基于单片机的空调遥控器设计 (2)

1、本科毕业设计基于单片机的农田边界GPS坐标检测与显示系统设计摘 要GPS(Global Positioning System)即全球定位系统，是一种利用卫星支持的无线电导航系统。目前，GPS技术广泛应用于工业、医疗、军事和生活等许多领域，在农业，特别是精细农业领域，GPS技术也越来越多地被运用。在精细农业研究中，农田边界坐标和农田面积是农田信息中必不可少的数据，农田面积的大小决定了农业生产时种子、肥料的用量，也是机械作业方面需要了解的数据。因此采用GPS采集农田边界坐标信息，对实现农业劳作精细化等有非常重要的现实意义。目前，有些设计能够实现农田边界GPS坐标监测及面积计算，但设备价格较高是其最

2、大的缺点。在实际农田边界坐标监测中，要求系统具有稳定性和便携性，因此设计一种便携式的农田GPS坐标监测与显示系统很有意义。本文提出一种基于GPS技术的农田边界信息采集与面积计算的解决方案，该方案基于单片机和GPS开发板来设计GPS信息采集系统。该系统采用增强型单片机STC12LE5A60S2和u-blox的GPS 开发板来采集农田坐标信息，通过TFT屏进行显示，并通过PC机进行面积计算。以往对土地坐标和面积的测量常采用人工操作的方法完成，该法具有耗时费工、工作效率低下的明显缺陷。该系统利用GPS技术设计了便携式的农田边界坐标监测设备，通过单片机对GPS报文信息进行处理，可实时获取和显示农田边界

3、坐标信息，并对农田面积进行计算，该系统具有系统构成简单，维护方便，运行费用低等优点，能够实现可靠的数据采集和处理，可以应用于农田边界坐标信息的监测。关键词：单片机 STC12LE5A60S2 GPS GPS coordinate detection and display system of Field boundarybased on MCUXie Zhenhe(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: Global Positioning Sy

4、stem (GPS), is a use of radio navigation System supported by satellite. At present, GPS technology is widely used in industrial, medical, military and life and many other fields, in agriculture, especially in precision farming areas, the GPS technology is also increasingly being used. In the study o

5、f precision agriculture, farmland boundary coordinates, and area of farmland is an essential data in farmland information, determines the amount of seed, fertilizer and agricultural production, is also the mechanical operations need to understand the data. Therefore, using GPS to collecte coordinate

6、 information of farmland boundaries, has a very important practical significance to realize the agricultural work fine.At present, some design can realize farmland border monitoring GPS coordinates, and area calculation, but the high price of the equipment is its biggest drawback. In actual field bo

7、undary coordinates monitoring system has stability and portability, so design of a portable GPS coordinates farmland monitoring and display system is very meaningful. This paper proposes a bounding farmland information collection based on GPS technology and the area calculation of solution, the solu

8、tion is based on single chip microcomputer to design the GPS and GPS OEM board information acquisition system. The system using enhanced MCU STC12LE5A60S2 and u - blox GPS OEM board to gather farmland coordinate information, through the TFT screen for display, and calculate the area.Ever to land coo

9、rdinates, and area measurements often adopt the method of manual operation to finish, the law has, the obvious flaw of time-consuming work, work efficiency is low. The system USES GPS technology to design a portable area of farmland boundary coordinates, monitoring and measuring instrument, through

10、single chip microcomputer to deal with GPS message information, coordinate information can be real-time acquisition and display of farmland boundaries, and a calculation is made on the farmland area, the system has the system structure is simple, easy maintenance, low operating cost advantages, to a

11、chieve reliable data acquisition and processing, can be applied to farmland boundary coordinates information monitoring.Key words: micro controller uint STC12LE5A60S2 GPS coordinate目 录1 前言12 系统方案分析与选择论证12.1 系统方案设计12.1.1 主控芯片方案12.1.2 显示模块方案22.2 系统最终方案23 主要芯片介绍和系统模块硬件设计33.1 STC12LE5A60S2单片机33.2 u-Blox

