基于51单片机的GPS定位系统的设计毕业设计论文已处理.docx
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基于51单片机的GPS定位系统的设计毕业设计论文已处理
基于51单片机的GPS定位系统的设计
摘要1
第一章51单片机概述1
1151单片机系统的结构组成1
1251单片机系统的功能特性2
12151单片机系统的结构2
122功能特性3
138255芯片原理及其功能3
14液晶显示模块原理5
第二章GPS定位系统简介5
22GPS定位系统的基本原理6
23GPS模块定位流程6
24NMEA-0183数据格式7
第三章硬件连接电路7
31单片机7
32GPS模块8
321概述8
323管脚介绍9
33显示部分9
第四章软件设计11
41系统软件概述11
42软件程序的编写11
421初始化模块11
422数据处理模块11
423人机对话模块14
43代码实现15
第五章实验总结16
参考文献16
摘要
GPS是英文GlobalPositioningSystem全球定位系统的简称GPS起始于1958年美国军方的一个项目1964年投入使用20世纪70年代美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS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经过20余年的研究实验耗资300亿美元到1994年全球覆盖率高达98的24颗GPS卫星星座己布设完成在机械领域GPS则有另外一种含义产品几何技术规范GeometricalProductSpecifications-简称GPS
第一章51单片机概述
1151单片机系统的结构组成
51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机后来随着Flashrom技术的发展8031单片机取得了长足的进展成为应用最广泛的8位单片机之一其代表型号是ATMEL公司的AT89系列它广泛应用于工业测控系统之中很多公司都有51系列的兼容机型推出今后很长的一段时间内将占有大量市场51单片机是基础入门的一个单片机还是应用最广泛的一种需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力
当前常用的51系列单片机主要产品有
Intel的80C3180C5187C5180C3280C5287C52等
ATMEL的89C5189C5289C2051等
Philips华邦DallasSiemensInfineon等公司的许多产品
国产宏晶STC单片机以其低功耗廉价稳定性能占据着国内51单片机较大市场
基础51单片机[1]
1251单片机系统的功能特性
12151单片机系统的结构
·8位CPU·4kbytes程序存储器ROM52为8K
·128bytes的数据存储器RAM52有256bytes的RAM
·32条IO口线·111条指令大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时计数器·5个中断源2个优先级52有6个
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装
·单一5V电源供电
CPU由运算和控制逻辑组成同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器
RAM用以存放可以读写的数据如运算的中间结果最终结果以及欲显示的数据
ROM用以存放程序一些原始数据和表格
IO口四个8位并行IO口既可用作输入也可用作输出
TC两个定时记数器既可以工作在定时模式也可以工作在记数模式
五个中断源的中断控制系统
一个全双工UART通用异步接收发送器的串行IO口用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信
片内振荡器和时钟产生电路石英晶体和微调电容需要外接最高振荡频率为12M
122功能特性
1可以仿真63K程序空间接近64K的16位地址空间
2可以仿真64Kxdata空间全部64K的16位地址空间
3可以真实仿真全部32条IO脚
4完全兼容keilC51UV2调试环境可以通过UV2环境进行单步断点全速等操作
5可以使用C51语言或者ASM汇编语言进行调试
6可以非常方便地进行所有变量观察包括鼠标取值观察即鼠标放在某变量上就会立即显示出它此的值
7可选使用用户晶振支持0-40MHZ晶振频率
8片上带有768字节的xdata您可以在仿真时选使用他们进行xdata的仿真
9可以仿真双DPTR指针
10可以仿真去除ALE信号输出
11自适应300-38400bps的所有波特率通讯
12体积非常细小非常方便插入到用户板中插入时紧贴用户板没有连接电缆这样可以有效地减少运行中的干扰避免仿真时出现莫名其妙的故障
13仿真插针采用优质镀金插针可以有效地防止日久生锈选择优质园脚IC插座保护仿真插针同时不会损坏目标板上的插座
14仿真时监控和用户代码分离不可能产生不能仿真的软故障
15RS-232接口不计成本采用202集成电路串行通讯稳定可靠绝非一般三极管的简易电路可比
138255芯片原理及其功能
8255是Intel公司生产的可编程并行IO接口芯片有3个8位并行IO口具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片40引脚其各口功能可由软件选择使用灵活通用性强8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路
