【正文】 基于STC12C5A60S2單片機GPS信號控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 選題意義和依據(jù) 2 3 3第2章 GPS全球定位系統(tǒng)介紹及UBLOX4T接受模塊介紹 5 GPS全球定位系統(tǒng) 5 GPS的歷史和發(fā)展 5 GPS定位的基本原理 6 GPS接收機的定位流程 6 UBLOX4T接收模塊介紹 7 GPS接收機數(shù)據(jù)格式 7 UBLOX4T模塊硬件介紹 8 UBLOX4T技術(shù)參數(shù) 10 接收機介紹概述 11 本章小結(jié) 11第3章 STC12C5A60S2單片機介紹 12 STC12C5A60S2單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳芯片圖 12 主要功能特性及芯片圖 12 引腳功能說明 13 本章小結(jié) 15第4章 FT55無線電臺介紹 16 FT55無線通訊模塊特點 16 FT55實物圖和電路圖 17 FT55引腳說明 19 無線天線注意事項 19 本章小結(jié) 20第5章 系統(tǒng)硬件設(shè)計介紹 21 硬件接線 21 工作原理說明 23 硬件總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 23 系統(tǒng)硬件實物圖 25 本章小結(jié) 26第6章 系統(tǒng)軟件設(shè)計介紹及調(diào)試 27 STC12C5A60S2單片機串口調(diào)試程序 27 串口1介紹 27 串口2介紹 32 單片機主控程序流程圖及主程序 35 實驗調(diào)試遇到的困難和解決辦法 41 本章小結(jié) 41結(jié)論 42參考文獻 43致謝 44附錄1 45附錄2 50附錄3 54附錄4 59附錄5 62I第1章 第1章 緒論 課題背景1978年2月22日第一顆GPS試驗衛(wèi)星的入軌運行，開創(chuàng)了以導(dǎo)航衛(wèi)星為動態(tài)已知點的無線電導(dǎo)航定位的新時代。GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的空間信息資源。陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機，就可以全天時、全天候和全球性地測量運動載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維狀態(tài)參數(shù)。其用途之廣，影響之大，是任何其他無線電接收設(shè)備望塵莫及的。不僅如此，GPS衛(wèi)星的入軌運行，還為大地測量學(xué)、地球動力學(xué)、地球物理學(xué)、天體力學(xué)、載人航天學(xué)、全球海洋學(xué)和全球氣象學(xué)提供了一種高精度、全天時、全天候的測量新技術(shù)?？v觀現(xiàn)狀，GPS技術(shù)有下述用途。各種車輛的行駛狀態(tài)監(jiān)控；旅游者或旅游車的景點導(dǎo)游；應(yīng)急車輛（如公安、急救車等）的快速引導(dǎo)行駛；高精度時間比對和頻率控制；大氣物理觀測；地球物理資源勘探；工程建設(shè)的施工放樣測量；大型建筑和煤氣田的沉降檢測；板內(nèi)運動狀態(tài)和地殼形變測量；陸地以及海洋大地測量基準的測定；工程、區(qū)域、國家等各種類型大地測量控制網(wǎng)的測量和建設(shè)；請求救援在途實時報告；引導(dǎo)盲人行走；平整路面的實時監(jiān)控，精細農(nóng)業(yè)。遠洋船舶的最佳航線測定；遠洋船隊在途中航行的實時調(diào)度和監(jiān)測；內(nèi)河船只的實時調(diào)度和自主導(dǎo)航測量；海洋救援的搜索和定點測量；遠洋漁船的結(jié)隊航行和作業(yè)調(diào)度；海洋油氣平臺的就位和復(fù)位測定；海底沉船位置的精確探測；海底管道鋪設(shè)測量；海岸地球物理勘探；水文測量；海底大地測量控制網(wǎng)的布測；海底地形的精細測量；船運貨物失竊報警；凈化海洋（如海洋溢油的跟蹤報告）；海洋糾紛或海損事故的定點測定；浮筒拋設(shè)和暗礁爆破等海洋工程的精確定位；港口交通管制；海洋災(zāi)難檢測。民航飛機的在途自主導(dǎo)航；飛機精密著陸；飛機空中加油控制；飛機編隊飛行的安全保護；航空援救的搜索和定點測量；機載地球物理勘探；飛機探測災(zāi)區(qū)大小和標定測量；攝影和遙感飛機的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)測量。4．GPS技術(shù)的航天應(yīng)用低軌道通訊衛(wèi)星群的實時軌道測量；衛(wèi)星入軌和衛(wèi)星回收的實時點位測量；載入航天器的在軌防護探測；星載GPS的遮掩天體大小和大氣參數(shù)測量；對地觀測衛(wèi)星的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)測量。 選題意義和依據(jù)全球定位系統(tǒng)(GPS)是由美國國防部開發(fā)的一種先進的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全天候、全方位的為海陸空用戶提供連續(xù)的、高精度的三維坐標、三維速度和時間等信息。它所具有的諸多優(yōu)點是其他導(dǎo)航設(shè)備所無法比擬地?，F(xiàn)在，GPS接收機作為一種先進的導(dǎo)航和定位儀器，已在軍事及民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計主要是基于STC12C5A60S2單片機GPS信號控制系統(tǒng)設(shè)計，主要應(yīng)用于海上GPS信號采集及處理。