12、 GPS模块43.2.1 GPS定位原理介绍43.2.2 LEA-5S GPS模块概述53.2.3 原理图53.2.4 接口电路63.2.5 供电电源63.3 显示模块73.3.1 TFT液晶概述73.4 系统电源模块84 系统软件设计84.1 单片机软件设计84.1.1 提取定位数据程序设计84.1.2 单片机程序流程图94.2 坐标信息转换104.2.1 常用坐标系统104.2.2 高斯克吕格投影 (Gauss-Kruger)104.2.3 经纬度转换为高斯坐标114.2.4 高斯坐标转化为经纬度124.3 PC机软件编程134.3.1 计算误差范围内某点坐标134.3.2 面积计算算法及

13、程序设计135 硬件电路及调试155.1 硬件调试155.3 硬件调试结果166 软件测试176.1 GPS数据采集测试176.2 坐标计算程序测试186.2.1 坐标转换程序测试186.2.2 计算某点坐标程序测试186.3 计算面积程序测试197 结论20参考文献21附录22致谢23华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表 1 前言 全球定位系统(Global Positioning System)，是一种利用卫星支持的无线电导航系统，以测量精度高、操作简便、仪器体积小、便于携带、全天候操作和高效益等显著特点，在精细农业中得到了广泛的应用。精细农业是20世纪80年代初国际农业领域发展起来的一门

14、新兴的跨学科综合技术。它是通过可变尺度的田块区别管理的方式，来确定经济、合理的投入，高效利用农业资源，从而获得经济、环境等方面最高回报的一种管理策略和技术体系。精细农业技术是一种以信息为基础的农业管理系统，快速、有效采集和处理农田空间分布信息，是实现精细农业的重要基础（魏卓等，2010)）。在精细农业的农田基本建设和农机作业中，农田边界坐标信息和面积是关键的数据，在农田的机械作业时也是非常重要的参考数据。在精细农业中，作业面积也是很重要的指标，它决定了种子、农药、化肥等资源的投入量。目前，多数人仍采用米尺、凭经验进行农田面积的测量，而且对于不规则图形无法测量出其准确面积。随着全球定位系统的日趋

15、成熟，GPS全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高度等导航和定位信息，是支撑精细农业实践的核心技术之一。本文提出一种基于GPS技术的农田边界信息采集与面积计算的解决方案，该方案基于单片机和GPS OEM板来设计GPS信息采集系统，该系统利用GPS技术设计了便携式的农田边界坐标监测及面积测量仪，可实时获取和显示农田边界坐标信息，并通过三角形算法计算出农田面积，该系统有良好的数据显示界面，可以实现快速获取和精确定位，能够适应精细农业的要求。2 系统方案分析与选择论证2.1 系统方案设计2.1.1 主控芯片方案方案一：采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC单片机作为主控芯片。此芯片为51类

16、单片机，价格便宜、易于操作，低功耗，比较经济实惠。方案二：采用宏晶科技有限公司的STC12LE5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。该芯片是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8至12倍。方案三：采用Atmel公司的Mega128单片机作为主控芯片。该芯片是ATMEL公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，该单片机采用先进的RISC 结构，集成128KB的FLASH和4KB的SRAM，丰富的外设：两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器、8路10 位ADC、两个

17、可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口等，但价格较贵。考虑到此系统的复杂度，GPS模块为3.3V系统，且要驱动彩屏，故要求主控制器具有较宽的工作电压，并且能较快速处理GPS信息，采用传统51单片机的话，处理速度不是很理想，而且必须增加电平转模块，而Mega128单片机虽然速度较快，且能工作在3.3V电压下，但价格比较贵。从性能和价格上综合考虑，选择方案二，即用STC12LE5A60S2作为本系统的主控芯片。2.1.2 显示模块方案方案一：选择主控为ST7920驱动器的带字库的LCD12864来显示信息。LCD12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及ASC

18、II码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但成本较高。方案二：采用字符液晶LCD1602显示信息，LCD1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三：采用TFT LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)显示屏，界面显示友好性好，显示内容方便，可现实各种内容包括图片的显示，只要选择合适的MCU，其显示的速度也比较理想。综合以上方案，为了更直观和方便的进行数据显示，选择了选择界面友好性更好的2.4寸240*320的TFT LCD液晶显示屏来作为系统的显示器。2.2 系统最终方案系统