8255作为主机与外设的连接芯片必须提供与主机相连的3个总线接口即数据线地址线控制线接口同时必须具有与外设连接的接口ABC口由于8255可编程所以必须具有逻辑控制部分因而8255内部结构分为3个部分与CPU连接部分与外设连接部分控制部分
1与CPU连接部分
根据定义8255能并行传送8位数据所以其数据线为8根D0~D7由于8255具有3个通道ABC所以只要两根地址线就能寻址ABC口及控制寄存器故地址线为两根A0~A1此外CPU要对8255进行读写与片选操作所以控制线为片选复位读写信号各信号的引脚编号如下
1数据总线DB编号为D0~D7用于8255与CPU传送8位数据
2地址总线AB编号为A0~A1用于选择ABC口与控制寄存器
3控制总线CB片选信号复位信号RST写信号读信号当CPU要对8255进行读写操作时必须先向8255发片选信号选中8255芯片然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作
2与外设接口部分
根据定义8255有3个通道ABC与外设连接每个通道又有8根线与外设连接所以8255可以用24根线与外设连接若进行开关量控制则8255可同时控制24路开关各通道的引脚编号如下
1A口编号为PA0~PA7用于8255向外设输入输出8位并行数据
2B口编号为PB0~PB7用于8255向外设输入输出8位并行数据
3C口编号为PC0~PC7用于8255向外设输入输出8位并行数据当8255工作于应答IO方式时C口用于应答信号的通信
3控制器
8255将3个通道分为两组即PA0~PA7与PC4~PC7组成A组PB0~PB7与PC0~PC3组成B组如图75所示相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器各组控制器的作用如下
1A组控制器控制A口与上C口的输入与输出
2B组控制器控制B口与下C口的输入与输出
NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositionSystemGPS是美国第二代卫星导航系统它在1973年底由美国陆海空三军等单位协调分工提出的能取代旧式的导航设备为军用舰船飞机车辆等用户提供全球全天候连续实时服务的高精度三维导航系统系统由空间部分地面监控部分和地面接收机部分组成定位服务包括精密定位服务PPS和标准定位服务SPSPPS授权的精密定位系统用户需要密码设备和特殊的接收机SPS对于普通民用用户供全世界用户免费无限制地使用[2]
由于GPS具有全球覆盖以及精度高定位速度快实时性好抗干扰能力强等特点近年来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时代不可缺少的一部分各种GPS民用产品的开发已是经济和社会发展的必然要求其前景将会非常广阔和光明尤其是在我国通过这些年来对它认识不断加深我国的GPS开发应用也一定会以科技力量推动经济和社会发展的一颗巨星对我国的经济和社会的发展产生重大的影响
22GPS定位系统的基本原理
GPS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可以确定以下四个方程式
序号命令说明最大帧长1GPGGA全球定位数据722GPGSA卫星PRN数据653GPGSV卫星状态信息2104GPRMC运输定位数据705GPVTG地面速度信息346GPGLL大地坐标信息7GPZDAUTC时间和日期
第三章硬件连接电路
31单片机
硬件核心控制任务是由单片机来完成的单片机的采用使硬件电路设计大大简化而性能更加可靠目前可采用的微处理器有很多种如MCS-51Me6sol280eopsoo等8位单片机虽然16位单片机在1982年已经问世但其发展并不象人们想象的那样快尽管在某些性能指标方面超过了8位单片机但从性能价格比及开发周期等综合效益上不如8位单片机因此应用并不普及
在本次设计中采用MCS-51系列单片机虽然信号处理和计算的功能相对差些但其结构简单体积小性价比高可靠性高功耗小及应用范围广适合于小型化作业因此笔者选择了AT89C51单片机作为微控制器它具有全双工异步通信口可与GR-87接口进行数据读取处理和输出GPS信号接收和处理部分与单片机进行串口通信时由于都采用TTL电平故两者之间不需进行电平转换就可直接通信
32GPS模块
321概述
根据设计需要GPS模块选用GR-87HOLUXGR-87是高性能低功耗小型容易联合GPS模块它每次将跟踪12枚卫星最初的自检开始处理卫星自动跟踪在正常情况下需要大约45秒达到位置如果ephemeris数据知道38秒被计算了之后合法的位置速度和时间被传送输出通道22主要技术参数
1.输入3355VDC输入输入电流少于80mA没有天线RF接口天线连接器类型MMCX28VDC产品任意产品VCC_IN极小的信号跟踪-159dBm连续端口二全双工串行通信CMOS3V接口可选择的波特速率4800默认96001920038400NMEA0183版本22ASCIIGGAGSAGSVRMCVTG任意的GLL和ZDADGPS协议RTCMSC-104消息类型12和9SiRF二进制位置速度高度状态23管脚介绍
管脚管脚名称功能描述1VCC-5V3555Vdc电量输入2TXA串行数据输出端口ACMOS3V
Voh24VVol04VIohIol2mA3RXA串行数据输入端ACMOS3V
Vih≥07VCCVil≤03VCC4RXB串行数据输入端BCMOS3V
Vih≥07VCCVil≤03VCC5GND接地6时钟复位时钟1PPSVil≤02V脉冲
10ms
复位输入3显示部分
