gps何宇彬论文初稿

1、GPS数据信息采集系统设计摘要本系统采用STC89C52单片机对GPS模块输出的定位和定时信息进行解码，由Nokia5110液晶模块显示解码结果，再将解码的信息通过串口传送给计算机。本系统硬件采用Altium Designer设计，单片机软件采用C51语言设计，由Keil uVision4开发软件编译器。系统能实现经度、纬度、日期、时间的显示，具有简单、便携、可靠等特点，可在车辆导航、自助旅行等方面推广应用。关键词：GPS授时，51单片机，Nokia5110System of GPS Information Collection Based On Single Chip Microcomput

2、erAbstractThe design which use the single chip microcomputer of STC89C52 collects the information of date,time and location by GPS module. And then displays on the LCD module Nokia5110,at the last transmit the information to the computer.The hardware of this system designs by Altium Designer. And th

3、e software part uses C51 language,and adopts Keil C51 complier, the system can display longitude, latitude, date and time on the LCD, it has many feature like simple,convenient and reliable.And suitable for the vehicle navigation,travel by myself and so on.Keywords: GPS，single chip microcomputer，Nok

4、ia5110目录1 前言11.1 GPS的发展前景11.2 GPS的作用12 硬件设计32.1 硬件系统框图32.1.1 单片机简介32.2 单片机最小系统42.3 GPS接口电路42.4 液晶显示电路52.5 串行通信电路63 软件设计73.1 软件开发工具Keil C5173.2 主程序流程73.3 GPS数据格式与解码83.4 液晶显示及串行通信93.4.1 液晶显示程序设计93.4.2 串行通信程序设计104 总结11附录12参考文献17致谢1820200 引言时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展人们对时间精度的要求也越来越高天文测时所依赖的是地球自转，而地

5、球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到10，“原子钟”精度可达10-12因此“原子钟”广泛运用到精密测量和日常生活、生产领域GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟1目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及本文采用具有定时功能的GPS 0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便 1 前言1.1 GPS的发展前景由于GPS技术所具有的全天候

6、、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，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，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景

7、非常可观。1.2 GPS的作用1、 全天候全球卫星定位 调度监控中心根据需要可随时了解所有车辆的实时位置，并能在中心的电子地图上准确地显示车辆当时的状态（如速度，运行方向等信息）。本系统的电子地图采用矢量方式，对任意指定区域的车辆进行查询；可任意放大、缩小、移动电子地图；可进行同屏多窗口显示监控，或将目标锁定在某窗口，自动跟踪等；监控车辆的参数主要为：车辆位置（精确到15米）、运行速度（精确到1公里/小时）、运动方向（精确到1度）及时间信息（精确到1秒）； 2、紧急报警 调度监控中心收到车载终端发来的报警信号(如主动紧急报警、非法破坏报警、非法入侵报警、非法移动报警)，系统进行自动分类处理，以

8、声音的方式提示监控人员，同时报警的车辆在地图上以醒目方式显示报警状态和报警地点，并将报警目标的监视级别提升，同时自动记录轨迹。监控人员可根据报警情况及时进行指挥调度和警情处理。3、 信息查询 中心控制系统具备丰富的、全面的数据信息。4、 历史数据记录、分析、回放 系统自动记录各车辆的运行轨迹、请求服务的次数及具体时间、紧急报警的次数及具体时间、失窃报警的次数及具体时间，根据所保存的历史数据，可在电子地图上回放所选车辆的实际行车过程，也可在电子地图上快速再现所选车辆的行车路线轨迹及时间，为事后处理乘客投诉、路上事故、被盗被抢等事件提供有力证据。 5、实时调度功能 安装本系统后，网内所有车辆的分布

9、位置和实时运行状况，调度中心能一目了然，尽收眼底，随时可由调度中心采取有效措施，对网内车辆进行合理调度。本系统的管理功能还能为车辆管理部门加强行业管理提供方便、有效的帮助。6、越界报警功能对于按一定路线（区域）运行的车辆，调度管理中心可以设定车辆的运行界限，当车辆超出界限时，车载设备将自动向调度管理中心发出车辆越界报警，中心将自动打开实时跟踪程序进车辆进行监控，监控人员可用短消息（发指令）或以语音形式通知司机到相关的监控站点进行登记或行驶回正确的运行道路上。7、超速报警功能 调度管理中心可对各种不同的车辆设定速度限制，当司机行车速度超过此限制值时，车载系统将自动向调度中心报警，控制中心可通过调