19、硬件平台由五部分构成，如图 1所示，分别为微处理器即MCU、GPS 接收模块、TFT液晶显示屏、数据存储部分和电源。微处理器STC12LE5A60S2增强型51单片机是硬件系统的核心，负责协调其他四个子系统正常工作，完成GPS数据采集、存储、显示，再PC上进行坐标计算面积计算。本文是将 GPS 的报文信息等通过串口传送到STC12LE5A60S2单片机芯片中，经过微处理器的处理，再通过TFT液晶显示屏显示出来。GPS信号接收由GPS接收模块来完成，这里采用XC-GPS开发板。该开发板采用LEA-5S GPS模块，该模块是50 通道的GPS 接收机模块，热启动和辅助启动首次定位时间小于1秒，跟踪

20、卫星性能优越，能够实现快速的定位。GPS 接收机模块的功耗非常小，数据更新率为每秒一次。GPS 接收机模块从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。最简单的系统，除GPS 接收机模块外还要包括外部电源和GPS 天线。与GPS 系统的通讯可以通过TTL电平的串行口来实现。GPS 接收模块可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池来为存储器供电。显示设备主要是TFT液晶显示屏。本设计采用2.4寸TFT 彩色LCD板一块。存储设备指内存系统和外围扩展存储设备，本设计无外扩存储设备，数据存储部分在这里指主控芯片60KB的Flash和 1KB的EEP

21、ROOM。在电子系统中，电源管理占有重要地位，其直接影响到硬件平台的稳定性和可靠性。本设计中，硬件平台上采用直流稳压电源供电，由220V转5V直流适配器给系统供电，系统内部通过ASM1117-3.3稳压芯片将直流5V电压转换为处理器、GPS模块以及TFT屏所需要的工作的3.3V电压。GPS接收模块TFT LCD 微处理器电源FLASH、EPPROM图1 系统框图 3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计3.1 STC12LE5A60S2单片机单片机控制模块由STC12LE5A60S最小系统组成，包括STC12LE5A60S C单片机、晶振电路和复位电路。晶振电路由两个22pF左右电容和一个11.05

22、92MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚，单片机复位端高电平有效（王卫星，2009）。单片机最小系统如图2所示。本设计GPS模块与MCU是通过串行UART口进行通信，STCLE5A60S2单片机内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速A/D转换，4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器，可做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可实现2个16位定时器。工作电压为2.23.6V，工作频率范围为035MHz，相当于普通8051单片机的0420MHz，具有两个串行通信接口，本设计采用串口2作为G

23、PS模块与单片机通信接口，接口引脚为P1.2、P1.3，下载程序接口采用串口1，接口引脚为RXD/P3.0和TXD/P3.1，TFT液晶显示数据接口为P2.0P2.7，控制接口为P0.0P0.5。 图2 单片机最小系统 3.2 u-Blox GPS模块3.2.1 GPS定位原理介绍卫星定位系统有以下几种，分别是：GPS系统 、GLONASS系统、双星导航定位系统（北斗一号），以及GNSS加俐略系统。GPS是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用，给导航和定位技术带来

24、了巨大的变化。GPS由三个独立的部分组成，包括空间部分、地面控制系统、用户设备部分。GPS地面监控系统的主要作用是跟踪、观测GPS卫星，计算编制卫星星历，监测和控制卫星的工作状态，保持精确的GPS时间系统，向卫星注入导航电文和控制指。GPS信号包含有二种信号分量，即载波、测距码和数据码。这些信号分量都是在同一个基本频率F=10.23MHz的控制下产生的，每个GPS卫星在两个频率波段上发布独立信号。GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用系统进行定位的基础。用户接收部分主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS信号接收机和GPS数据处理软件构成。GPS信号接收机的基本结构是天线单元和接收单元两

25、部分。天线单元的主要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：GPS接收机对接收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息进行滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解出信号的传播时间和载波相位差，实时地获得位置、速度、时间等数据。GPS 在定位时需要4 颗卫星，形成4个方程式，即四元二次方程，包括其未知数为接收机所处位置的三维坐标X、Y、Z及卫星钟差，其计算经度和纬度是在GPS模块里面完成的。然后再根据经度和纬度来配合电子地图里面的经度和纬度来确定在地图上的位置，一般在这个情况下就完成了GPS定位在地图上的显示。3.2

