毕业设计论文51单片机GPS信息显示系统研究.doc

题 目：51单片机GPS信息显示系统研究院 系： 西南交通大学网络教育学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 指导教师： 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电气工程及其自动化 年级 2006-4 学 号 06931293 姓 名 学习中心 广州学习中心 指导教师 题目 51单片机GPS信息显示系统研究 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 毕 业 设 计 任 务 书班 级 电气工程及其自动化06-4 学生姓名 学 号 06931293 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日题 目 51单片机GPS信息显示系统研究 题目类型：工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发一、 设计任务及要求 1、根据实际情况进行系统的需求分析和方案设计。 2、51单片机GPS信息显示系统实现经度、纬度、日期、时间等信息显示。 3、软件开发采用Keil uVision3开发工具，电路开发采用Protel 99。 4、单片机采用AT89S52。 二、 应完成的硬件或软件实验 1、在Protel 99设计开发的51单片机电路板上进行系统测试 。 三、 应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等）毕业设计、毕业论文、电路设计图、含毕业设计论文、源代码和电路设计图的光盘 四、 指导教师提供的设计资料 1、电子稿件和电子图书 2、谭浩强编著 C程序设计 五、 要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域） 1、NMEA-0183协议标准 2、LCD1602液晶模块驱动及资料 3、Protel 99、Keil uVision3开发工具资料 六、 设计进度安排第一部分熟练课题，收集、整理课题相关资料 （ 1 周）第二部分系统需求分析与总体设计 （ 1 周）第三部分熟悉系统实现平台：熟练掌握Protel99 和Keil uVision3 （ 2 周）第四部分 电路设计、程序编码、测试 （ 3 周）第五部分 毕业设计论文文档编写整理 （ 2 周）评阅及答辩 （ 1 周） 指导教师： 年 月 日学院审查意见：审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本设计是本人独立完成；二、 本设计没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。承诺人（钢笔填写）：年月日目 录摘 要I第1章 前 言21.1 课题的来源和目的21.1.1 定位和导航业务需求发展的趋势21.1.2 卫星定位和导航的作用51.2 开发系统及工具的选择61.2.1 51单片机简介61.2.2 Protel 99开发工具介绍71.2.3 Keil uVision37第2章 系统设计82.1 功能设计82.2 电路设计82.3 程序设计92.3.1 LCD1602液晶屏驱动功能92.3.1 系统初始化功能92.3.1 串口接收中断功能92.3.1 系统程序显示主程序功能9第3章 系统实现103.1 LCD1602液晶屏驱动模块实现103.1.1 接口参数定义实现103.1.2 清屏功能函数实现113.1.3 显示字符功能函数实现123.1.4 显示字符串功能函数实现123.1.5 液晶屏初始化功能函数实现133.2 主程序功能实现143.2.1 GPS信息显示功能函数153.2.2 串口中断信息接收功能函数16第4章 系统编译184.1 程序编译184.1.1 创建工程184.1.2 选择单片机型号184.1.3 创建主程序及LCD1602驱动进行代码写194.1.4 编译程序194.1.5 编译结果214.2 仿真测试214.2 实验测试22结 束 语23致 谢25参考文献26附 录27 西南交通大学网络教育毕业设计（论文） I摘 要目前GPS全球定位系统越来越受到人们的重视，利用GPS进行定位和导航已经和社会生产和人们日常生活密不可分。为此，作者对GPS定位信息的显示进行了研究，并采用51单片机及LCD液晶模块对GSP模块输出的相关信息进行解码和显示。本系统主要讨论如何将GPS模块输出的定位信息在LCD液晶模块上显示的方法，并加以实现。系统能将GPS模块输出的标准定位信息显示在LCD液晶模块上，方便用户查看。本系统在设计时，考虑到系统的便携、简单、可靠等要求，硬件采用了业界成熟可靠并大规模使用的51单片机及LCD1602液晶模块，软件采用了Keil C51 V8.08开发工具。系统能实现经度、纬度、日期、时间等信息的显示。关键词：GPS；51单片机；Protel 99；Keil uVision3西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第 24 页第1章 前 言本文介绍51单片机GPS信息显示系统的实现方式，系统的主要特点如下：1、 系统简单、可靠，实现了GPS经度、纬度、日期、时间等信息的显示。2、 系统小巧，能耗低，便于携带。充分利用了51单片机能耗低、实现简单的特点。1.1 课题的来源和目的1.1.1 定位和导航业务需求发展的趋势自古以来，人类从没有停止过空间定位和导航的研究。最古老、最简单的导航方法是星历法，人类通过观察观察星座的位置变化来确定自己的方位；最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着；最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明、发现了许多新的定位方法。