基于51單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔崴

摘要：GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。由于GPS技術(shù)具有全天候，高精度和自動(dòng)測(cè)量功能，作為先進(jìn)的測(cè)量工具和新的生產(chǎn)力，已被納入國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)，國防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52為核心，采用GPS模塊（SiRF Star III），LCD1602液晶顯示屏等芯片，利用GPS模塊與單片機(jī)串口通訊原理，實(shí)現(xiàn)了GPS信息的提取、顯示。本設(shè)計(jì)精確度高，體積小，可連續(xù)導(dǎo)航，可用于自駕車出游，出租車定位等領(lǐng)域。

1.引言

GPS是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）的簡(jiǎn)稱，它是一種基于衛(wèi)星形式的定位系統(tǒng)，其目的是獲取目標(biāo)位置的地理坐標(biāo)信息、時(shí)間信息以實(shí)現(xiàn)最終的位置鎖定。如今它廣泛用于現(xiàn)代測(cè)量以及建筑建設(shè)，也更多的用于民間，且范圍越來越廣，作用越來越大。

GPS技術(shù)已遍布各行各業(yè)的方方面面，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有各式各樣由GPS接收模塊所研發(fā)的定位產(chǎn)品，如車載導(dǎo)航儀、帶GPS功能的手機(jī)平板等。本次設(shè)計(jì)針對(duì)廣大普通用戶，切合他們實(shí)際需求，運(yùn)用單片機(jī)的基本原理和GPS的理論知識(shí)，選擇合適的GPS接收模塊，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)既實(shí)用又價(jià)廉的定位系統(tǒng)。

2.SiRF Star Ⅲ GPS信號(hào)接收模塊

SiRF Star Ⅲ是完全獨(dú)立的GPS接收器，這一芯片通過采用20萬次/頻率的相關(guān)器提高了靈敏度，可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。它使用了全新的SiRFstar TM III GPS架構(gòu)GSC3F（高性能GPS單芯片），GPS集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），ARM7-TDMI CPU，4Mbit的FLASH存儲(chǔ)器，低噪聲放大器和SAW濾波器，TCXO，復(fù)位和調(diào)節(jié)器等，且具有內(nèi)置備用電池，GPS接收機(jī)貼片天線，可選擇的內(nèi)部/外部射頻連接器。尺寸參數(shù)如下：

貼片天線尺寸：35（寬）mm×35（厚）mm×3（高）mm；

尺寸：39.0（寬）毫米×35.5（厚）mm×8.0（高）mm；

重量：21.5克。

GPS接收模塊中RX為信號(hào)輸入端，TX為信號(hào)輸出端，接口電路如圖1

3.系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)主要完成了GPS信號(hào)的接收與處理、數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。在硬件上有SiRF Star Ⅲ GPS接收處理模塊和LCD1602液晶顯示模塊，并且還需要中央處理器來將各個(gè)部分連接起來。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，價(jià)格比較低，功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單，其中又以51單片機(jī)最合適，所以選著STC89C52作為核心單片機(jī)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

考慮到成本及操作難度等，8位單片機(jī)更簡(jiǎn)單，成本也更低，所以采用低電壓，高性能CMOS 8 位單片機(jī)STC89C52作為主控制器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[4]。它有4個(gè)8位I/O口、一個(gè)雙工串口、兩個(gè)16位的計(jì)/定數(shù)器、五個(gè)中斷源；擁有的全雙工異步通信接口，可以與外部接口直接進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出。

LCD1602叫做1602字符型液晶屏，它被用來顯示數(shù)字、字母、符號(hào)。它是一種點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。它由若干個(gè)5x11或者5x7點(diǎn)陣字符組成，字符間有間隔，一個(gè)字符位只能顯示一個(gè)字符，故他并不能用來顯示圖形。在本設(shè)計(jì)中，由于LCD1602顯示內(nèi)容有限，單次只能顯示兩行內(nèi)容，且本系統(tǒng)需要得到日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔、速度共計(jì)3組數(shù)據(jù)，故需要LCD1602用三次來顯示，而這三次顯示的切換就需要用按鍵來實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)按下鍵盤依次切換下一組信息顯示，共計(jì)三組重復(fù)切換。系統(tǒng)的硬件電路如圖3.

