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1、廊坊师范学院成人教育 本科毕业论文（设计） 题 目：基于单片机GPS导航设计及LCD实时显示学生姓名：韩晔学 号：2013106005指导教师：甄景涛院别（函授站）：继续教育学院专 业：电子信息科学与技术年 级： 2013级完成日期 2015年5月 30 日廊坊师范学院本科生毕业论文论文题目：基于单片机GPS导航设计及LCD实时显示论文摘要：GPS导航广泛应用于现实生活中，成为人类日常生活不可或缺的一部分。它的功能是实现对目标物体的定位、监测。不难发现，越来越多的汽车、手机等具备了GPS功能，我们也切实感受到其为我们生活带来的便捷。基于这样的现状及GPS广阔的应用前景，单片机GPS导航设计以及
2、实时显示是个值得研究的课题。本论文从硬件、软件两部分进行对如何利用单片机、GPS接收模块、LCD12864液晶显示模块等器件来实现GPS导航功能的分析， MCS51系列单片机与GPS接收模块串行通信的实现这一部分根据了硬件特点进行阐述， GPS模块数据输出基本原理是本设计的基础，利用C语言对接收到的数据进行提取。最终设计成具备携带方便、精度精准、应用广泛、全天实时显示特点的小型机器设备。关键词： GPS导航；单片机；GPS接收模块；LCD12864液晶显示模块目 录1.GPS系统介绍41.1 GPS定位系统背景和发展41.2 GPS定位系统功能和意义41.3 GPS定位系统基本原理41.4 本
3、设计主要内容52.系统硬件部分设计52.1系统硬件电路总体结构图52.2单片机62.2.1总体构成和特点62.2.2引脚及其功能62.2.3主要特性72.2.4时钟与复位72.3GPS接收模块92.4LCD12864液晶显示模块112.4.1 12864液晶显示模块概述122.4.2 12864特性122.4.3 12864接口说明123.系统软件部分设计133.2.1 液晶显示模块初始化模块163.4.2 GPS数据接收模块174.系统调试以及试验结果185.总结22附录251.GPS系统介绍1.1 GPS定位系统背景和发展1958年，美国因军用需求而诞生了具有开创意义的高新技术GPS，并在
4、1964年正式投入使用。第一代GPS对民用有限制，第二代GPS解除了对民用的限制，真正开始普罗大众。1978年第一颗GPS试验卫星的入轨运行，标志着无线电导航定位的动态已知点为导航卫星。GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息资源。伴随经济的迅猛发展，人们对便捷舒适生活的要求越来越高。GPS导航的特点恰恰迎合人们的需求，精准、实时、快速、广泛的优点逐渐使其占领了市场，在众多领域发挥着不可替代的作用。展望未来，我国将越来越重视关于GPS产品的开发和推广，这也将推动其他相关产业的迅猛发展，相信科技的力量将为我国经济发展带来深远的影响。1.2 GPS定位系统功能和意义GPS定
5、位系统通过太空卫星、地面控制系统、用户设备这三部分来实现对目标物体的定位、监测，并通过显示器为人类应用。它的广泛普及解决了生活中的实际问题，比如说GPS导航在汽车方面的应用。近几十年，经济速度的增长可谓是突飞猛进，人们生活质量也在一步步提升中，不少家庭购置了汽车。然而，在享受生活的同时，也感受到了有些道路远远承受不了现有的机动车拥有量。确实，道路的修建速度并没有追上机动车的增长速度，造成了交通拥挤、环境恶化。许多城市亟待解决道路状况相对滞后的局面，智能交通系统（ITS）应运而生，有效的改变解决了道路交通难题。GPS在车辆定位上的应用是ITS 的基础环节。比如说，人们驾驶汽车，需要知道到达目的地
6、的路线及其周边的环境，借助电子地图等手段，就可以为人类依据道路实际情况，提供适合的路线，为司机节省了时间，油耗提高了效率，避免了选择的盲目性，利用定位系统解决了交通实际难题，达到改善交通状况的目的。GPS定位系统已经成为现实生活中不可或缺的一部分。1.3 GPS定位系统基本原理空间卫星、地面控制系统、用户接收设备三部分构成了GPS定位系统。24颗运行卫星分布在六轨道平面，它是以55度倾角分布，使得地球任意位置任何时刻都可以接收到六颗卫星信息，不断运行的卫星在不同地点不间断地为人类发布位置信息。地面控制部分主要有主控站、地面行链天线、五个监测站和通讯辅助系统。主控站负责管理和协调整个地面监控系统
7、的工作，监控站主要任务是为主控站提供卫星观测数据，用GPS接收机对视界内每颗卫星进行连续观测，所有观测数据连同气象数据传送到主控站。主控站通过地面上行链天线设施对卫星进行指挥和控制，以及向卫星上行加载导航电文和其他数据。用户接收设备显而易见是用以接收卫星发出的信号。GPS系统的基本定位原理是：时刻运动的每颗空间卫星不断发布时间和位置的信号，用户接收设备用以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，已知信号的传输速度，那么计算出接收机到不同卫星的距离就显而易见了。在四颗卫星的数据同时被收集到的时候，就可以算出三维坐标和时间。1.4 本设计主要内容基于51单片机的GPS导航设计是在单片机的基础上进行拓展