液晶显示LCDLiquidCrystalDisplayThinFilmTransistor采用LCM液晶显示模块作为人机交互界面液晶显示模块是一种将液晶显示器件连接件集成电路PCB线路板背光源结构件装配在一起的组件字符型液晶显示模块目前在国际上已经规范化无论显示屏规格如何变化其电特性和接口形式都是统一的从性价比等方面考虑这里选用长沙太阳人电子生产的字符型液晶显示模块SMC1602它是一种用5x7位图形来显示字符的液晶显示器根据显示的容量可以分为1行16个字2行16个字2行20个字等等本设计以常用的2行16个字的1602液晶屏来构成整个系统的显示模块
SMC1602采用标准的16脚接口具体定义如下
16脚接口
引线号符号名称功能1Vss接地0V2VDD电路电源5V±103VL液晶显示偏压信号调节对比度4RS寄存器选择信号H数据寄存器L指令寄存器5RW读写信号H读L写6E片选信号下降沿触发锁存数据7
14DB0
DB7数据线数据传输15BLA背光源正极提供背光16BLK背光源负极提供背光主要技术参数
技术参数
显示容量16×2个字符芯片工作电压4555V工作电流20mA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295×435WXHmm
第四章软件设计
41系统软件概述
系统的软件流程是开机上电后初始化然后单片机开始接收GPS模块发送的数据并判断数据是否有效若数据有效则显示所需的信息数据无效则等待直至收到有效数据在等待过程中单片机响应键盘输入的信息但键盘输入不是必须的系统图如图所示
系统软件由以下模块组成初始化模块数据处理模块和人机对话模块初始化模块完成开机上电后对单片机和液晶显示器初始化对单片机设置串口工作模式和中断工作模式对液晶显示器设置开机画面和显示模式
数据处理模块主要是从GPS模块接收数据判断数据的有效性对有效数据进行相应的格式处理然后等待送液晶显示器显示数据处理模块的工作从开机上电开始一直连续不断的进行直到关机为止
人机对话模块主要是相应的显示器显示该部分完成从单片机读数据到液晶显示器和从液晶显示器读数据到单片机的双向传输工作
42软件程序的编写
421初始化模块
1.单片机
根据32对单片机串行通信的详细介绍可知
本设计选择串行通信工作方式1并允许接收选择定时器1模式2根据波特率为4800bs计算出定时器计数初值启动定时器1开总中断串口中断
2.液晶显示
通过初始化函数LCMInit进行初始化然后又调用显示字符串函数以便让屏幕显示"GPSMonitorV12"字样表示准备工作接着延时400Ms然后调用清屏函数进行一次清屏
422数据处理模块
数据处理模块负责处理从GPS模块接收到的数据由于这些数据格式符合NMEA0183ASCII码接口协议所以接收到的数据会转换为需要的信息
1.接收总流程图
图5-2接收总流程图
2.命令类型判断流程图以GPGGA为例
图5-3命令类型判断流程图
当类型数据接收完毕先判断类型本设计中有3种类型数据即GPGGAGPGSVGPRMC
3.GPGGA数据存储流程图
图5-4GPGGA数据存储流程图
开始接收类型数据此时当逗号计数为2且位计数小于9就将纬度数据一位一位存储起来存储一位后RI便置0以接收下一位当接收数据为时则逗号计数加1为3同时位计数清空如果位计数小于1则将纬度方向数据一位一位存储起来同上当逗号计数再加1为4时同时位计数清空这时位计数只要小于10就将经度数据一位一位存储起来同上依次类推会顺次将经度方向定位判断定位使用的卫星数高度处理存储起来然后会接收到说明整句接收完成并将其置为结束模式
同理可知GPGSVGPRMC语句的接收过程
423人机对话模块
人机对话模块主要是显示器工作显示器经过初始化设置才能正确显示信息才能够对输入的信息显示出来这个要点在前面已有描述
1.显示总流程图
图5-5显示流程图
2.GPRSM信息显示流程图
图GPRSM信息显示流程图图5-7页面切换流程图
GPS接收机打开后如果有GPS信号首先检测是否有按键切换显示如果没有则屏幕显示第一页反之显示第二页这里只介绍第二页显示当接收有效数据为GPRMC其数据均在第二业显示先显示时间然后如果GPS未定位则屏幕第一行首末均显示"----"如果已定位则显示速度接着显示方位角然后刷新计数器清空同理可知另外两种命令显示均显示在第二页
3.页面切换流程图
43代码实现
单片机开发中除必要的硬件外同样离不开软件我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法一种是手工汇编另一种是机器汇编目前已极少使用手工汇编的方法了机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51随着单片机开发技术的不断发展从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发单片机的开发软件也在不断发展Kei软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出Keil提供了包括C编译器宏汇编连接器库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU16MB或更多RAM20M以上空闲的硬盘空间WIN98NTWIN2000WINXP等操作系统
参考文献
1张迎新编著单片机原理及应用北京电子工业出版社2012
2何立民编著单片机高级教程北京航空航天大学出版社2000
3李华主编MCS-51系列单片机实用接口技术北京航空航天大学出版社1998
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