由于STC12C5A60S2單片機有2個串口可以使用，這樣就滿足了一個串口接收GPS信號，另一個串口把經(jīng)過單片機處理后的信號發(fā)送給電臺的要求。這個題目是我在北京公司實習(xí)期間的公司項目，雖說目前的GPS數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都比較成熟，但是對于我本人來說還是第一次接觸，我覺得是一次很好的實踐機會，也是一次學(xué)習(xí)機會，公司項目主要是對STC12C5A60S2內(nèi)部的程序編寫，以及各個組件的硬件集成。同時包含軟件硬件，對馬上畢業(yè)的我來說是個不錯的學(xué)習(xí)機會，也是一個很好的畢業(yè)設(shè)計題目，這個題目是對我大學(xué)所有的大部分的知識點一個總結(jié)，和考驗。全球定位系統(tǒng)(GPS)是由美國國防部開發(fā)的一種先進的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全天候、全方位的為海陸空用戶提供連續(xù)的、高精度的三維坐標、三維速度和時間等信息。它所具有的諸多優(yōu)點是其他導(dǎo)航設(shè)備所無法比擬地?，F(xiàn)在，GPS接收機作為一種先進的導(dǎo)航和定位儀器，已在軍事及民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。還需要一個重要的模塊就是FT55系列 100 0 mW 工業(yè)級無線串口通信模塊。FT55微功率無線串口通信模塊具有：多信道，數(shù)據(jù)實時通信，傳輸距離遠，透明的數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力強和低誤碼率，提供三種用戶接口方式，高可靠性體積小，重量輕等等一系列優(yōu)點。本設(shè)計主要是基于STC12C5A60S2單片機GPS信號控制系統(tǒng)設(shè)計，主要應(yīng)用于海上GPS信號采集及處理。由于STC12C5A60S2單片機有2個串口可以使用，這樣就滿足了一個串口接收GPS信號，另一個串口把經(jīng)過單片機處理后的信號發(fā)送給電臺的要求。GPS是一種最先進的以覆蓋全球的24顆衛(wèi)星網(wǎng)為基礎(chǔ)的無線電定位導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航儀定位精度為15米（無SA）～100米（有SA），比傳統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備提高了 10～30倍。它可以在全球范圍內(nèi)全天候、實時地提供精確時間及船舶、汽車或飛機的位置（經(jīng)緯度）、速度和方向，并可以在電子地圖上給出航跡和直觀地指出自己在地圖上所處的位置。在定位導(dǎo)航方面，GPS的使用對象主要是汽車、船舶和飛機等運動物體。例如船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水，飛機航路引導(dǎo)和進場降落，汽車自主導(dǎo)航定位，地面車輛跟蹤和城市智能交通管理等。此外，對于警察、消防及醫(yī)療等部門的緊急救援、追蹤目標和個人旅游及野外探險的導(dǎo)引等，GPS都具有得天獨厚的優(yōu)勢。在日常生活中，GPS還可用于人身受到攻擊危險時的報警，特殊病人、少年兒童的監(jiān)護與救助，生活中遇到各種困難時的求助等。使用時只需按動帶有移動位置服務(wù)的 GPS手機按鈕，警務(wù)監(jiān)控中心和急救中心在幾秒鐘內(nèi)便可獲知報警人的位置并提供及時的救助?！?在軍事領(lǐng)域，GPS也已從當(dāng)初的為軍艦、飛機、戰(zhàn)車、地面作戰(zhàn)人員等提供全天候、連續(xù)實時、高精度的定位導(dǎo)航，擴展到成為目前精確制導(dǎo)武器復(fù)合制導(dǎo)的一種重要技術(shù)手段。其工作原理是利用彈上安裝的GPS接收機接收4顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的信號來修正導(dǎo)彈的飛行路線，提高制導(dǎo)精度。區(qū)別于誤差較大、精度較低的民用標準定位服務(wù)，軍方使用的是精密定位服務(wù)。資料顯示，未配置GPS制導(dǎo)系統(tǒng)之前，美軍的“戰(zhàn)斧”(BGM－109C)巡航導(dǎo)彈的圓概率誤差約為9米，在其慣性＋地形匹配制導(dǎo)系統(tǒng)中加入GPS后，圓概率誤差降至3米，制導(dǎo)精度大大提高。 STC12C5A60S2單片機因其自身的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于要求使用雙串口場合，但是還存在著自身的一些缺點。在海上測量，海上GPS信號采集，船載數(shù)據(jù)接收發(fā)送系統(tǒng)中都得以廣泛使用。基本參數(shù)：不同GPS數(shù)據(jù)同時發(fā)送給單片機，在PPS/TTL控制下，按一定延時時間，有規(guī)律發(fā)送出去。71 第2章 第2章 GPS全球定位系統(tǒng)介紹及UBLOX4T接受模塊介紹 GPS全球定位系統(tǒng) GPS的歷史和發(fā)展 全球定位系統(tǒng)(GPS)是本世紀70年代由美國陸?？杖娐?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)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。1978年2月22日，第一顆GPS試驗衛(wèi)星的發(fā)射成功，標志著工程研制階段的開始。