【文章內容簡介】 10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字節(jié)； 128/256/512 字節(jié) 的 RAM； I/O 口，復位后 的 P1/P2/P3/P4 口全都 是準雙向口（相當于 一般的 51 系列單片機的 I/O 口）； ISP/IAP； ； ； MAX810 專用復位電路，外部晶體 12M 以下時，可 以 省 去 外部 的 復位電路， 只要把復位引腳接地即可 ； 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，當需要時我們可以把定時器 0 當成 2 個 8 位定時器使用，這樣就可以擴展為四個定時器； 路外部中斷，分 別由下降沿觸發(fā)和低電平觸發(fā) ； （ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； [2] ： 075℃ /40+85℃ 。 STC90C51 系列單片機的內部結構 STC90C51 系列單片機的內部結構框圖 如下圖所示。 STC90C51 系列單片機中包含 很多種模塊，像中央處理器模塊 ， 程序存儲器模塊 ，數(shù)據存儲器 模塊 ，定時 /計數(shù)器 模塊 ， UART 串口， I/O 接口， EEPROM，看門狗 模塊 等。 這個系統(tǒng) 幾乎包含了數(shù)據采集和控制中所需的所有單元模塊，可 以 稱得上 是 一個 完整的 片上系統(tǒng)。 STC90C51 系列單片機的內部結構框圖如下： 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 8 圖 STC90C51RD+系列內部框圖 STC90C51 系列單片機引腳說明 VCC： 供電電壓。 GND：接地。 P0口 ： P0口 為一個 8位雙向 I/O 口。當 P0口的管腳 輸入 1時，顯示高電平輸入。當 P0口被定義為數(shù)據 /地址的低八位時還可以用于外部程序 /數(shù)據 存儲器 。當我們在用單片機做 FIASH 編程時會輸入源碼，進行校驗時會輸出源碼，這 時 我們就可以從 P0口進行輸入和輸出。如果這樣做的話 P0口外部必須接上拉電阻。 P1口 ： P1口 也 是 一個 8位雙向 I/O 口。 當 P1口 的被輸入 1時 ， 該引腳 會被置為高電平， 此時 P1為信息的 輸入 端 口， 當 P1口被置為 0， 則該引腳被置為 低電平時， 此時成為信息的 輸出端口。在 FLASH 編程和校驗時， P1口 主要是 作為低八位地址 的 接收 端口 。 P2口 ： P2口為 8位雙向 I/O 口，當 給 P2口 輸入 ―1‖時， 該引腳被置為高電平 ，此時它 作為輸入 端口 。當 把 P2口做為 外部 的 程序存儲器 或 數(shù)據 存儲器進行存取的接口時 ， 此時 P2口輸出 的為 地址的高八位 數(shù)據 。 如果對外部的 數(shù)據 存儲器 進天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 9 行讀寫 操作 時， P2口輸出 內容為它的 特殊功能寄存器 中的值 。 當 P2口 用 在 FLASH編程和校驗時 ，他接受到的是數(shù)據 高八位 的 地址信號和 控制信號 。 P3口 ： P3口 也是 雙向 I/O 口，當 P3口 被 寫入 ―1‖后， 該端口被置為 高電平，用 于數(shù)據的 輸入。 P3口 除了上面提到的功能外，還可以 作 為 STC90C51的一些特殊 的 功能 接 口，例如有以下備選功能： （ RXD 口）和 （ TXD 口）相對應，他們可以分別作為串行口的輸入和輸出 （串行輸入口） ； 和 ，他們可以分別作為 /INT0和 /INT1，即 外部中斷 0和 外部中斷 1的接口； 和 ，他們可以分別做為外部 T0和 T1的輸入端口（ T 指的是定時器）； 和 ，他們分別是外部數(shù)據存儲器的讀寫選通接口，其中 /WR表示寫選通， /RD 表示讀選通； P3口 的另外一種功能就是可以 為 閃爍編程和編程校驗接收一些 控制信號 。 RST 為單片機的 復位輸入 引腳 。 ALE/PROG：當訪問外部 存儲器 時， 地址鎖存 對 低 位的地址字節(jié)有效。在用FLASH 進行 編程 的時候，這個引腳為脈沖的輸入引腳。 /PSEN： 外部 程序存儲器 選通信號。在外部程序 存儲器 取地址的時候，每個機器周期 該引腳有效兩 次。 /EA/VPP： 該引腳為低電平時，不管內部是否有程序存儲器，都是外部程序存儲器 （ 低值范圍從 0000H 到 FFFFH）工做。 只有 當該引腳為高電平時，內部程序存儲器 才開始 工做。 XTAL1和 XTAL2可以分別作為 反向振蕩放大器的輸入 和輸出端，其中前者可以作為 內部時鐘工作電路的輸入 端口 。 振蕩器特性 : 我們 可以 把這兩個振蕩器 配置為片內振蕩器。