毕业设计(论文)基于单片机的GPS定位系统设计.doc
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1、本科毕业设计(论文)题 目 基于单片机的GPS定位 系统设计 姓 名 专 业 学 号 指导教师 信息工程学院二一五年六月目 录摘 要IAbstractII前 言III1 方案的选择与论证11.1 方案选择1 1.1.1 方案一11.1.2 方案二21.1.3 方案论证32系统软件仿真42.1 Proteus软件简介42.1.1 Proteus的工作过程42.1.2 Proteus调试手段42.2 系统的总体仿真52.2.1液晶显示模块62.2.2 GPS模块73 GPS定位系统硬件设计83.1 Keil软件介绍83.2 GPS定位系统硬件设计103.2.1 IAP15W4K58S4单片机103
2、.2.2 按键模块设计103.2.3 按键液晶显示模块103.2.4 GPS模块123.2.5 SERF NEO-6 GPS信号接收模块123.2.6 稳压电路模块134 基于单片机的GPS定位系统的实现144.1 硬件部分的实现144.2 软件的烧录与调试154.3 最终实现的功能16结 论17致 谢18参考文献19附 录一:总体电路原理图20附 录二:实物图21附 录三:源程序22基于单片机的GPS定位系统设计摘 要本设计是基于IAP15W4K58S4单片机来实现的简易全球定位系统。本控制系统主要完成接受数据、时间显示、经度显示、纬度显示等常规功能。此方案基于单片机、全球定位系统模块和16
3、02字符型LCD液晶显示屏等硬件,并应用C语言实现了全球定位系统信号的提取、显示及基本的键盘控制操作等。经过实践测试,这种接收机可以达到基本全球定位系统信息的接收以及显示,可以做到体积小、精度高、连续导航,并可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。本次设计的设计要求是通过全球定位系统模块获得定位信息,主要包括经纬度和时间等,可以根据需要在单片机解析定位数据时选择,同时全球定位系统模块实现定位。单片机通过串口控制全球定位系统模块,获得定位数据,把定位数据存储在单片机中通过液晶显示器进行显示,并由按键实现功能选择。关键词:全球定位系统;IAP15W4K58S单片机;液晶显示器;
4、导航THE DESIGN OF GPS POSITIONING SYSTEM BASED ON MCUAbstractThis design is based on IAP15W4K58S4 microcontroller to achieve a simple global positioning system. This control system mainly completes the routine functions such as receiving data, time display, longitude, latitude and so on. The scheme is
5、 based on the microcontroller, global positioning system module and 1602 character LCD liquid crystal display screen and other hardware, and application of C language realize the global positioning system signal extraction, display and basic keyboard control of operations. By the practical test, the
6、 receiver can achieve basic GPS information receive and display, you can achieve small size, high precision, continuous navigation and widely used in the field of personal wild adventure tourism, taxi positioning and operations at sea.The design of the design requirements is the location information
7、 is obtained by a global positioning system module, mainly including longitude and latitude and time, can according to need to choose in MCU to analyze location data and global positioning system positioning. SCM through the serial control of the global positioning system module, access to positioni
8、ng data, the positioning data stored in the microcontroller through LCD display, and by key to achieve the functional choice.Keywords: GPS; IAP15W4K58S microcontroller; LCD; Navigation前 言1、 课题研究的目的与意义:GPS(Global Position System)是全球定位系统,该系统是美国布设的第二代卫星无线电导航系统。它能为用户提供全球性、全天候、连续、实时、高精度的三维坐标、三向速度和时间信息。其目