26、.2 LEA-5S GPS模块概述 该GPS主芯片使用瑞士u-blox公司的LEA-5S模組，是第5代GPS接收机。搭载了高性能的50通道u-blox 5技术，超过100万个有效相关器，32通道采集引擎的处理能力使得模组可進行大規模並行搜索。拥有SuperSense 和kickstart技术，在信号微弱時可加速捕获GPS卫星信号。其主要性能参数如表1所示。表1 LEA-5S GPS模块主要性能参数表接收器类型50个卫星接收通道启动时间冷启动29 sec , 热启动<1 sec , 辅助启动<1 sec首次定位时间<1 sec最大更新速率<4Hz灵敏度冷启动 -145dB

27、m , 跟踪、捕获灵敏度 -160dBm定位精度Auto < 2.5m , SBAS < 2m定时精度RMS 50ns天线供电方式外部或内部VCC-RF天线状态监测集成短路检测和天线开关功能极限运行速度515m/s存储温度-40853.2.3 原理图 本设计采用XC-GPS开发板，该开发板采用LEA-5S GPS模块，该模块是u-blox公司采用最新推出的，应用高灵敏度版本的GPS芯片组做成的GPS模块，其性能优异，热启动和辅助启动首次定位时间小于1秒；-160dBm的SuperSense捕获和跟踪灵敏度，具备KickStart功能，信号微弱时可实现加速启动。并且支持AssistN

28、ow Online和Assist NowOffline等服务，串口和I/O均为 3V 电平，硬件上支持UART接口、USBV2.0DDC 接口，以及SPI接口，方便模块与外扩MCU进行通信。其电路原理图如下图3所示。图3 LEA-5S GPS模块电路原理图3.2.4 接口电路 XC-GPS开发板通过UART串行通信接口与MCU进行通信，整个开发板工作在3.3V直流电压下。其中，该模块的串口采用交叉串口的形式，其与MCU的接口电路如下图4所示。图4 XC-GPS模块接口电路图3.2.5 供电电源GPS模块需要的电源为2.7V 3.6V，故不能直接用5V电源供电，本系统中采用3.3V直流电源对GP

29、S模块供电，5V电源经稳压芯片LM1117-3.3进行稳压转换后，即得到稳定的3.3V直流电源，其电源转换电路图如图6所示。3.3 显示模块3.3.1 TFT液晶概述为了更方便的进行数据显示，本设计采用TFT-LCD作为显示器，TFT-LCD，即薄膜晶体管液晶显示器。它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管，可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。本设计所采用的TFT LCD液晶屏的控制器为ILI9325，具有26万像素，320×240的分辨率，16位真彩显示。 图5 TFT LCD液晶

30、显示模块电路图液晶主控制芯片ILI9325有8、9、16、18位并行和SPI串行，共5中数据传输方式，传输方式由引脚IM3:0的高低电平决定。当IM0=1、IM1=1IM2=0、IM3=0时是8位数据传输模式，该方式所用引脚较少，是一种较为常用的方式，所用引脚为DB10至DB17。控制引脚主要包含RD、WR、RS、CS共4个数据口。其中RD是读数据口，下降沿有效；WR是谢数据口，上升沿有效；RS是数据、地址选择口，低电平时把数据赋给地址指针寄存器，到电平时写到数据口的数据被放进相应寄存器；CS是片选信号口，低电平有效。本设计中，由于采用八位单片机驱动，所以液晶屏采用的是8位并行数据传输方式，具

31、体用单片机的P2.0P2.7作为8位数据传输的接口，P0.0P0.4分别作为RS、RW、RD、CS、RST控制信号接口。电路图如图5所示。3.4 系统电源模块系统采用5V直流电源适配器供电，但系统里的芯片不能用直接接5V电压，需要经过降压芯片才可以。系统采用了LM11173.3稳压芯片。图6 系统电源电路4 系统软件设计系统软件主要包括两大部分，一是单片机上的软件编程，二是基于PC上VC+6.0的C+语言编程。4.1 单片机软件设计4.1.1 提取定位数据程序设计 接收的GPS导航定位信息放置于缓存，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

