【正文】 常州機電職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）作 者： 印 坤 學 號： 51350234 系 部： 信息工程系 專 業(yè)： 應用電子技術 題 目： 基于單片機的GPS導航裝置設計 指導者：左亞旻評閱者： 2015 年 7 月 畢業(yè)設計（論文）中文摘要 本文以基于單片機的GPS導航裝置設計為主要內(nèi)容，圍繞“單片機控制GPS模塊實現(xiàn)定位導航功能”這一熱點課題，利用ublox公司的GPS模塊和美國Cygnal公司的C8051F020單片機，制作了GPS接收板和相應的數(shù)據(jù)處理、控制終端。給出了系統(tǒng)的總體設計方案并闡述了終端設計方法、開發(fā)方法和開發(fā)過程。 文中首先闡述了課題涉及的相關知識，主要包括定位導航的原理、系統(tǒng)組成、技術特點。并從系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過分析比較選出合適的實現(xiàn)方案，在此基礎上對系統(tǒng)所需硬件模塊的選取作了簡要介紹。 然后針對系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計和軟硬件聯(lián)合調(diào)試等方面展開論述。本系統(tǒng)硬件設計分為兩部分.:第一部分，接收板是以ublox公司的GPS模塊為核心并結(jié)合相關的外圍電路實現(xiàn)。其中，接收天線的選取、天線座到模塊RF 1N端的50歐姆阻抗匹配設計以及電源模塊的設計等都在本文中作了詳細闡述。第二部分，作為導航數(shù)據(jù)處理，定位控制以及顯示部分的設計，對單片機、液晶屏(OCM12864)以及相關串口設計等也做了相應介紹。本系統(tǒng)的軟件設計，采用C51語言編程，完成了單片機初始化程序、主程序(定位數(shù)據(jù)接收、處理)、液晶屏(OCM12864)初始化和顯示程序的設計。最后文中詳細描述了系統(tǒng)的實驗調(diào)試過程、所遇到的問題以及解決方法，通過調(diào)試、修改，成功實現(xiàn)小范圍的定位導航，完成課題設計的要求。并在此基礎上提出了下一步的研究方向和工作。 關鍵詞:GPS。 C8051F020。阻抗匹配。OCM12864。 目錄第1章 緒論 4 5 6 7 9第2章衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關技術 9 GLONASS(格魯納斯)衛(wèi)星定位系統(tǒng) 9 9 10 10 10“北斗”導航系統(tǒng) 11 11 11 122. 4 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng) 12 GPS系統(tǒng)的組成 13 14 16 172. 6 GPS系統(tǒng)的優(yōu)點 182. 7 GPS通信協(xié)議 18第3章系統(tǒng)總體設計 20 20 20 20 20 22 22 GPS模塊的選取 22 22第4章系統(tǒng)硬件設計 22 22 GPS接收板的設計 23 23 LCD模塊電路設計 254. 2 GPS接收板設計 25 GPS模塊LEA5H介紹 25 27 284. 2. 4電源供電模塊設計 29 RS232串口模塊設計 30 314. 3單片機控制模塊設計 314. 314. C8051 F020單片機的接口電路設計 35 RS232C串口模塊設計 37 RS232C總線標準與電氣特性 37 374. 5 LCD顯示模塊 384. 5. 1 OCM12864介紹 384. 5. 2 LCD顯示模塊與C8051F020單片機硬件接口設計 39 40 PCB抗干擾設計 40 41第5章系統(tǒng)的軟件設計 415. 1系統(tǒng)時鐘初始化 41 1/0口的初始化 42 UARTO的初始化 435. 4 LCD模塊的初始化 45 45 46 LCD模塊的初始化程序[Zs} 47第6章系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論 496. 1系統(tǒng)調(diào)試軟件介紹 496. 2接收板硬件系統(tǒng)調(diào)試 506. 3單片機硬件系統(tǒng)調(diào)試 53第7章結(jié)論 547. 1結(jié)論 54 55致謝 55參考文獻 56附錄 57附錄A管腳分配圖 57附錄A. l GPS LEA5H模塊引腳封裝圖 58附錄B電路原理圖 59 GPS接收板原理圖 60附錄C本文所用到的英文檢索詞 61第1章 緒論 眾所周知，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，以下簡稱GPS)是一種廣泛使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在地球上空分布有24顆衛(wèi)星，用戶通過GPS接收機接收衛(wèi)星信號，就可以實時地獲得高精度的三維位置/速度和時間信息，給車輛、輪船等交通工具的導航定位提供了具體、實時的定位能力。目前許多國家已經(jīng)批量生產(chǎn)各種GPS終端模塊，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)應用已經(jīng)有幾年的歷史，我國的北斗系統(tǒng)也開始進入了應用階段，歐洲的伽利略計劃己經(jīng)啟動。本課題設計正是基于此開展GPS自主定位系統(tǒng)的研究。由于GPS導航定位系統(tǒng)作為一個新興的高新技術產(chǎn)業(yè)，技術含量相當高。發(fā)展我國的導航定位產(chǎn)業(yè)適逢其時，機不可失。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷進步，導航定位相關產(chǎn)品的成本在不斷下降，可以預言，導航與定位系統(tǒng)將向著小型化，智能化，多功能化方向發(fā)展。 GPS即全球定位系統(tǒng)。它是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng){11。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，在地球上任意一點都可以同時觀測到4顆以上衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。