9、的是在全球范围内对地面和空中目标进行准确定位和监测具有全天候、高精度的特点,伴随着硬件配置的不断提高,应用领域也在不断的扩展,并逐步深入到了人们的日常生活中。GPS已经在经济、军事、科研和社会生活各领域得到了广泛应用,发挥着重要的作用。GPS最初由美国政府控制使用,是目前世界上最具权威性的导航系统。它由30个(4作为备份星)在轨道上运行的卫星。早期的GPS系统用来限制民用信号的,定位精度约100多米,在2000年的限制取消。目前,GPS的民用信号的定位精度可以提供10多米。 GPS可以在许多领域,如民用航空,车辆调度管理,整个陆地,海洋和空中导航范围内的深海运输,特别是在车辆定位和导航领域中使
10、用,GPS全球卫星定位技术与了广泛的应用。随着应用领域的日益扩大,中国卫星导航仪的市场规模已从2000年的不到10亿元增长到了2009年的120亿元3。据有关统计,全国GPS导航设备普及率达到90%在欧美国家,日本更是超过95%。一个对3G应用与创新的专业观的调查显示,百分之17.79的受访者选择了3G网络视频对话,百分之15.34的受访者选择了GPS和地图搜索,在3G时代的到来,对GPS和电子地图的关注,足以显示其在日常生活中的重要性。此外,消费者和市场的需求也促进了航运业的发展和成熟。2009,中国的民用汽车保有量达到一亿七千万但是装载导航设备的车辆,还不足70万辆。尽管不少汽车厂家对其高
11、端车型在出厂前就安装了导航系统,以低端车型也可选导航其它产品和服务,但价格昂贵,车载导航系统(GPS以150000000美元花冠连线然后安装价格有7000元,所以没几个人)买一辆汽车非常实用导航配置遗弃。按20%个私家车保有量的平均年增长率的估计,导航产品的要求是一个很大的增值。因此,研究和开发必要的GPS是适应大众的要求的5。2、 国内外研究现状:随着应用范围的扩展,GPS等相关产品产品也逐渐成为全球无线通信终端市场重要的产品,就目前国际形式来看,越来越多的汽车导航定位系统还有无线产品的平民化,是GPS产品能够迅速增长的主要原因,根据我国市场公司ABI的报告显示,在2002年,汽车导航定位和
12、无线通信产品的市场比合计为38%,到了2005则增长了15%,市场上的其他产品合起来仅占43%。不论是汽车导航系统或是GPS的通信应用产品,主要区域市场是日本,美国,欧洲和其他三个地区。在车辆导航系统中,例如,由于高度发达的电子地图和消费电子技术,加上智能运输系统的成熟,使得日本成为全球汽车导航系统的渗透和最高的市场价值。在大约6700000美元,日本的销售价值2000的汽车导航系统,占全球市场的77.9%,而欧洲和北美6,分别仅占13.9%和6.9%。随着汽车导航系统的日益普及,在2005年之后,欧洲和北美在汽车导航方面占的分量日益增加,两大阵营在这几年的占用市场比例分别增长至27%和22.
13、5%。美国的通信大商高通公司,专注于通信方面的研究,该公司在1995年成立了一家名为快速跟踪公司的子公司,该公司致力于解决无线通信与GPS融合方案的研究,在国际上在该行业比较有名的还有,瑟夫科技,天宝公司等,但是在这三家公司中,天宝公司的发展不如其他两家公司。在该领域中,主要难题在于,如何让GPS应用于无线通信行业中。现在各大公司的解决方案为,让手机端与系统端结合的混合方式成为无线定位服务的重点,在手机端,用MSM3300芯片将GPS使用的LNA,LCFilter以及GPS One结合在一起,这样手机就具备了接受卫星信号的定位功能,这项科技用的芯片是高通公司和瑟夫公司联合开发研制的,功能十分的
14、强大。但是具备接收卫星信号的功能并不代表具有定位功能,在解决这方面的问题上面,使用快速跟踪公司研制出来的MMASIC芯片来接收GPS信号,能有效的解决GPS信号衰减的问题。在国际上知名的通信厂商如:摩托罗拉,日本NEC,台湾HTC,美国加州仪器公司,都有和该公司合作。现在各大手机厂商以及软件公司都非常看好GPS市场,但当把理论应用到手机上的时候,问题就应允而生,各大厂商遇到的障碍还是非常多的,首先,在GPS的选择方面,一种是在手机上选择内建的GPS芯片,另一种是选择外接的GPS模块,无论选择哪一种,都无可为避免的提高了手机的成本,影响消费者对该品牌手机的购买意向。另外还有一个对手机而言非常中要
15、的性能,手机电量。没有GPS系统的手机耗电量远远低于有GPS的手机,所以解决这方面的问题成为当前各大国际厂商头疼的问题,虽然当前各大国际公司也有提出解决的方案,但是各大运营团队对现有的解决方案还持有怀疑态度,大多都还在观望,多以GPS的市场应用前景的开发空间还十分的广阔10。3、系统具体设计本设计的主要目的是在单片机的理论基础上,选用IAP15W4K58S4单片机来提取GPS模块的接收数据并由液晶显示接收数据。使用NMEA输出命令,结合单片机串行通信知识能实现对GPS接收到的卫星信息进行提取,并在液晶显示平台上选择性的显示数据。(1) GPS模块实现定位;(2) 单片机通过串口控制GPS模块,