32、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，可供后面开发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XC - GPS开发板，其通过USRT口发送到计算机或MCU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，测试所需要的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从“$G

33、PRMC”帧中获取得到，该帧的结构及各字段释义如下：$GPRMC,<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<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> 径度，格式为dddmm.mmmm<6> 标明

34、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。由于帧内各数据段由逗号分割，因此在处理缓存数据时一般是通过搜寻ASCII码“$”来判断是否是帧头，再对帧头的类别进行识别后再通过对所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应的处理。本系统只关心地理坐标（经、纬度），对缓

35、存buf中的数据进行解帧处理的思路是：当MCU接收完一帧GPS报文后，便暂时停止接收，开始对这一帧报文进行解析。以对“$GPRMC”报文进行解析为例，先判断缓存数组中的第五个成员buf5是否等于字符C，若是，说明将要解析的报文为“$GPRMC”报文，然后再通过判断,位置，将报文中的各个信息存进缓存中，供之后程序使用。程序流程图如下图7所示。4.1.2 单片机程序流程图图7 单片机程序流程图单片机的程序流程图如图7所示，程序采用中断思想，当GPS模块接收到数据向MCU的UART发送时，立即触发单片机的串口2的数据接收中断，程序跳去执行中断服务子函数，中断服务子函数主要完成GPS数据的接收和存入缓

36、存中。4.2 坐标信息转换4.2.1 常用坐标系统 GPS 默认坐标是 WGS84 坐标系，WGS-84坐标系是由美国国防部制图局建立，它于1987年取代了当时GPS所采用的WGS-72坐标系统，而为GPS目前所通用的坐标系统。WGS-84坐标系原点位于地球质心，Z轴指向BIH l984. 0定义的协议地球极方向，X轴指向BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系（程连柱，2008）。4.2.2 高斯克吕格投影 (Gauss-Kruger)高斯克吕格投影，是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加

37、以补充，故称为高斯克吕格投影。高斯克吕格投影是设想用一个椭圆柱横套在地球椭球的外面，并与设定的中央经线相切。投影后的中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线，其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交，示意如图8所示。图8 高斯克吕格投影示意图在这个投影中，角度没有变形。中央经线长度比等于1，没有长度变形，其余经线长度比均大于1，长度变形为正，距中央经线愈远变形愈大，最大变形在边缘经线与赤道的交点上；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大。为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结

38、合起来，可成为整个区域的投影。高斯克吕格投影的变形特征是：在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快。在6度带范围内，长度最大变形不超过0.14%。在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。X坐标值在赤道以北为正，以南为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，X坐标皆为正值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里。如原坐标值为y=243353.5m，则西移后为y=743353.5。

39、4.2.3 经纬度转换为高斯坐标GPS模块采集到的坐标都是经纬度坐标。即此时采用的是大地坐标系，要求面积，就要将 GPS 经纬度数据坐标转换到空间平面坐标系。对此，要将获取的 WGS84 坐标要加以变换，计算出已知点的高斯平面坐标。对于同一空间点，大地坐标系与高斯平面坐标系有下列转换关系式（高艳芳等，2008）：(1) (2) (3) 式中：X、Y、Z大地坐标系中的三维直角坐标；B、L大地经纬度；H大地高程；a大地坐标系对应椭球之长轴，a=6378137； 大地坐标系对应椭球第一偏心率， =0.13；f大地坐标系对应椭球之扁率；f= l/298.N该点的卯酉圈曲率半径，且。由式（1）可知，只有

40、测量到大地坐标值 B、L、H，带入公式可求出三维直角坐标 X、Y、Z。本文要求的是平面面积，故只要有坐标 X、Y 即可。因此，根据测量到的大地坐标值 B、L 和高程 H，利用高斯投影的正算，在VC+6.0上编写程序求解空间直角坐标 X、Y。具体公式如下：(4)(5)公式中：， ， ， ， ， ， 4.2.4 高斯坐标转化为经纬度由高斯平而坐标X和Y换算大地经度L和大地纬度B的公式为（陈清礼等，1998）：(6)(7)公式中，为子午圈曲率半径，表达式为： 为纬度初始值，可由按如下公式求得：再按下式迭代多次可求得的值为：4.3 PC机软件编程PC机上的编程是基于VC+平台的进行的，在PC上的编程主