10、度系统提醒司机减速行驶。8、偏离路线报警 划定一条路线，车辆偏离此路线达到一定值则中心显示偏离报警。9、掉电报警 车辆遇到强制断电或电压不稳时显示报警信息。10、电子围栏 设置电子围栏的最大/最小经纬度，形成一个方形的电子围栏，以便系统监控报警。车辆进入或则离开电子围栏生成报警状态。 11、分级管理 本系统可实现分级管理功能，如在济南建立一个监控中心，可在青岛、烟台等多个地方建立分监控中心，实现分级管理。 总而言之，GPS技术已发展成多领域多模式多用途多机型的高新技术国际性产业，GPS的应用领域上至航空航天器，下至捕鱼导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“GPS的应用，仅受人类想象力

11、的制约”。2 硬件设计20基本原理GPS是由美国国防部研制的导航卫星测距、授时、定位和导航系统，它由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成这24颗卫星等间隔分布在6个互成60。的轨道面上，卫星配置保证了在地球上任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星GPS系统由3部分构成：一，是GPS卫星(空间部分)，由21颗工作卫星，3颗备用卫星组成；二，是地面支撑系统(地面监控部分)，由1个主控站，3个注入站，5个监测站组成；三，是GPS接收机(用户部分)，接收GPS卫星发射信号，以获得必要的信息1卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，GPs接收机接收卫星发射的信号中含有时间信息的数据，这些数据经过串口

12、通信传送给单片机或计算机，经分析计算后便可得到准确的时间信息另外接收机都有一个输出端专门输出1pps信号，其上升沿对应接收机串口输出的UTC时间，精确度可达1|us，可直接提供给需要时间校准的用户，也可与串口输出的UTC时刻共同作用在单片机或计算机上以获得更精确的时间2.1 硬件系统框图 本系统主要采用的硬件有51单片机，Nokia5110液晶显示模块，GPS模块以及一些外围电路，具体系统框图如图2-1所示。图2-1硬件系统框图2.1.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系

13、统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 本系统采用STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个

14、6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。2.2 单片机最小系统 本系统电路设计采用的是Altium Designer6.9工具设计的,最小系统如图2-2。图2-2最小系统2.3 GPS接口电路本系统采用的GPS模块是能发出多种数据格式，也可以设置只发送某一种格式，硬件接口有一个串口，同时有发送端，接收端和接

15、地端，和单片机的连接也很简单，只需要将GPS的发送端和单片机串口的的RXD相接。GPS与单片机连接电路如图2-3图2-3 GPS模块2.3 液晶显示电路液晶模块用的是Nokia5110，该模块具有以下特点：1、84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，2、采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的SPI、MCS51 的串口模式等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。3、可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

16、4、LCD 控制器驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小。5、采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200A 以下，且具有掉电模式。液晶显示电路如图2-4图2-4液晶显示电路2.4 串行通信电路串行通信主要用Max232电平转换芯片进行设计的，MAX232芯片是美信公司专门为计算机的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。其主要特点有以下几点。1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一 +5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-4、功耗低，典型供电电流5mA5、内部集成2个RS-232C驱动器6

17、、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。串口电路如图2-5图2-5串口电路3软件设计3.1 软件开发工具Keil C51Keil uVision4是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用，而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。Keil uVision4软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，能更好的开发单片机程序 。另外重要的一点，只要

18、看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil uVision4生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。3 GPS接收机授时器程序流程31 GPS模块板输出的数据形式GPS模块板通过RS_232接口为用户提供位置、速度、时间等数据，具体输出内容依产品型号的不同而不同其数据输出格式一般有2种，一种为二进制格式输出，另一种为NMEA0183格式1|，GPS模块附带的商用软件等对GPS模块进行设置来决定使用哪种格式的输出NMEA0183格式是目前国际上通用的一种编码格式，目前广泛采用的是Ver200版本此格式的优点是直观、易于处理，

