基于51单片机和GPS接收机资料简介

51单片机的GPS接收机GPS主系统是美国发射运行的卫星系统，包含了27 颗能持续发送地理位置海拔高度和时间信号的卫星，24 个正常使用，3 个备用，这些卫星平均分布运行在六个轨道上。一般来说，在地面上的GPS 接收器能接收512 个卫星信号，而为了获得地面上的定位坐标，GPS 导航至少需要4 个卫星信号，三个用来确定GPS 接收器的纬度、经度和海拔高度，第四个则提供同步校正时间1。全球定位系统由三部分构成：太空卫星部份：由 24 颗绕极使用卫星所组成，分成六个轨道，运行于约 20200 公里的高空，绕行地球一周约12 小时。每个卫星均持续着发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波，提供地球上的各种接收机来应用。地面管制部份：这是为了追踪及控制上述卫星运转，所设置的地面管制站，主要工作为负责修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数数据，以确保每个卫星都能提供正确的讯息给使用者接收机来接收。使用者接收机：追踪所有的 GPS 卫星，并实时地计算出接收机所在 位置的坐标、移动速度及时间，各种蓝牙GPS 即属于此部份。我们通常所说的GPS, 就是第3 部分。它可以实时提供全天候、全球性的三维定位、测速与授时功能的卫星系统 ,具有测量精度高、速度快、用户数量不限、抗干扰能力强等一系列优点 ,除了可用于军事领域外 ,还可以广泛用于工农业生产、交通运输、野外探险等领域。自 20世纪90年代 GPS系统向全世界免费开放以来 , GPS系统已广泛应用在导航、大地测量、精确授时、线路巡检及车辆防盗等领域。接收机是获得 GPS系统服务的关键设备 ,目前已有从手持式到台式数百种型号的接收机可供用户选择。通用接收机功能齐全 ,除了信号接收单元外,往往还配置有显示单元和人机对话设备。这一方面为用户提供了极大的方便但 GPS定位接收机价格比较昂贵而且使用灵活性低 ,难以满足特定条件下的应用需求 ,造成了资金浪费。因此 ,众多用户期望按照自己的使用环境和性能要求设计和使用个性化的GPS定位接收机。     本文首先介绍了GPS系统由来及其发展、基本概念、GPS接收机的工作原理及接收机定位流程。然后对单片机及其串口通信、GR-87 及其NMEA-0183语句的数据格、液晶显示器进行了详细论述。并且设置了所需的外围电路。接着详细地介绍了该GPS接收机的软件设计过程。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 GPS系统简介及设计方案选择1.1 GPS系统简介1.1.1 GPS由来及发展导航卫星定时测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System GPS)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(SPS) 。PPS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。1.1.2 GPS定位基本原理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1.1.3 GPS接收机定位流程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(Dilution of Precision)，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。1.1.4 任务的描述我们针对全球定位系统GPS，自行研制了一套GPS接收机，具有接收、处理、显示信息能力并能进行键盘操作。本设计着重对NMEA-0183语句的数据格式、单片机串行通信、液晶显示格式进行了详细论述,同时给出了硬件电路和软件设计。工作要求：准确地进行定位，显示出纬度、经度、速度、时间、方位角、天空中的卫星总数以及使用的卫星数。通过按键可以进行复位与页面切换功能。1.2 设计方案选择1.2.1 方案一系统由GPS-OEM板、电平转换电路(MAX232)、控制电路(8051单片机) 、显示部分(SED1335 彩色液晶显示器)组成。但在和单片机进行串行通信时由于电平不同，必须附加电平转换电路(MAX232) 而且价格比较昂贵。单片机采用8051功能全面，但其内部ROM一般是掩膜ROM，不可更新改写。SED1335 彩色液晶显示器其有效显示点阵为320 ×240 ,显示颜色为 4 色，但根据我们设计要求，单色显示完全可以。故不采用。1.2.2方案二系统由GPS模块(GR-87)、控制电路(89C51单片机) 、显示部分(SMC1602液晶显示器)组成。HOLUX GR-87是一个高性能，低功耗，小型的并且很容易联合的GPS模块。该芯片每次将跟踪12枚卫星，应用广泛。而且不用附加电平转换电路，可以直接与单片机进行串行通信。单片机采用89C51，其功能完全可以满足设计要求，而且相对于8051，其内部ROM是FLASH-ROM，可多次更新改写，价格也便宜。1602字符型液晶模块是一种用5x7位图形来显示字符的单色液晶显示器，显示2行16个字，可以满足设计要求而且经济实惠。 可以看出方案二更加实用，根据现实生活的需要,设计采用此方案。第2章 系统硬件设计课题要求研制的GPS接收机要具有接收、处理、显示信息、键盘操作，硬件上必须有相应的接收处理部分、显示部分和配置输入部分。同时需要处理器实现各部分功能的联结。由于单片机集成度高，系统结构简单，价格低廉，同时技术成熟，处理器部分使用单片机实现。本课题设计的硬件系统主要由：单片机、 GPS模块、显示部分等组成。如图2-1所示:         图2-1 系统框图2.1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-51、Me6sol、280、eopsoo、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。2.2 GPS模块2.2.1 概述根据设计需要，GPS模块选用GR-87。HOLUX GR-87是一个高性能，低功耗，小型的并且很容易联合的GPS模块，它每次将跟踪12枚卫星，应用广泛。当GR-87系统最初的自检完成后，它开始处理卫星所获得的数并自动跟踪。在正常情况下，它需要大约45秒达到位置进行定位，但如果ephemeris数据知道，只用38秒即可。在被计算了之后，合法的位置、速度和时间等信息被传送到输出通道，通过串口传送到单片机设备。GR-87运用最初的数据，例如前被存放的位置、日期和卫星轨道数据，完成最大获取。2.2.2 主要技术参数1输入电压：3.3-5.5 VDC输入。输入电流 ；少于80 mA (没有天线)；2 RF接口：天线连接器类型：MMCX，2.8 VDC产品 (任意产品VCC_IN)；3极小的信号跟踪：-159 dBm；4连续端口： 二个全双工串行通信CMOS 3V接口，可选择的波特速率(4800默认， 9600， 19200， 38400)本设计选用4800；NMEA 0183版本2.2 ASCII 输出(GGA， GSA， GSV， RMC (VTG，任意的GLL和ZDA)； DGPS协议RTCM SC-104消息类型1，2和9；SiRF二进制位置，速度，高度，状态输出。2.2.3 管脚介绍表2-1 管脚管脚管脚名称功能描述1VCC-5V+3.55.5Vdc电量输入2TXA串行数据输出端口A （CMOS 3V：Voh 2.4V Vol 0.4V Ioh=Iol=2mA）3RXA串行数据输入端A (CMOS 3V： Vih0.7*VCC Vil0.3*VCC)4RXB串行数据输入端B (CMOS 3V： Vih0.7*VCC Vil0.3*VCC)5GND接地6时钟/复位时钟 ：1PPS时钟信号输出(Vil0.2V脉冲宽度10ms)。 复位： 复位输入                                                                                                                                                                      2.3 显示部分液晶显示LCD（Liquid Crystal Display），是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化，而遮蔽/通透光线的性能制作成为一种重要平板显示器件。通常使用的LCD器件有TN型（Twist Nematic，扭曲向列型液晶）、STN型（Super TN，超扭曲向列型液晶）和TFT型（Thin Film Transistor，薄膜晶体管型液晶）。TN、STN、TFT型液晶，性能依次增强，制作成本也随之增加。TN和STN型常用作单色LCD。STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD，TFT型常用作真彩色LCD。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