41、要实现两个功能：一是计算以给出的某一点的坐标为圆心，给定距离为半径的圆周上的任意某一点的坐标。二是对计算面积。4.3.1 计算误差范围内某点坐标该部分程序主要实现计算一定误差范围内，以某一点坐标为圆心的圆周上，输入包括基准点的GPS坐标，距离该坐标的高斯平面坐标系内的长度，以及角度agnle等条件。程序主要是通过在在直角坐标系中，以四个象限为分界，分四种情况以此求出各个点的坐标。程序的流程图如图9所示。该程序的的重点在于坐标的两次转换，第一次是将GPS坐标转化到高斯平面，方便进行距离计算，以计算出待求点的高斯平面坐标，第二次是将高斯平面的坐标转换到GPS坐标。 图9 计算误差范围内某点坐标4.

42、3.2 面积计算算法及程序设计对于规则形状的面积，如三角形、矩形等都有固定的球面积的公式。而本系统测量农田的面积，其形状就不一定是规则的图形，多是多边形。关于求多边形的面积，有多种方法。如三角形分割法与凹凸多边形分割法（李娜娜，2009）。(1) 多边形面积的公式法。其中一种公式如下：设有 n 个点(，)、(，)、 (，)、(，)围成一个无边相交的多边形，则围成的闭合多边形面积|为：，其中 i=1, 2, .n，且当i 与j除以 n 的余数相同的时候，该公式用于凸凹多边形均可。(2) 点的顺序不确定的话，面积不是固定的。如果是顺序的（顺时针或逆时针），设 N 边形第 k 点的坐标为（，），可以

43、求 的和，其中 i 从 1到 N，当 i=N+1 时，i 取 1。这个和绝对值的一半就是面积。生成多边形，其实就是指定这些顶点的顺序。在确定了顺序后，假定是, , , 那么多边形的面积可以简单的按照如下程序计算。void CaculArea_1( )float area = 0;for (int i=0, j=1; i<n; i+, j+)j = j %n;area+= pi.x*pj.y-pi.y*pj.x;area = fabs( area * 0.5);(3) 经典的分割法。对于凸多边形，可以切分成 nodenum-2 个三角形，每个三角形的面积用三角面积公式计算求和。用C语言具体

44、的实现方式如下程序。void CaculArea_2( )area=0;for(i=1;i < nodenum-2; i+)area+= ComputeAreaSize(node0,nodei,nodei+1);要计算三角形的面积 S，输入的三角形三边长 a、b、c ，要满足“任意两边长的和大于第三边长”。按海伦公式计算：s=(a+b+c)/2；x=s*(s-a)*(s-b)*(s-c) ，这时若 x>=0，则可求面积 area=，并输出 area 的值。本程序采用三角形分割法，并通过在VC+6.0上编程来得到测量的面积，程序流程图如图10所示。图10 面积计算程序流程图 需要注意

45、的是，由于采用三角形分割法，当采集的坐标点数超过3个时，要求对多边形各个端点的坐标信息采集顺序有一定的要求，这是因为每次采集端点数据时，都是以结构体数组的形式将端点的坐标信息记录下来的，所以多边形的形状也是由数组下标来依次决定的。可以采用顺时针采集，或者是逆时针采集的方式。 5 硬件电路及调试5.1 硬件调试在没通电之前，先用万用表检查线路的正确性，并核对元器件的型号、规格是否符合要求。特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路，并重点检查地址总线、数据总线、控制总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路。晶体振荡器和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地

46、工作。对系统进行了仔细的检查，所以此步骤不会发生故障，这一步如果检查不细通电后可能会造成不可想象的后果，所以这一步也至关重要。通电后检查各器件引脚的电位，重点测试晶振引脚电压，及复位引脚电压，观察单片机是否能正常工作。5.3 硬件调试结果首先测试GPS模块，确保模块采集到的GPS报文信息是可用的。测试方法：给GPS模块供电，连接好GPS的天线，并将天线引到室外，然后通过USB串口线连接GPS模块和电脑，打开串口调试助手，鼠标点击打开串口，串口助手即开始接收GPS采集到的GPS报文信息。在串口助手的数据接收窗口查看GPS报文信息是否完整，完整即表示GPS模块工作正常。本次测试的结果表明GPS模块