开始海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置（Dead reckoning）；随后人们又发明了惯性导航技术（Inertial Navigation），即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。至此，人类的探索并没有停滞不前，二十世纪电磁场理论和电子技术的蓬勃发展为新型导航技术的形成提供了坚实的理论基础和技术基础。更重要的是用新思想和新理论武装起来的人类更富于想象力了，人类的思维从被动地利用宇宙中现存的参照物（如星体）扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。由此地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）诞生了，这一系统的问世标志着人类从此进入了电子导航时代。地基电子导航系统主要由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。这一技术在二战中已经被使用，战后发展很快，目前大约有100种不同类型的地基电子导航系统正在运行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它们的导航原理相似，只是所用的电波波段和适用地域不同而已。由于地基导航系统的无线电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定海平面上和地平面上运动物体的水平位置，即只能进行二维定位，这是地基电子导航系统本身固有的缺陷。为了对空间飞行器（如飞机、宇宙飞船、导弹等）进行精密导航，需要确定飞行器的三维位置（水平位置和高度）。显然地基电子导航系统不能满足这种需要，于是人类就设想是否可以将无线电发射参考站建立在空中。1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发展跨入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶段。它使人类将无线电发射参考站建立在空中的设想成为现实，由此空基电子导航系统（Space-based Radionavigation System）应运而生。空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System NNSS）和前苏联的 CICADA卫星导航系统。NNSS系统中卫星的轨道都通过地极，故也称"子午仪（Transit）卫星系统"。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（56颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。在美国子午卫星系统的诱逼下，前苏联海军也于 1965 年开始建立一个卫星导航系统，称之为 CICADA ，该系统由 12 颗卫星组成。它与 NNSS 相似，同属于第一代卫星导航系统。1995 年 3 月 7 日，俄罗斯联邦政府宣布解密，供民间使用。第一代卫星定位系统的定位精度一般在 0.5m 左右。并且第一代卫星定位系统存在严重的局限性：1 ）卫星少，不能实时定位。2 ）轨道低，难以精密定位。3）频率低，难以补偿电离层效应的影响。为了突破导航卫星系统应用的局限性，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，第二代导航系统便应运而生，主要包括美国GPS卫星定位系统、俄罗斯GlonaSS卫星定位系统、欧洲伽利略NAVSAT卫星系统和中国“北斗一号”系统。卫星定位技术也随之发展到一个辉煌的历史阶段，展现了极其广阔的应用前景。为了克服子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。起初的GPS方案由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120°的三个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到69颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（DS-SS），整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA）。为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制；1978年由于美国政府压缩国防预算，减少了对GPS的拨款，GPS联合办公室就将初始方案修改为第二方案。在第二方案中系统的卫星数由24颗减少到18颗，并调整了卫星的布局，18颗卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观测到至少4颗卫星。但实验发现这样的卫星配置可靠性不高，另外由于在海湾战争中GPS发挥了巨大的作用，因此在1990年对第二方案进行了修改，最终方案是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。全球卫星导航系统(GLONASS)由苏联于20世纪70年代开始建设，并于1993年启用。该系统由24颗卫星组成，主要应用于军事领域。与美国的GPS系统相比，GLONASS系统采用了不同的轨道和信号频率，更注重对高纬度地区的覆盖，而且具有较强的抗干扰能力。前苏联解体后，继承了GLONASS系统的俄罗斯一度因为经济困难而无法为到寿失效的卫星发射替代卫星，使系统的在轨卫星数量急剧下降，严重影响了其使用效能。GlonaSS 空间部分包括由二十四颗卫星组成的星座（其中 3 颗为活动的备用卫星）。卫星高度为 19100 公里，运行周期 11 小时15分。