16、获得定位数据;(3) 根据需要把定位数据存储在EEPROM或在液晶显示模块进行显示;(4) 键盘实现功能选择;(5) 看门狗电路确保系统的可靠性。1 方案的选择与论证1.1 方案选择1.1.1 方案一GPS使用AT89S54单片机微处理器硬件设计低压AT89S54,美国爱特梅尔公司的高性能CMOS8单片机8KB字节FLASH,芯片的擦写的只读程序存储器(光盘128字节)的随机存取记忆体(RAM的设备,采用ATMEL),高密度非易失性存储技术生产,与标准的指令集单片机兼容,八芯片,通用中央处理器和闪存的(CPU)。外围电路由键盘、看门狗及EEPROM模块、液晶显示模块、GPS模块组成,如图1.1
17、所示。图1.1 硬件电路结构框图系统硬件设计包括如下内容:(1) 键盘模块本设计采用的是44的矩阵式键盘,直接与AT89S54的I/O口进行连接。利用键盘实现数据信息选择性输出的控制。(2) 看门狗及EEPROM模块程序运行时,看门狗需要程序每隔一段时间给它个信号,用以清空它的计数器;如果没有这个信号,计数器溢出,则会给处理器一个复位信号,使处理器强制复位,这样可以避免死机,提高系统的可靠性。此外EEPROM可以存贮GPS接收到的定位数据以便对定位精度及误差进行估算。(3) 液晶显示模块液晶显示模块要实现的功能是显示由单片机输出的定位信息,包括经度、纬度、高度的三维坐标及时间等。可由单片机选择
18、性的显示某一个数据或同时显示几个数据。(4) GPS模块GPS模块是整个设计中最重要的核心模块,该模块的功能是把内部接受到的定位数据通过串行通信的方式传递给单片机,由单片机进而对这些数据进行相应的控制和处理。(5) 电源电路电源电路负责为各模块芯片供电,使各芯片在其工作电压范围内正常工作。方案一的特点(1)键盘模块按键多,功能强大,可以实现多种功能选择。(2)AT89S54内存比较大,方便使用大程序。(3)外置ROM,便于存储数据以及调用。(4)GPS模块板需经过电平转化MAX232才可与单片机通信。并且性价比一般。(5)AT89S54非常用芯片,不易获取。(6)使用外置ROM需要占用至少8个
19、数据口,需要对某个数据进行分时复用。加大了电路复杂性。(7)整个电路硬件多,布局难。1.1.2 方案二GPS模块通过电平转换与LAP单片机进行串行通信,其中GPS传入单片机的为GPRMC格式的语句,需要在单片机中进行解析等操作。将取得的GPS数据发送到单片机中进行处理,通过键盘模块的按键控制,单片机判断后进行操作,将数据存储到内置ROM中,或将已得的经纬度通过液晶显示模块显示,再此期间,LCD1602始终显示当前位置的经纬度,硬件电路结构框图如图1.2所示。图1.2 硬件电路结构框图方案二的特点(1)电路硬件少,结构简单易懂。(2)GPS成本低,性价比高。(3)单片机是当代主流,内存4K足够使
20、用。(4)数据口够用,资源能合理使用。(5)结构比较简单,硬件及软件功能有一定的局限性。(6)GPS模块以及接线不方便携带。1.1.3 方案论证最终选择了方案二,理由共六条。(1)可以满足课题要求,并且其性价比高。(2)课题按键功能的实现不需要键盘模块,只需23个按键即可。(3)LAP单片机内存足够用,不用使用大内存的AT89S54单片机。(4)虽然缺少了外置ROM,但减少了分时复用的麻烦。(5)方案二的I/O口的合理分配。(6)显示部分的器件选择方案二更主流,并且性能好。2系统软件仿真2.1 Proteus软件简介Proteus软件是一种专业的仿真软件,EDA工具软件,它是由英国的Lab C
21、enter Electronics公司研发推出了。此软件不仅具有EDA工具的仿真模拟功能,还能仿真单片机及其外围的设计电路,从原理图的布局设计,源程序代码的调试和外围电路的协作模拟仿真,到一键切换到PCB的设计中,真正实现了从理论设计的概念化,到产品的完整设计与调试。此软件有着非常丰富的元器件库资源,多达27000种的元器件任你选择,创建方便,使用简单。并且还具有智能化的连线功能,支持总线结构,还可以输出高质量的图纸。其应用领域广泛,在教学领域可以进行模拟电路和数字电路的教学与实验,微控制器的综合实验,项目的设计与产品研发,创新设计与毕业设计等。在产品开发领域,是一个从产品概念设计到完整的模拟
22、仿真应用平台,可以预计研发项目的评估,减小开发的风险,便于团队项目的管理与团队的开发合作11。2.1.1 Proteus的工作过程本次设计用到的是proteus8仿真软件,首先打开Proteus仿真软件,在进行仿真之前,设置好界面信息,和布局。当准备工作完成后,在工具栏中选择本次仿真需要的元器件,这是在pick devices窗口下执行的操作,元器件选择完成后把选中的器件放在仿真区域,并把器件爱你的参数以及器件的名字改正,然后进行连线。当仿真图画好之后需要进行仿真实现的时候,需要选择程序的编译工具,扩展名,路径等等。我们把在外部写好的单片机程序加入到本次仿真试验中,在debug菜单对应的命令下
23、仿真电路的运行状况。Proteus软件里面涵盖了数千种元器件,里面的元器件非常的多,通常不会找不到我们所需要的内容,而且里面的元器件的类型更是丰富。2.1.2 Proteus调试手段Proteus软件对电路调试提供了两种方法,这两种方法能很好的解决我们在仿真过程中遇到的问题。(1)总体执行效果的调试方法,首先需要在debug菜单中找到execute选项,或者我们可以选用快捷方式直接按下F12,如果我们想要在运行过成中暂停程序需要shift + break组合键停止系统运行,使用快捷方式的操作可以节省我们调试的时间,运行的方式还有多种,在菜单栏中可以找到。(2)软件的分步调试,应该执行启动调试菜
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