5.軟件設(shè)計(jì)

1）NMEA-0183數(shù)據(jù)格式

此協(xié)議是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)。得益于這種格式的廣泛使用，GPS接收模塊的通用化程度越來越高。

NMEA-0183數(shù)據(jù)格式采用ASCII字符編碼形式輸出，其中包括有經(jīng)度緯度、速度、日期、時(shí)間、速度、海拔、方向以及衛(wèi)星狀況等信息。其中串行通信時(shí)的默認(rèn)參數(shù)為：數(shù)據(jù)位=8bit，開始位=1bit，停止位=1bit，無奇偶校驗(yàn)，波特率=9600bps。

幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh

1. “$”：幀命令起始位；

2. aaccc：地址域，后三位為語句名，前兩位為識(shí)別符；

3. ddd…ddd：數(shù)據(jù)；

4. “*”：校驗(yàn)和前綴；

5. hh：校驗(yàn)和（check sum），*與$之間所有字符的ASCII碼的校驗(yàn)和（各字節(jié)做異或運(yùn)算，得到校驗(yàn)和后，再轉(zhuǎn)換16進(jìn)制格式的ASCII字符。）

6. ：CR（Carriage Return）+ LF（Line Feed）幀結(jié)束，回車和換行。

2）系統(tǒng)軟件主要由初始化模塊和數(shù)據(jù)接收處理模塊流程圖

初始化模塊是在完成上電后對(duì)單片機(jī)、LCD以及GPS模塊的一個(gè)初始化操作。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行波特率設(shè)置，串口工作模式設(shè)置以及中斷模式的設(shè)置，完成單片機(jī)與GPS模塊的串口通信。另外初始化也包括對(duì)LCD顯示屏的開機(jī)畫面和顯示模式設(shè)置。

數(shù)據(jù)接收模塊主要職能是對(duì)GPS模塊所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過單片機(jī)串口接收到GPS模塊傳過來的信息后，判斷是否為起始位”$”，再接收后續(xù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后根據(jù)每位數(shù)據(jù)所代表的信息進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行ASCII碼處理，以便進(jìn)行顯示。判斷若整個(gè)數(shù)據(jù)接收正確則接受，否則放棄接收。在本次設(shè)計(jì)中主要提取這些內(nèi)容：日期、時(shí)間、經(jīng)度緯度、海拔高程、速度。需要注意的是GPS所提供的是國際標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間，與北京時(shí)間相差8小時(shí)，所以在時(shí)間處理上應(yīng)在UTC時(shí)間上加上8小時(shí)進(jìn)行修正。系統(tǒng)工作時(shí)，GPS模塊不斷接收到新的GPS信息，單片機(jī)也不斷刷新串口數(shù)據(jù)接收，最后通過單片機(jī)送至顯示器進(jìn)行顯示。

數(shù)據(jù)接收處理程序流程圖如下面圖4所示。

5.系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

1）系統(tǒng)調(diào)試 接線完成后用萬用表對(duì)每個(gè)接點(diǎn)進(jìn)行檢查，看接線是否有短路或斷路，同時(shí)還要對(duì)每個(gè)器件的引腳進(jìn)行檢測(cè)，看是否有短路的情況，若發(fā)現(xiàn)及時(shí)更改。完成硬件調(diào)試。

在將程序編寫完成后，先使用Keil uVision5檢測(cè)程序是否有語法編譯的錯(cuò)誤，將這些語法錯(cuò)誤改正過來。調(diào)試過程中，從每一個(gè)小的單元到一個(gè)模塊的程序逐步檢查。單獨(dú)檢測(cè)LCD12864液晶顯示屏的顯示以及初始化程序，看顯示屏上有無數(shù)據(jù)顯示。在LCD12864正常情況下，檢測(cè)GPS VK2828U7G5LF模塊，在確定檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，把它連接到單片機(jī)，看顯示屏上是否有數(shù)據(jù)。每個(gè)模塊都確定無誤且滿足預(yù)定功能后，就可以將程序連起來，生成“.hex”文件備用。

2）測(cè)試結(jié)果

將接受裝置放于樓頂開放的環(huán)境以接收信號(hào)，啟動(dòng)GPS接收系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試，液晶顯示的結(jié)果如下圖，顯示信息緯度為：29度33分87秒，經(jīng)度103度43分55秒，海拔為351.3米，由于測(cè)試時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，故當(dāng)時(shí)速度為0。

6.結(jié)束語

本系統(tǒng)是自行設(shè)計(jì)開發(fā)的一種便捷GPS定位系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，定位精度較好。本系統(tǒng)能夠滿足日常使用，且具有小巧輕便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。