如 果我們 采用外部 時鐘源 驅動器件 的話 ， 我們應該把 XTAL2引腳懸空 。 因為給振蕩器 內部 輸入 時鐘信號 時會通過一個二分頻 的 觸發(fā)器 模塊 ，因此 這個 對外部時鐘信號的脈寬 沒有什么 要求，但 是需要注意的是，我們必須得 保證 輸入信號的 脈沖的高低電平 所 要求的寬度。 時鐘電路設計 時鐘電路 就像整個 單片機 系統(tǒng) 的心臟 部分 ， 由他來 控制整個芯片的工作，CPU就是通過復雜的時序電路完成不同的指令功能。單片機的外部晶振電路如圖： 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 10 圖 外部晶振連接圖 復位電路設計 復位是將單片機做重新初始化的操作。為了使 CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，單片機在啟動運行時，都需要先進行復位操作，以便能有一個統(tǒng)一的工作狀態(tài)，因此復位是一步很重要的操作，但是大多數(shù)的單片機不具備自動復位的功能，雖然在本次畢業(yè)設計中所用到的單片機在晶振頻率為 12M以下時可以直接將復位引腳接地進 行復位，但是這次用到的單片機晶振的頻率為12M，所以不能直接進行復位，所以必須配合相應的外部電路才能實現(xiàn)。單片機的上電自動復位電路如圖 ： 圖 上電自動復位電路 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 11 第二節(jié) GPS 模塊 簡介 GPS 全稱為 Global Positioning System 全球定位系統(tǒng)，他由空間部分，地面控制部分和用戶設備部分三部分組成。 GPS 的空間部分是由均勻分布在 6 個軌道面上距離地球表面兩萬多米的 24 顆衛(wèi)星組成。除此之外，在軌道上運行的還有另外四顆作為備份的衛(wèi)星。這 24顆衛(wèi)星分布均 勻，無論何時都可以保證在全球的各個角落觀測到 4 顆以上的衛(wèi)星，以便能夠隨時保持良好的定位服務。這就保證了隨時隨地的進行連續(xù)的全球定位導航工作。 GPS 向地面發(fā)射兩組電碼， P 碼 (Precise Code 10123MHz）和 C/ A 碼 ( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)。 P 碼頻率較高，因此有很強的抗干擾能力和準確的定位精度，但是它受到了美國軍方的管制。由于被設定了密碼，民間無法解讀，所以它主要為美國的軍方服務。 C/ A 碼則不同， C/A 碼為了開放給民間使用被人為的采取措施降 低了精度。 地面控制部分由三部分組成，他們分別是主控站，全球監(jiān)測站和地面控制站。主控制站位于美國科羅拉多州，主要任務是負責收集由衛(wèi)星傳回之訊息。監(jiān)測站裝配有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。它們將從衛(wèi)星接收到的觀測數(shù)據（包括電離層和氣象數(shù)據）經過初步處理后傳送到主控站。主控站再從各監(jiān)測站收集數(shù)據，根據這些數(shù)據計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù)，然后將結果送給地面控制站。當衛(wèi)星運行至地面控制站上方時，控制站將這些導航數(shù)據信息及主控站指令發(fā)送給衛(wèi)星。這種工作每天對每個衛(wèi)星執(zhí)行一次， 并在衛(wèi)星離開主控站作用范 圍之前進行最后的信息注入。假如某一地面控制站發(fā)生了故障，那么在衛(wèi)星中預存的導 航信息還是可以使用一段時間的，但是隨著時間的增長，衛(wèi)星的導航精度也會逐漸的降低。 所謂的用戶設備部分其實就是 一種信號 接收 設備（即 GPS 信號接收機） 。它的主要功能就是可以捕獲到衛(wèi)星，并追蹤這些衛(wèi)星 在宇宙空間中的 運行。當它接收到被他 追 蹤的 GPS 通訊 衛(wèi)星所發(fā)射出的信號之后，就可以測量 并計算 出接收天線至 通訊 衛(wèi)星 之間 的偽距離和距離的變化率， [3]通過這些數(shù)據來解 調出 通訊 衛(wèi)星 運行的 軌道參數(shù)等有效數(shù)據。將接收到的這些數(shù)據輸入到 該設備 中的微處理計算 機中，根據定位解析算法進行定位計算，就可以計算出用戶所在地理位置的經度、緯度、高度、海拔、時間、速度等 各種我們需要得到的 信息。完整的 GPS用戶設備是由硬件部分、軟件部分和 GPS 數(shù)據處理后的軟件包構成的。 GPS 接收機又由天線部分和接收部分組成。接收機一般采用雙電源進行供電，即機內和機外電源。機內電源的作用在于當你在更換外電源時不至于中斷接收機對衛(wèi)星的連續(xù)觀測。在用機外電源時，機外電源會給機內電池進行充電。