它可用于引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線準時到達目的地。從而有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費，從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學水平以及人們的生活質(zhì)量。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，GPS的應用己經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個領域，主要包括大地測量，工程測量，航空攝影‘線路勘測，智能交通等。 目前國外己有兩大衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在運行:一是美國的全球定位系統(tǒng)(GPS ),二是俄羅斯的“格魯納斯”(GLONASS )定位系統(tǒng)。但是這兩個系統(tǒng)都受到美、俄兩國軍方的嚴密控制，其信號的可靠性無法得到保證。為了能在衛(wèi)星導航領域中占有一席之地，因而歐盟決定啟動軍民兩用的與現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)相互兼容的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)計劃一“伽利略”(GALILEO)計劃。該計劃還在實施當中。 我國使用的是“雙星定位系統(tǒng)”，自行研制的第一顆導航定位衛(wèi)星一“北斗導航試驗衛(wèi)星”于2000年10月31日成功發(fā)射。為滿足國內(nèi)衛(wèi)星導航需求，我國自行建立了第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)一雙星導航定位系統(tǒng)(北斗一號)。2000年12月21日我國成功發(fā)射第二顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”，與發(fā)射的第一顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”構(gòu)成了“雙星導航定位系統(tǒng)”。該系統(tǒng)是全天候、全天時提供衛(wèi)星導航信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。該系統(tǒng)將用于交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安及其他領域的導航定位服務。這將標志著我國將擁有自主研發(fā)的第一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。 但是就目前運行情況來看，俄羅斯由于經(jīng)費原因?qū)е略谲壭l(wèi)星數(shù)目不足6顆無法獨立成網(wǎng)，而伽利略和北斗系統(tǒng)正在建立過程中，所以GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)無疑占據(jù)著最大的市場并有著最高的工作穩(wěn)定性。所以在本文所研究的課題中，所用的導航定位系統(tǒng)仍然是美國建立的GPS定位系統(tǒng)。 從上個世紀九十年代開始，各發(fā)達國家都加快了導航定位系統(tǒng)的研制開發(fā)速度。運用現(xiàn)代信息技術、通信技術、定位技術、控制技術，大大提高了人們的出行安全和工作效率，為現(xiàn)代信息社會提供了準確、迅速的出行服務。由于經(jīng)濟發(fā)展的差異，以及GPS等技術都是由國外首先擁有和使用，所以國外在GPS導航定位系統(tǒng)的研究、應用方面都比國內(nèi)早，現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。但是，由于導航定位系統(tǒng)有強烈的本地特色，例如當?shù)氐木W(wǎng)絡狀況和地圖信息的不盡相同，使許多國外導航定位系統(tǒng)產(chǎn)品不能夠簡單的應用于中國。國內(nèi)也有許多公司和機構(gòu)參與導航定位系統(tǒng)的研制，各家正在研制和已推出的系統(tǒng)之間，應該說各有優(yōu)缺點。由于現(xiàn)在可用于系統(tǒng)的技術選擇比較多，每個公司都在根據(jù)自己最熟悉的技術，或依據(jù)自己對市場和現(xiàn)有以及未來技術發(fā)展方向的理解，構(gòu)建自己的系統(tǒng)。我國的GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)研究起步晚，基本上處于對國外研究的比較、學習階段。后PC時代的來臨為我們快速拉近與發(fā)達國家的相關科技距離提供了前所未有的機遇。 隨著社會信息化的日益發(fā)展，GPS的應用己經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個領域，其發(fā)展方向是監(jiān)控跟蹤及導航相結(jié)合，其長遠發(fā)展則是導航、測量、線路勘測、智能交通、通信等。本文提出的導航定位終端設計方案，將終端設計為一個基于單片機C8051F020的簡易導航定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)GPS導航、電子地圖實時定位等功能。雖然與現(xiàn)階段比較成熟的定位導航產(chǎn)品有一定差異，但也算是對定位導航的一種簡單嘗試。本課題的研究意義主要有如下幾個方面: (1)隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的出行越來越頻繁，GPS應用也越來越廣泛，GPS導航定位系統(tǒng)的研制具有很大的實用價值和市場前景，但是從系統(tǒng)的技術水平、產(chǎn)品的質(zhì)量和成熟程度來說，我國還處在往上發(fā)展的時期。目前，城市建設發(fā)展速度越來越快，道路變得也越來越復雜，在這種情況下，找到一種方式，使人們能夠從容的面對錯綜復雜的交通網(wǎng)，已經(jīng)迫在眉睫。利用GPS進行定位是個不錯的選擇。 (2)縱觀國內(nèi)的GPS導航市場，成型的GPS導航定位產(chǎn)品價格各異，少則上千多則上萬，且性能差距較大。