卫星分布在三个等间距的椭圆形轨道面上，轨道倾角为 64.8 度，轨道面夹角为 120 度；每条轨道上分布八颗卫星，地迹重复周期为 8 天。卫星设计受命为 15 年。欧洲伽利略NAVSAT卫星系统空间部分包括由十八颗卫星组成的星座，其中6颗为地球同步卫星，12颗为高轨道椭球卫星，分布在互相对称的6个轨道上。卫星高度为20178公里，运行周期11小时58分。轨道倾角为63.45度。中国的“北斗”全球卫星导航系统的空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，可提供开放服务和授权服务两种服务方式。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。按照计划，中国将在2007年初发射两颗静止轨道导航卫星，2008年末发射首颗非静止轨道卫星，逐步将服务区域从中国及周边地区扩展到全球。“北斗”全球卫星导航系统建成后，中国军队也将拥有自主的全球卫星导航手段，车辆、单兵、舰船乃至高速移动的飞机和导弹都可以应用。可以预见，“北斗”将成为一个具有重大战略意义的兵力倍增器。1.1.2 卫星定位和导航的作用由于卫星定位系统在军事上的战略意义，各国都在建立自己的卫星定位系统。如前面提到的美国GPS卫星定位系统、俄罗斯GlonaSS卫星定位系统、欧洲伽利略NAVSAT卫星系统和中国“北斗一号”系统。同时，卫星定位系统在民用也取得了巨大的市场，人们在日常生产生活中已离不开卫星定位系统。1、对舰船而言，它能在海上协同作战，海洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。2、对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。3、在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。4、在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。总之，技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）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，仅受人类想象力的制约"。1.2 开发系统及工具的选择1.2.1 51单片机简介单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微型计算机系统的含义。中文“单片机”的称呼由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来。单片机的内部结构如图1-1所示。图1-1单片机内部结构单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。所以，单片机是典型的嵌人式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择。MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。 其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。本文中选用的AT89S52单片机是AT89S51单片机的升级版本，具有更好的性能。1.2.2 Protel 99开发工具介绍Protel 99是Protel Technology公司开发的产品，它是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统，具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计管理手段，它为用户提供了极其丰富的原理图元件库、PCB元件库以及出色的在线库编辑和库管理，良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。Protel 99还支持Windows平台上的所有输出外设，提供高分辨率的光绘文件，使用户可以轻松地控制电子线路设计的全过程。Protel 99有以下特点：1、 原理图设计系统特点：分层次组织的设计环境、强大的元件及元件库的组强功能、方便易用的连线工具、强大的编辑功能、设计检验功能、与印制电路板设计系统紧密连接、自定义原理图模板、高质量的输出。2、 印制电路板设计系统：丰富的设计法则、易用的编辑环境、轻松的交互性手动布线、简便的封闭形式的编辑及组织、高智能的基于形状的自动布线功能、设计检验功能。1.2.3 Keil uVision3Keil uVision3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，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。Keil uVision3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。编译后生成的汇编代码效率非常高，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。第2章 系统设计2.1 功能设计系统主要实现根据对GPS模块输出的NMEA-0183协议标准语句进行解码，得到当前位置经度、纬度、日期、时间、速度等信息，并在LCD1602液晶上显示。2.2 电路设计电路的设计需要根据GPS模块的相关资料、LCD1602液晶的技术手册结合AT89S52单片机技术资料进行设计。GPS模块的输出是串口输出，将GPS输出与AT89S52 P3.0相连，LCD1602液晶DB0-DB7与AT89S52 P2.7-P2.0相连，LCD1602液晶RS、RW、E分析与AT89S52 P1.2、P1.1、P1.0相联，AT89S52 晶振选用11.0592MHz,电源输入电压为5V。电路图为图2-1。