【正文】 次設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要熟悉所選用的 GPS 接收模塊的性能指標(biāo)， 學(xué)習(xí)如何使用 NMEA 輸出命令，結(jié)合單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì) GPS接收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行提取，并在液晶顯示器上選擇性的顯示需要的數(shù)據(jù)。 由此可見(jiàn)， GPS 技術(shù)已經(jīng)延伸到各個(gè)領(lǐng)域的方方面面，但是要完成以上所述的各種用途，最基本的就是要具備能夠接收 GPS信號(hào)并且能夠調(diào)制輸出的設(shè)備，而這種設(shè)備最基本的功能就是能夠顯示當(dāng)時(shí)所處地點(diǎn)的經(jīng)緯度以及 UTC 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?，F(xiàn)在世面上已經(jīng)有許多基于 GPS接收模塊所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，如 GPS手持機(jī)、車(chē)載 GPS 導(dǎo)航儀等等，雖然其功能強(qiáng)大，但價(jià)格相對(duì)而言比較昂貴，而且對(duì)于普通應(yīng)用沒(méi)有必要。所以基于這 種情況下，本次設(shè)計(jì)針對(duì)普通用戶(hù)使用 GPS的切實(shí)需要，設(shè)計(jì)并制作基于單片機(jī)的 GPS 定位信息顯示系統(tǒng)。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 3 頁(yè) 共 30 頁(yè) 2 GPS 定位信息顯示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) GPS全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 全球定位系統(tǒng) (GPS)是本世紀(jì) 70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成 部分 。 (1)全球 定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成： ? 地面控制部分，由主控站 (負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面 控制系統(tǒng)的工作 )、地面天線(xiàn) (在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入尋電文 )、監(jiān)測(cè)站 (數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心 )和通訊輔助系統(tǒng) (數(shù)據(jù)傳輸 )組成 。 ? 空間部分，由 24 顆衛(wèi)星組成，分布在 6個(gè) 軌 道平面上 。 ? 用戶(hù)裝置部分，主要由 GPS 接收機(jī)和衛(wèi)星天線(xiàn)組成 [3]。 這三部分的相互關(guān)系如圖 21所示。 圖 21 GPS全球定位系統(tǒng)組成 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 4 頁(yè) 共 30 頁(yè) 1978 年 2 月 22 日，第一顆 GPS 試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射成功，標(biāo)志著工程研制階段的開(kāi)始。1989 年 2 月 14 日，第一顆 GPS 工作衛(wèi)星的發(fā)射成功，宣告 GPS 系統(tǒng)進(jìn)入了生產(chǎn)作業(yè)階段。 GPS 系統(tǒng)經(jīng)過(guò) 16 年的發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星 ，到開(kāi)發(fā) GPS 信號(hào)應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)射工作衛(wèi)星，終于在 1994 年 3 月建成了信號(hào)覆蓋率達(dá)到了 98％ 的 GPS 工作星座，它由 24 顆 Block2 衛(wèi)星衛(wèi)星組成。 Block2 衛(wèi)星如圖 22所示。 圖 22 Block2衛(wèi)星圖 (2)全球定位系統(tǒng) 有很多特點(diǎn)，其 主要特點(diǎn) 如下 ： ? 全天候； ? 全球覆蓋； ? 三維定速定時(shí)高精度； ? 快速省時(shí)高效率 ； ? 應(yīng)用廣泛多功能。 24顆 GPS 衛(wèi)星在離地面 2萬(wàn)公里的高空上，以 12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí) 接收到 6顆以上 GPS 衛(wèi)星的定位信息。只要有 4顆衛(wèi)星的定 位信息， GPS 接收機(jī)就能向用戶(hù)提供三維坐標(biāo)、時(shí)間及移動(dòng)速度等信息參數(shù)。 由于衛(wèi)星的位置精確可知，在 GPS 觀(guān)測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收 設(shè)備 的距離， 根據(jù) 三維坐標(biāo)中的距離公式，利用 3顆衛(wèi)星，就可以組成 3 個(gè)方程式，解出觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位置 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 5 頁(yè) 共 30 頁(yè) (X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有 4個(gè)未知數(shù)， X、 Y、 Z和鐘差，因而需要引入第 4顆衛(wèi)星，形成 4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀(guān)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。 由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的 SA 保護(hù)政策，使得民用 GPS 的定位精 度只有 100米。美國(guó)政府宣布 從 20xx 年 起 ，在保證美國(guó)國(guó)家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號(hào)精度在全球范圍內(nèi)得到改善，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位的精度由 100 米提高到 20 米 。 為 了達(dá)到更 高 的 定位精度， 往往還 采用 了 差分 GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站 (差分臺(tái) )進(jìn)行 GPS 觀(guān)測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀(guān)測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀(guān)測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。 GPS 信號(hào)接收方案選擇 要實(shí)現(xiàn)在液晶顯示器上顯示出接收到的 GPS數(shù)據(jù)信息，首先要實(shí)現(xiàn) GPS信號(hào)的接收。在接收 GPS 信號(hào)方案上可以有兩種選擇。 