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)進入了生產(chǎn)作業(yè)階段。GPS系統(tǒng)經(jīng)過16年來的發(fā)射試驗衛(wèi)星，到開發(fā)GPS信號應(yīng)用，進而發(fā)射工作衛(wèi)星，終于在1994年3月建成了信號覆蓋律達到了98％的GPS工作星座它由9顆Block2衛(wèi)星和15顆Block2A衛(wèi)星組成。1985年11月以前發(fā)射的11顆Block1 GPS試驗衛(wèi)星已經(jīng)完成了它們的歷史使命，于1993年12月31日全部停止了工作。全球定位系統(tǒng)的主要特點：(1)全天候；(2) 全球覆蓋；(3)三維定速定時高精度；(4)快速省時高效率：(5)應(yīng)用廣泛多功能。24顆GPS衛(wèi)星在離地面2萬公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。 由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。美國政府宣布2000年起，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球范圍內(nèi)得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米。為了達到更高的定位精度，往往還采用了差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。 GPS定位的基本原理 GPS定位技術(shù)的基本原理是采用測量學(xué)中通用的測距交會方法．GPS接收機在某一時刻接收到4 顆以上的GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文, 通過變頻、放大、 濾波等一系列處理過程,實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星號的跟蹤、鎖定、測量,從而產(chǎn)生計算位置的數(shù)據(jù)信息(包括:緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等),經(jīng)由I/O口輸出串行數(shù)據(jù)． GPS接收機的定位流程 1．搜索可用衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導(dǎo)航電文信息；2．從導(dǎo)航電文中獲取計算位置所需的信息，這些信息應(yīng)該包括時鐘信息和星歷等數(shù)據(jù)；3．計算衛(wèi)星的準確位置，這包括計算衛(wèi)星的高度和方位角，從而進行必要的對流層校正；4．計算偽距，并進行電離層校正等；5．重復(fù)上述過程，對所有可用衛(wèi)星進行相應(yīng)的計算；6．進行其他必要的校正，例如根據(jù)衛(wèi)星信號到達GPS接收機的時間，校正地球旋轉(zhuǎn)所造成的衛(wèi)星位置的偏差；7．根據(jù)定位原理，計算出GPS接收機的初始位置，并將其轉(zhuǎn)換成所需的坐標格式進行顯示或輸出；8．加入閏秒和UTC（標準世界時）時間補償計算當(dāng)前精確的時間；9．分析可用衛(wèi)星的信息，計算最好的DOP(Dilution of Precision)，進行選星，并計算和修正GPS接收機的位置，給出GPS接收機的三維坐標和準確的時間信息。 UBLOX4T接收模塊介紹 GPS接收機數(shù)據(jù)格式 GPS 接收機只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地把接收并計算出的GPS 導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到計算機中。前面的代碼只負責(zé)從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存，在沒有進一步處理之前緩存中是一長串字節(jié)流，這些信息在沒有經(jīng)過分類提取之前是無法加以利用的。因此，必須通過程序?qū)⒏鱾€字段的信息從緩存字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實際意義的，可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。同其他通訊協(xié)議類似，對GPS 進行信息提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，然后才能根據(jù)其結(jié)構(gòu)完成對各定位信息的提取。對于本文所使用的UBLOX4T接收模塊，其發(fā)送到計算機的數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。這些幀頭標識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標識一幀的結(jié)束。對于通常的情況，我們所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時間等均可以從“$GPGSA”幀中獲取得到，該幀的結(jié)構(gòu)及各字段釋義如下：$GPGSA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11*hh1 當(dāng)前位置的格林尼治時間，格式為hhmmss2 狀態(tài)，A 為有效位置，V 為非有效接收警告，即當(dāng)前天線視野上方的衛(wèi)星個數(shù)少于3 顆3 緯度，4 標明南北半球,N 為北半球、S 為南半球5 經(jīng)度，6 標明東西半球，E 為東半球、W 為西半球7 地面上的速度， 8 方位角， 度9