;
7.根据定位原理,计算出GPS接收机的初始位置,并将其转换成所需的坐标格式进行显示或输出;
8.加入闰秒和UTC(标准世界时)时间补偿计算当前精确的时间;
9.分析可用卫星的信息,计算最好的DOP(DilutionofPrecision),进行选星,并计算和修正GPS接收机的位置,给出GPS接收机的三维坐标和准确的时间信息。
2.2UBLOX-4T接收模块介绍
2.2.1GPS接收机数据格式
GPS接收机只要处于工作状态就会源源不断地把接收并计算出的GPS导航定位信息通过串口传送到计算机中。
前面的代码只负责从串口接收数据并将其放置于缓存,在没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流,这些信息在没有经过分类提取之前是无法加以利用的。
因此,必须通过程序将各个字段的信息从缓存字节流中提取出来,将其转化成有实际意义的,可供高层决策使用的定位信息数据。
同其他通讯协议类似,对GPS进行信息提取必须首先明确其帧结构,然后才能根据其结构完成对各定位信息的提取。
对于本文所使用的UBLOX-4T接收模块,其发送到计算机的数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成,根据数据帧的不同,帧头也不相同,主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。
这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构,各帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。
对于通常的情况,我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从“$GPGSA”帧中获取得到,该帧的结构及各字段释义如下:
$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh
<1>当前位置的格林尼治时间,格式为hhmmss
<2>状态,A为有效位置,V为非有效接收警告,即当前天线视野上方的卫星个数
少于3颗
<3>纬度,格式为ddmm.mmmm
<4>标明南北半球,N为北半球、S为南半球
<5>经度,格式为dddmm.mmmm
<6>标明东西半球,E为东半球、W为西半球
<7>地面上的速度,范围为0.0到999.9
<8>方位角,范围为000.0到359.9度
<9>日期,格式为ddmmyy
<10>地磁变化,从000.0到180.0度
<11>地磁变化方向,为E或W
至于其他几种帧格式,除了特殊用途外,平时并不常用,虽然接收机也在源源不断地向主机发送各种数据帧,但在处理时一般先通过对帧头的判断而只对“$GPGSA”帧进行数据的提取处理。
如果情况特殊,需要从其他帧获取数据,处理方法与之也是完全类
2.2.2UBLOX-4T模块硬件介绍
UBLOX-4T芯片实物图
原理图中封装图及引脚标注
UBLOX-4T主芯片尺寸及引脚
所有UBLOX-4T产品上运行相同的GPS引擎。
接收不同类型的主要区别在于灵活性和用户的特定功能。
耗电量
•UBLOX-4T的优化的连续供电模式下运行。
•对于应用定义了时间和非常低的功耗应用,FixNOW™可以启用。
天线
•UBLOX-4T接收机支持不同的技术和形状的主动和被动天线。
•天线短路检测是一个标准功能的UBLOX-4T。
天线开路检测离子可选的。
采集
每当热或热启动功能的需要,备用电池是必需的。
•不同的感光度设置允许采集性能优化解捷思锐的用户要求订做。
•对于启动非常快,利用协助功能。
导航S的性能/GPS技术
标准的GPS接收机提供最高的可靠性。
由SuperSense®GPS接收器的目的是在最大的覆盖范围要求的应用。
即使只有一个卫星定时接收机的小号允许非常精确的时序输出。
航位推算接收机针对汽车应用,这需要结合精度高的覆盖率达到100%。
的EKF(增强卡尔曼滤波)技术结合GPS定位与RGYO和速度信息,得到可靠的定位,在受阻的地区和隧道,甚至是最好的方式。
组态
UBLOX-4T接收机是高度可配置可编程接收器允许客户配置和存储固件升级到非易失性存储器(Flash)。
低成本接收器只有一个选定的启动配置。
可以作出更多的配置通过在SerialPort和存储到电池备份RAM。
UBLOX-4T支持基于UART的技术标准的串行通信。
LEA和NEO模块提供了一个集成的USB端口。
2.2.3UBLOX-4T技术参数
标准的GPS接收机
基于u-blox公司的高性能16通道UBLOX-4T技术标准的GPS接收机。
他们代表了优良的仲裁协议之间的低成本和高性能,这使得他们的理想选择对于大多数应用程序。
SuperSenseGPS接收机
SuperSenseGPS接收机也基于u-blox公司的高性能的UBLOX-4T技术。
它们包括更精确的时基(TCXO)和额外的软件,可提供高达10DB附加的敏感性,这允许这些具有挑战性的环境中使用的接收机。
精密计时GPS接收机
精密计时GPS接收机的设计高度精确的时间信号输出。
他们来与TCXO晶体和一个特殊的固件,这是提供准确的时间信息,哪怕只是一星勒卫星信号可用。
此外,定时接收器,可用于后处理的目的。
2.2.4接收机介绍概述
UBLOX-4TGPS模块是一个自足的全球定位系统(GPS)接收器。
完整的从天线输入到串行输出的信号处理链包含在一个单一的组成部分。
3毫米(〜120mil)和小尺寸的高度,使得GPS空间要求严格的应用的理想解决方案。
这类型的包,使昂贵的射频电缆过时。
RF输入可直接上针外,UBLOX-4TGPS模块的SMT焊,可以通过标准取放设备处理。
UBLOX-4TGPS接收器提供了两个串行端口,它可以处理的UBX的NMEA,专有的数据格式和GPS差分校正数据(RT厘米)和一个USB设备端口(只有执法机关-4倍和NEO-4X模块)
UBLOX-4T4GPS接收机分为两个截然不同的,单独屏蔽的部分。
小部分是射频部分,较大的部分包含基带。
RF部分包含低噪声放大器(LNA)的ATR0610,SAW带通滤波器,射频ICATR0601和GPS的晶体。
ATR0601采用IF96.764兆赫模拟UE与一个单一的中频采样计划,23.104兆赫的频率,采样和4.348MHz的中频产生的数字。
基带部分包含数字电路组成的ATR062x基带处理器,RTC等指定可选的闪存,其中晶体和其他元素。
2.3本章小结
本章重点对全球定位系统进行了简单而概括的介绍,其次就是对GPS接收模块UBLOX-4T进行了硬件方面的介绍。
第3章STC12C5A60S2单片机介绍
3.1STC12C5A60S2单片机内部结构和引脚芯片图
3.1.1主要功能特性及芯片图
●高速:
1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快8~12倍
●宽电压:
5.5~3.3V,2.2~3.6V(STC12LE5A60S2系列)
●增加第二复位功能脚(高可靠复位,可调整复位门槛电压,频率<12MHz时,无需此功能)
●增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM
●低功耗设计:
空闲模式,(可由任意一个中断唤醒)
●低功耗设计:
掉电模式(可由外部中断唤醒),可支持下降沿/上升沿和远程唤醒
●工作频率:
0~35MHz,相当于普通8051:
0~420MHz
●时钟:
外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置
●8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上
●1280字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万
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