昂貴的費用不僅讓眾多消費者望而卻步，而且定位精度的落差時常使得他們怨聲載道。因此研發(fā)一套價格適合中低層用戶且定位精度高的GPS導航系統(tǒng)，具有相當?shù)氖袌銮熬啊Ｒ彩菍Ш蕉ㄎ患夹g運用的一種初步嘗試。 (3) C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP51微控制器內(nèi)核。其內(nèi)部電路包括CIP51微控制器內(nèi)核及RAM, ROM, I/0口、定時/計數(shù)器、ADC, DAC, PCA, SPI和SMBus等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設集成在一個芯片上，構(gòu)成一個完整的片上系統(tǒng)(SOC )。具有與80C51系列單片機相同的指令系統(tǒng)，并且功能更加全面。因此將C8051F020單片機運用于本次設計，也是一種新的嘗試，也加深了對C8051F系列的掌握。 (4)針對導航電子地圖，由于生產(chǎn)廠家各自為陣，電子地圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量也參差不齊，沒有統(tǒng)一的標準。如果利用專業(yè)電子地圖開發(fā)軟件，其開發(fā)成本昂貴。并且隨著我國城市建設和改造步伐加快，城區(qū)道路不斷新建，錯綜復雜的道路時而涌現(xiàn)。因此如何根據(jù)用戶實際需要，開發(fā)出一套價格低廉且適合于用戶工作環(huán)境的導航地圖尤為重要。 GPS定位導航終端中控制器的選擇直接影響到整個系統(tǒng)的性能。目前，定位導航終端一般采用基于嵌入式、單板機或單片機的實現(xiàn)方案?；谇度胧降能囕d定位航終端開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長。單板機開發(fā)成本較高，體積大，一般適用于大型基于單片機的GPS導航裝置的設計監(jiān)控系統(tǒng)。因此，為了開發(fā)成本低、體積小、性能穩(wěn)定的定位導航終端，選擇一種合適的控制器至關重要。如今，高性能、高可靠性、低價位的SOC單片機己經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制領域，使用SOC單片機不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，而且節(jié)約了資源和成本。SOC單片機克服了普通單片機功能單一、資源分配不靈活的缺點，從眾多單片機中脫穎而出。選擇合適CPU內(nèi)核和IP模塊構(gòu)架成具有特定功能的SOC單片機，使得其滿足位導航終端功能所需。本文設計的GPS定位導航終端采用基于SOC技術的單片機C8051F020作為核心控制器，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期。 該課題主要的任務是:以Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051F020芯片作為系統(tǒng)中心控制處理器，結(jié)合部分外圍器件設計出控制、顯示的硬件電路，并通過自制的GPS接收機接收來自GPS定位衛(wèi)星的定位信息。系統(tǒng)通過串口實現(xiàn)和GPS接收機通信，實時提取相關的定位數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度等)并通過自制的電子地圖，由液晶屏顯示用戶位置，實現(xiàn)導航定位的目的。 : (1)研究了目前國內(nèi)外GPS導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、GPS技術，討論了定位導航終端的設計以及先進的SOC單片機技術。 (2)選擇合適的GPS模塊和SOC單片機，構(gòu)建基于SOC技術的定位導航終端，并進行可行性論證。 (3)設計了GPS接收板電路和控制板電路并制作PCB板。焊接元器件做系統(tǒng)調(diào)試。 (4)通過核心控制器C805IF020與GPS接收機進行通信，提取定位數(shù)據(jù)并進行處理和定位顯示，實現(xiàn)定位導航終端的基本功能。 (5)通過實際點的取樣，對道路進行描繪。實現(xiàn)簡單的自制電子地圖顯示。 (6)將基于SOC技術的定位導航終端應用于實際定位導航中，對定位導航終端進行靈敏度和定位精度測試。 論文的第一章為緒論，介紹了論文研究的背景以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和研究意義等內(nèi)容:第二章對GPS全球定位系統(tǒng)各方面作簡單介紹和進行一般性的論述。第三章系統(tǒng)總體設計。第四章提出了系統(tǒng)硬件設計，根據(jù)各模塊功能進行硬件電路芯片的選擇和線路連接。第五章主要簡要介紹系統(tǒng)軟件設計。第六章為系統(tǒng)調(diào)試總結(jié)，闡述了在調(diào)試過程中所遇到的問題及解決方法。第七章總結(jié)，概括了所做的工作及不足，并給出下一步的研究方向。第2章衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關技術 GLONASS(格魯納斯)衛(wèi)星定位系統(tǒng) 該系統(tǒng)是1982年底由前蘇聯(lián)開始建設，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于1996年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Navigation Satellite System GLONASS )。該系統(tǒng)與美國的GPS系統(tǒng)同屬于第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)(3]a .1系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座:全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在三個獨立橢圓軌道的24顆GLONASS衛(wèi)星組成(另加1顆備用衛(wèi)星)，平均每個軌道上分布8顆衛(wèi)星，各軌