第一種方案是選擇 GPS接收芯片然后再根據(jù)芯片設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)外圍電路和安裝天線(xiàn)等，選擇這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以掌握到 GPS接收部分的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，但是這個(gè)方案的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，首先實(shí)現(xiàn)的難度較大，不容易成功，其次由于 GPS 接收芯片一般都是廠(chǎng)商直接供貨，單獨(dú)采購(gòu)價(jià)格會(huì)很高。 第二種方案是選擇成品的 GPS 接收模塊，采用這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是由于現(xiàn)階段 GPS 接收模塊的制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng) 成熟，性能穩(wěn)定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通過(guò)模塊輸出 GPS相關(guān)信息。并且在經(jīng)過(guò)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)后價(jià)格已經(jīng)能被我們所接受，這樣的模塊在市面上也能夠容易的購(gòu)買(mǎi)到。 從上面的分析可以知道，選擇 GPS 接收模塊就能夠很好的作為本次設(shè)計(jì)接收 GPS 定位信息的解決方案，因此我選擇第二種方案來(lái)完成本次設(shè)計(jì)。 GPS接收模塊的研究 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 6 頁(yè) 共 30 頁(yè) GPS 接收模塊是接收機(jī)的關(guān)鍵部分，而且型號(hào)很多，功能各異，一般組成結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號(hào)通道、 CPU、儲(chǔ)存器等組成。 GPS 接收模塊通過(guò)它的接收天線(xiàn)獲取衛(wèi)星信號(hào) ，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間之后，即可計(jì)算出天線(xiàn)位置。用戶(hù)通過(guò)輸入輸出接口，與 GPS 接收模塊進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)功能。 GPS 接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 圖 23 GPS接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 總體方案的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)要求通過(guò)單片機(jī)控制 GPS 器件實(shí)現(xiàn)定位信息顯示功能。在這里使用常見(jiàn)的MCS51型單片機(jī)作為處理器，利用 MCS51 單片機(jī)的串行接口接收 LEA5S收模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)， 并通過(guò)軟件方法篩選出其中有用的定位數(shù)據(jù)，最后通過(guò)單片機(jī)的并行接口輸出至液晶顯示模塊顯示的方案。該 GPS 定位信息顯示系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個(gè)部分組成： (1) 接收部分：以 LEA5S模塊為核心的 GPS 接收機(jī)； (2) 控制電路：由 51單片機(jī)作為微處理器控制 GPS 信號(hào)； (3) 顯示部分： 1602LCD 液晶顯示模塊； (4) 電源電路部分 :采用電池供電用以提供系統(tǒng)工作時(shí)所必須的電壓。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 7 頁(yè) 共 30 頁(yè) 單片機(jī)系統(tǒng)：本次設(shè)計(jì)使 用 51單片機(jī) STC89C52 作為微處理器，控制 GPS 數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過(guò)程。利用其串行接口接收 LEA5S 接收模塊輸出的 NMEA0183 語(yǔ)句數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選和處理后到 1602 液晶顯示器顯示。 外圍電路：外圍電路一部分是由 GPS接收器件及其輔助電路組成，一部分是 LCD 液晶顯示模塊的電源電路和顯示電路。 LEA5S 接收模塊主要由變頻器、信號(hào)通道、存儲(chǔ)器、中央處理器和輸入輸出接口構(gòu)成。它接收天線(xiàn)獲取的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量定位。 單片機(jī)控制程序：編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的初始化，控制 GPS 器件完成數(shù)據(jù)的采集 ,進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，并通過(guò)單片機(jī)接口輸出至液晶顯示模塊顯示必要的數(shù)據(jù)。 由此可知： GPS 接收模塊將接收到的 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航電文調(diào)制解碼，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式后，送給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到 GPS 發(fā)送過(guò)來(lái)的導(dǎo)航電文后，經(jīng)過(guò)片內(nèi)程序的識(shí)別篩選，將篩選出來(lái)的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，并且最后通過(guò)液晶顯示器按照要求顯示出來(lái)。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 8 頁(yè) 共 30 頁(yè) 3 基于單片機(jī)的 GPS 硬件電路設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的 GPS硬件電路總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，該基于單片機(jī)的 GPS 硬件電路設(shè)計(jì)主要由 GPS 信號(hào)接收部分（ LEA5S 信號(hào)接收模塊）、控制芯片（ STC89C52 單片機(jī)）、顯示部分（ 1602LCD 液晶顯示模塊）這幾部分構(gòu)成。其大體結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示。 圖 31 基于單片機(jī)的 GPS硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 基于單片機(jī)的 GPS定位信息顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)介 STC89C52 簡(jiǎn)介 STC89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，采用 40 引腳雙列直插封裝方式。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令 單片機(jī) STC89C52 LCD1602 液晶顯示 GPS 接收模塊 按鍵切換顯示界面 系統(tǒng)電源 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 9 頁(yè) 共 30 頁(yè) 集和輸出管腳相兼容 [4]。 STC89C52 引腳如圖 32 所示 ： 圖 32 STC89C52 引腳圖 (1) 其