關機后，機內天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 12 電池也會繼續(xù)為 RAM 存儲器供電來防止存儲在 RAM 存儲器中的數(shù)據丟失。目前各種類型的接受機體 積被做的越來越小，重量也越來越輕，越來越便于用在野外觀測中。 GPS 接收機的性能與結構 GPS 衛(wèi)星全部都采用展頻技術來向地面發(fā)射信號，兩個載頻發(fā)射 (L 1 波長為 19 cm，頻率 f 1= 15410. 23MHz； L 2 波長為 24 cm，頻率 f 2= 120)的信號傳輸速率為 50 Hz，調制方式為二相鍵控 (BPSK)調制，且信號被調制在偽隨機碼上。 GPS 的偽隨機碼分為 P 碼、 C/A 碼和 Y 碼三種： ① P 碼稱為精碼，一般用在精密定位服務上。它的周期長為 7 d，碼頻率為，既然可以稱為精碼，因此無論是定位還是時間速度等都有很高的精度。它的時間精度已經超越了納秒的水平為 100 ps，定位精度為 16m，速度精度也達到了 m/s。 ② C/A 碼被稱為粗碼，也可以稱他為標準定位服務碼。它具有周期短頻率低等優(yōu)點，他的周期僅為 1 m s；碼的頻率也僅有 ，它的一個周期中有1023 個碼位。由于它的搜捕時間很短，所以特別適合用于快速提供精度不高的定位信息。定位精度為 40m。 ③ Y 碼和 P 碼相類似，都屬于精密定位服務碼。但是它的編碼比 P 碼復雜得多。 GPS 最開始的 用處就是用在美國軍方的軍事活動，軍事科研等方面，雖然后來對民間開放，但是美國軍方對 GPS 的使用范圍進行了一些控制，只有 C/A 碼和廣播星歷向全球開放。雖然美國對 GPS 的 C/A 碼做了開放，但又不是絕對的開放，他們對 C/A 碼又采用了 SA 方式，限制了 C/A 碼的精度，使得水平定位的精度變?yōu)橐话倜椎母怕蕿榘俜种攀?。美國?GPS 系統(tǒng)中采用的 SA 措施，對用戶是個很大的限制，為了針對這種限制，使這種限制降到最低，又發(fā)展了稱為 DGPS 的差分 GPS 技術。由于采用差分編碼技術，使得測量的定位精度得到了極大的提 高，因此在大地的實際測量中獲得了非常廣泛的應用。 GPS 定位的基本原理實際上 是 比較簡單 的 。由于每個地方都能監(jiān)測到四顆衛(wèi)星，這 4 顆衛(wèi)星同時向 GPS 接收機發(fā)射時鐘信號，我們將它取名為 D t， GPS接收機將收到的時鐘信號與自身的標準時鐘進行對比，就可以得出時鐘偏差，這就是衛(wèi)星信號傳播所需要的時間， 我們 將它乘以 3*108m/s， 就可以計算出衛(wèi)星信號傳播的距離。于是我們得到這樣的一個簡單的多元方程組： (A i U a ) L + (Bi U b )L + (C i U c )L = (R i Cb)L 這里 A i、 B i、 Ci 分別代表四顆衛(wèi)星的位置參數(shù)，由 GPS 衛(wèi)星以 50 Hz 的速率向全球不間斷廣播。 U a、 U b、 U c 為接收機的位置。 R i 即為傳播距離： R i= cD ti。 Cb 為用戶的標準時鐘偏差參數(shù)。于是得到含有四個未知數(shù) U a、 U b、 U c、 Cb 的四個方程。一般來說這樣的方程都有天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 13 唯一的解，由此我們就可以得到準確的位置參數(shù)信息。作為 GPS 用戶部分的主要部件 —GPS 接收機，主要是用來接收和處理來自 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的位置信息。它 主要由主機天線、運算單元、輸出通道等三個 大 部分 構 成 。主機的核心是低噪放大器、信道電路、中央處理器、存儲器 等模塊 ； [4]我們可以借助 軟件將衛(wèi)星信息 進行 接收、采集、放大、識別、存儲、處理 等操作以便能夠 輸出有用的定位信息、速度信息和時間信息。 在本次畢業(yè)設計中使用的 GPS 模塊采用瑞士 UBLOX 公司的 NEO5Q 主芯片，此芯片為多功能獨立型 GPS 模塊，它以 ROM 為基礎架構，具有成本低，體積小等眾多優(yōu)點。在接收端采用 UBLOX 公司最新的 KickStart 微弱信號攫取技術 [5]，無論天線尺寸多大，設備所處的位置如何，只要可以接收到 GPS 信號，都可以確保采用此模 塊的設備能夠有最佳的初始定位性能并進行快速定位。 信號的數(shù)據解析 GPS 上電后，每隔一定的時間就會返回一定格式的數(shù)據，數(shù)據格式為： $信息類型， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x 每行開頭的字符都必須是 ?$‘，緊接著是信息類型，最后面的部分是數(shù)據，每個數(shù)據以逗號分