19、很多高级语言中都有处理此格式的现成函数NMEA0183格式输出的数据采用ANSI标准，以串口非同步传送32 GPS25一LVS的信息输出格式GPs25一LVs的通信波特率默认值为4 800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验通常使用NMEm0183格式输出，可以输出多种句型，均以“$”开头数据代码为ASCII码字符GPS25一LVS系列GPS模块可输出12句语句，分别是$GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$LCGLL，$LCVTG，$PGRME，$PGRMF，$PGRMT，$PGRMV，$GPGL L不同的语句中传送的信息不同由于“$GPGGA，”

20、语句数据格式输出的第一位数据就是所需要的时间数据，利于单片机对时间信息的接收处理因此本接收机授时系统采用“$GPGGA，”格式输出数据33授时器主程序流程设计GPS授时程序流程图如图4GPS模块输出的数据是以数据流的形式输出，采集的起始时刻未必是一帧数据的开始时刻，所以在数据采集时，必须先判断字头块，在接收到字头块后，开始采集数据GPS模块每隔1s自动输出观测数据帧和位置数据帧一次，但输出的格式是多种多样的，因此必须先给GPS模块发送指令来控制其输出数据格式c4设定单片机的波特率为4 800bits，使其与GPS模块板的传输波特率一致给GPS模块发送一条指令，使其发送的0183数据格式为“$G

21、PGGA”，该指令预先存在数据存储器里，用循环方式顺次从程序存储器里取出数据就可循环发送然后0EM板将输出相应格式的数据单片机对接收的信息进行判断，如果是“$GPGGA”，则接收下面的6个ASCII码并存储在单片机的RAM里；如果不是“$GPGGA”，则继续判断，直到是“$GPGGA”也可采用循环方式接收时间信息由于接收到的时间是协调世界时(UTC)，因此在此时间上加上8h牙是准确的北京时，在超出24h时应作减24h处理然后进行显示处理显示采用动态显示原理，在显示时，每段发光管的点亮必须持续一段时间，每个发光二极管的点亮时间设定为1ms显示完后程序跳转到主函数以便接收下一秒的数据并将其显示3.

22、2 主程序流程主程序主要是串口的初始化，液晶屏的初始化，然后就是对串口接收到的GPS数据信息进行解码显示到液晶屏上同时通过串口回传给计算机，流程图如图3-1。图3-1主程序流程图3.3 GPS数据格式与解码系统GPS数据格式采用NMEA-0183协议，NMEA-0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。 GPS数据格式有多种，$GPGGA开头输出

23、全球定位数据，$GPGSA开头输出卫星PRN数据，$GPGSV开头输出卫星状态信息，$GPRMC开头输出运输定位数据，$GPVTG开头输出地面速度信息，$GPGLL开头输出大地坐标信息，$GPZDA开头输出 UTC时间和日期该协议采用ASCII码，其串行通信默认参数为：波特率=4800bps，数据位=8bit，开始位=1bit，停止位=1bit，无奇偶校验。帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh1、“$”帧命令起始位2、aaccc地址域，前两位为识别符，后三位为语句名3、dddddd数据4、“*”校验和前缀5、hh校验和（check sum），$与*之间所有字符ASCII码的校

24、验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符。）6、CR（Carriage Return） + LF（Line Feed）帧结束，回车和换行本系统解码的数据格式为GPRMC格式，所以着重介绍GPRMC的数据格式与解码。GPRMC推荐最小数据量的GPS信息（Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data）$GPRMC,* UTC（Coordinated Universal Time）时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 Latitude，纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0

25、） 纬度半球N（北半球）或S（南半球） Longitude，经度dddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0） 经度半球E（东经）或W（西经） 地面速率（000.0999.9节，Knot，前导位数不足则补0） 地面航向（000.0359.9度，以真北为参考基准，前导位数不足则补0） UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 Magnetic Variation，磁偏角（000.0180.0度，前导位数不足则补0） Declination，磁偏角方向，E（东）或W（西） Mode Indicator，模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据