图2-1 GPS C51单片机解码电路2.3 程序设计2.3.1LCD1602液晶屏驱动功能将LCD1602液晶屏驱动部分作为一个独立的函数模块单独编写，使用程序的编写更注意功能的实现，而不用过多的考虑LCD1602驱动的问题，只需调用相关函数即可。提高了编程效率。2.3.1系统初始化功能系统上电时对相关硬件及参数进行初始化，使用系统进入工作状态。2.3.1串口接收中断功能系统可根据串口的输入，调用中断对串口的数据进行接收和处理。2.3.1系统程序显示主程序功能主程序可将串口接收到的GPS数据显示在LCD1602液晶屏上。并可根据换屏键切换显示不同的内容。第3章 系统实现3.1 LCD1602液晶屏驱动模块实现驱动模块将LCD1602液晶屏硬件相关功能的实现封装起来，对外提供统一的接口函数。模块实现的功能见下图3-1，有接口参数定义、清屏函数、显示字符函数、显示字符串函数、液晶屏初始化函数。图3-1 液晶屏驱动模块功能3.1.1 接口参数定义实现在程序中实现接口参数定义，使用LCD1602驱动程序有很好的兼容性。51单片机有P0、P1、P2、P3四个接口，当硬件电路因为需要而改变接口时，我们只需要对接口参数进行一些修改，而不须要对程序进行修改。这样在系统设计中，就极大减轻了程序修改工作量。接口参数定义代码：sbit LCD_DB0= P27;sbit LCD_DB1= P26;sbit LCD_DB2= P25;sbit LCD_DB3= P24;sbit LCD_DB4= P23;sbit LCD_DB5= P22;sbit LCD_DB6= P21;sbit LCD_DB7= P20;sbit LCD1602_RS=P12;sbit LCD1602_RW=P11; sbit LCD1602_EN=P10;3.1.2 清屏功能函数实现清屏功能函数可将液晶屏上的所有显示清空。并且实现了4位数据线显示和8位数据线显示的兼容。程序代码实现：LCD1602_RS=0; LCD1602_RW=0;LCD1602_EN=0;switch(BitWidth) case 4:LCDIO=(command & 0xf0); /取高4位break; case 8:LCDIO=command; break;SET_LCD(LCDIO);LCD1602_EN=1;lcddelay();LCD1602_EN=0;if (BitWidth=4)LCDIO=(command & 0x0f)<<4;/取低4位SET_LCD(LCDIO);LCD1602_EN=1;lcddelay();LCD1602_EN=0;3.1.3 显示字符功能函数实现显示字符功能函数可以根据需要在液晶屏的指定位置上显示单个字符。实现流程如下图3-2：图3-2 显示字符功能函数流程3.1.4 显示字符串功能函数实现显示字符串功能函数可以根据需要在指定位置显示需要显示的字符串。实现流程如下图3-3：图3-3显示字符串功能函数流程3.1.5 液晶屏初始化功能函数实现液晶屏初始化功能函数实现程序上电时，对液晶屏的显示进行初始化工作，让液晶屏进入显示准备状态。程序代码实现如下：BitWidth=bw;switch(BitWidth) case 4:LCD_en_command(0x33);/delayms(20);LCD_en_command(0x32);/delayms(20);break; case 8:LCD_en_command(0x38);/delayms(20);LCD_en_command(0x38);/delayms(20);break;LCD_en_command(0x08);/0x08 令显示器off delayms(5);LCD_en_command(0x01);/0x01 清屏清屏指令delayms(5);LCD_en_command(0x06);/0x06 光标模式设置进入模式设置指令 写入数据后光标右移delayms(5);LCD_en_command(0x0c);/0x0c 显示开 令光标,0x0c=不显示,0x0d=显示闪动delayms(5);3.2 主程序功能实现主程序主要功能见下图3-4，有接口参数定义、系统初始化函数、GPS信息显示函数、串口中断信息接收函数。图3-4 主程序功能函数3.2.1 GPS信息显示功能函数 GPS信息显示功能函数实现将接收到的GPS信息显示在液晶屏上。流程实现如下图3-5：图3-5 GPS信息显示流程3.2.2 串口中断信息接收功能函数 串口中断信息接收功能函数实现将GPS模块送来的信号根据类型进行分类处理，并存入相关变量，供GPS信息显示功能函数使用。流程实现如下图3-6：图3-6串口中断信息接收流程第4章 系统编译4.1 程序编译4.1.1 创建工程运行Keil uVision3创建工程，见图4-1图4-1 创建新工程4.1.2 选择单片机型号根据所用单片机选择单片机型号，见图4-2图4-2 选择单片机型号4.1.3 创建主程序及LCD1602驱动进行代码写进行代码编写工作，见下图4-3图4-3 程序代码编写4.1.4 编译程序设置创建HEX文件，见下图4-4图4-4 设置创建HEX文件参数编译程序，见下图4-5图4-5 编译程序4.1.5 编译结果编译后生成的GPSC51.hex文件，见下图4-6图4-6 编译结果4.2 仿真测试将编译生成的GPSC51.hex用编程器写进AT89S52单片机，用串口调试程序进行仿真测试，程序如下图4-7。仿真测试结果正常。图4-7 串口调试程序4.2 实验测试我们将采用Motorola芯片制做的GPS TU30模块的输出信息经过TTL电平转换输入到系统单片机串口输入P3.0脚，在三颗以上卫星定位的情况下，取得良好的实验结果。结 束 语本系统使用Protel 99进行电路设计和开发，使用Keil uVision3进行程序编写编译,实现了一个应用于数字电路技术的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，功能易于扩充和更新，有良好的易维护性。