47、工作正常。其次调试液晶显示，以方便观看其他各项调试结果。主要先调试看是液晶是否能够实现清屏操作，成功后，在液晶上显示出字符、汉字和显示各种颜色的彩条，刚开始调试时，发现液晶始终不能正常工作，后经排查，发现是液晶的RST复位引脚电平不正常，液晶上电成功后，RST引脚需要处于高电平状态，但由于接触不良，RST引脚一直处于低电平，导致液晶一直处于复位状态，改正后，液晶显示正常。然后，调试单片机的串口电路，观察单片机的串口是否工作正常。调试方法：编写简单的单片机串口调试程序，程序的功能主要是实现在串口助手上发送字符到单片机，单片机接收到字符后，将字符发送回到电脑的串口调试助手。调试结果表明单片机的串口

48、能正常工作。 图11 系统显示界面最后，调试单片机能否将GPS模块通过串口发送过来的数据进行显示和存储。首先单片机对GPS报文进行解析。单片机接收到的报文是字符串，必须将接收到的字符串转换为数字并存储起来，才能进行相应的数学计算。单片机将解析后的每一个有用的信息，比如经纬度、速度等信息存储到结构体数组当中去，然后通过调用相应的信息显示子函数来显示经纬度等信息。调试过程发现室内外，GPS的信号强度，以及报文信息的完整性有很大区别，在室外时，单片机能迅速显示和更该GPS模块采集到的信息，在室外时，单片机能迅速显示和更行GPS模块采集到的信息，而在室内，信号强度大大减低，信号基本接近于零。系统信息显

49、示界面如图11所示。6 软件测试6.1 GPS数据采集测试 实验测试了华南农业大学华山区运动场的GPS地理坐标数据，操场的形状大致如下图10所示，四个端点分别为A、B、C、D，通过对这四个端点的坐标信息的多次采集求平均值后，与GPS EM615板采集到的数据进行对比，得出误差，目的是检测用XC-GPS开发板采集的信息是否准确。测试数据如下表2所示。 C A BD G 图12 操场形状示意图表2 测试经度与参考标准GPS EM615板数据对比测试点测试值/度参考值/度绝对误差/度相对误差/%A113.203534113.2037330.0014141.75×23.09786223.09

50、78730.0031454.69×B113.203913113.2039140.0015658.83×23.09783023.0978430.0031325.53×C113.203867113.2038630.0015473.43×23.09728023.0972880.0029123.58×D113.203478113.2034800.0013911.15×23.09732123.0973180.0029281.6×测试数据中，参考数据是采用OEM615 GPS板测得的，该板卡具有高精度、高可靠性等特点，该板卡采用NovA

51、tel新一代技术，拥有120个动态通道，能够跟踪GPS+GLONASS的双频卫星信号，其测试静态精度可达0.6米，故其采集到的数据可作为参考标准。分析表2各组数据，可知采用XG-GPS开发板设计的GPS信息采集系统所采集到的经纬度等数据是相对准确的，可作为农田边界坐标信息采集系统的坐标信息采集端。6.2 坐标计算程序测试6.2.1 坐标转换程序测试该部分测试主要是对华山区足球运动场A、B、C、D四个端点的GPS地理坐标进行反算，具体的程序转换方法在上文第4节有详细的说明，此处不再赘述。测试结果如下。表3 经纬度转化结果测试点计算结果/度参考值/度绝对误差/度相对误差A113.202120113

52、.2035340.0014140.00125%23.09471723.0978620.0031450.01362%B113.202348113.2039130.0015650.00138%23.09469823.0978300.0031320.01356%C113.202320113.2038670.0015470.00137%23.09436823.0972800.0029120.01261%D113.202087113.2034780.0013910.00123%23.09439323.0973210.0029280.01268%6.2.2 计算某点坐标程序测试图13 程序计算某点坐标计算结果 计算某点的坐标，首先需要输入计算的条件，包括基准点