26、无效） 校验和。系统的解码则是单片机接收到GPRMC格式的信息，然后过滤掉一些无用的信息，取其中的经度维度时间日期定位状态等信息，具体实现则是在程序中设置一个逗号数，当逗号数为1的时候则是时间的定位信息，将它存下来，当逗号数为2的时候存下来的则是定为状态的信息，如此类推就将GPS的数据解码存取下来了。3.4 液晶显示及串行通信液晶显示程序设计则是将上面解码存下来的信息显示到Nokia5110液晶屏上即可，同时将信息通过串行通信传回给计算机。3.4.1 液晶显示程序设计 液晶显示主要是写指令使液晶屏选择行列，流程图如图3-2图3-2 液晶显示流程图3.4.2 串行通信程序设计串行通信程序则是通过

27、查询法将解码好的GPS数据信息传回给电脑。流程图如图3-3。图3-3 串口通信流程4总结从开始拿到毕业设计的课题到完成的过程是曲折的，但是在最后完成的那一刻却是开心的，从查阅资料到设计电路板，从编写程序到调试电路板，每一个环节都很重要，每一个环节都需要认真负责的态度，最终才能很好的完成这个基于单片机的GPS信息采集系统设计，这个设计充分展示出了一个单片机项目的开发流程，本系统使用Altium Designer 6.9进行电路设计与开发，使用Keil uVision4进行程序编写编译，实现了基于单片机的GPS信息显示系统，在程序的设计和编写时使用结构化程序设计方法，使程序简洁易懂，有良好的维护性

28、。系统实现的GPS信息收集在实用中也有很大的作用，可以将其运用在位置采集系统中进行实时监控，例如全天候全球定位、信息查询和实时调度等等的项目中去。本设计从开始画图到电路板的制成完全的显示出了Altium Designer 6.9的强大，为以后更好的学习打下了坚实的基础，在完成这一个设计后，一方面有利于掌握一个项目开发所具备的知识，另一方面也将学到理论知识都运用到了实践当中去。 附录实物图设计中的相关程序液晶屏相关函数接口参数定义sbit RST_5110=P10; /low activesbit CE_5110=P11; /low activesbit DC_5110=P12; /0=comm

29、and,1=datasbit SDI_5110=P13; /rise edge enablesbit SCK_5110=P14; /clock清屏函数void Clear_5110(void)unsigned int i;Write_Byte_5110(0x80,CMD);/写地址for(i=0;i504;i+)Write_Byte_5110(0x00,DATA);/set the addr as 0x00液晶初始化函数void Init_5110(void)Delay_us(1); /reset LCDRST_5110=0;/复位清零Delay_us(1);RST_5110=1;Write_

30、Byte_5110(0x21,CMD); /扩展指令Write_Byte_5110(0xc8,CMD); /设置偏压Write_Byte_5110(0x20,CMD); /标准指令Clear_5110();Write_Byte_5110(0x0c,CMD); /标准显示模式写一个字符函数void Write_Char_5110(unsigned char Char)unsigned char i,j;i=Char-0x20;for(j=0;j6;j+)Write_Byte_5110(asc2ij,DATA);写字符串函数void Write_String_5110(unsigned char

31、*P)unsigned char i;for(i=0;istrlen(P);i+)Write_Char_5110(Pi);液晶显示程序Set_R_C_5110(0,0);Write_String_5110(date);Set_R_C_5110(0,72);Write_Char_5110(dingwei);Set_R_C_5110(1,0);Write_String_5110(time);Set_R_C_5110(2,0);Write_String_5110(jd);Set_R_C_5110(2,72);Write_Char_5110(jd_fx);Set_R_C_5110(3,0);Write

32、_String_5110(wd);Set_R_C_5110(3,72);Write_Char_5110(wd_fx);Set_R_C_5110(4,16);Write_hanzis_5110(0,6);Set_R_C_5110(5,16);Write_hanzix_5110(0,6);串行通信函数void R_S_Byte(uchar R_Byte) SBUF = R_Byte; while( TI = 0 ); TI = 0; 数据解码相关程序if(flag=1) flag=0; for(i=0;i=4) if(cmd0=G) if(cmd1=P) if(cmd2=R) if(cmd3=M) if(cmd4=C) mode=2; seg_number=0; byte_number=0; else if(mode=2)switch(seg_number)case 1:if(byte_number=2|byte_number=5)timebyte_number=:;+byte_number;if(by