8、和加深，然后选择型号和性能合适的51单片机对GPS接收模块接收到的数据进行处理，利用LCD12864液晶显示装置进行显示，这就是此次设计的基本原理。本次设计软硬件结合，GPS接收模块的性能特点是我们首先要学习和掌握的，基于对接收模块性能的了解，我们要利用所学过的单片机编程和应用的相关知识对接收模块里面采集的卫星定位信息进行计算和提取，最终将需要的信息显示在准备好的LED显示屏上。2.系统硬件部分设计2.1系统硬件电路总体结构图基于单片机的GPS定位及实时显示系统在硬件上由单片机、GPS接收模块、12864液晶显示模块组成。经过比较和分析，本实验决定选用MCS-51单片机和HOLUX GR-87
9、作为单片机和接收模块。现设计总体框图如下：图2-1 硬件电路总体结构框图2.2单片机2.2.1总体构成和特点单片微型计算机简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串行和并行I/O接口等部件。目前MCS-51单片机在实际应用中最为广泛。它的组成结构包括运算器、控制器、片内存储器、4个I/O接口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。51单片机的结构简单、小巧、性价比高、可靠性高、功耗小的特点使其广泛应用。2.2.2引脚及其功能MCS-51系列单片机芯片上面均有四十条引脚，HMOS工艺制造的芯片的
10、封装方式为双列直插封装，其引脚示意图及功能介绍如下： 图2-2 MCS-51单片机引脚图各引脚功能说明如下：1.主电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源正端。Vss（20脚)：接+5V电源地端。2.外接晶体引脚1）XTAL1（19脚）：反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。2）XTAL2（18脚）：反向放大器的输出端，这个放大器构成了片内振荡器。3.输入/输出引脚四个8位并行I/O端口P0.0至P0.7：P0口8位双向口线。 P1.0至P1.7：P1口8位双向口线。 P2.0至P2.7：P2口8位双向口线。 P3.0至P3.7：P3口8位双向口线。4.控制线1）ALE/PROG（30
11、脚）：地址锁存有效信号的输出端。2）PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号的输出端。3）RST/ Vpd(9脚)：该引脚为单片机上电复位或掉电保护端。4）EA/ Vpp（31脚）；片外程序存储器选通端。2.2.3主要特性MCS-51单片机主要特性见表2-1。片内带振荡器，振荡频率fosc范围为1.212MHZ；可有时钟输出2个16位定时器/计数器128个字节的片内数据存储器有一个中断控制器，可管理6个中断源(51子系列1是5个中断源)、两个优先级4KB的片内程序存储器（8031无）111条指令，其中包含乘法指令和除法指令程序存储器的寻址范围为64KB有强的位寻址、位处理能力片外数据存储器
12、的寻址范围为64KB片内采用单总线结构21个字节专用寄存器用单一+5V电源4个8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P31个8位的微处理器CPU1个全双工串行I/O接口，可多机通信表2-1 MCS-51单片机主要特性表2.2.4时钟与复位MCS-51单片机芯片内部设有一个反相放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。内部时钟电路如图2-3（a）所示。如果在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，那么内部振荡电路上就会产生自激震荡。定时元件通常是用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率可以在1.2-12MHz之间选择，通常选择为6
13、MHz，C1、C2电容值取530pF，电容的大小可以起频率微调的作用。外部时钟电路如图2-3（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡器信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度，一般频率为低于12MHz的方波信号。图2-3 MCS-51单片机芯片内、外时钟电路单片机复位是使CPU和系统中的其他的功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。必须满足复位条件时才可以开始复位，即必须使RST/ Vpd或RST引脚（9）加上持续两个机器周期（24个震荡周期）的高电平
14、。复位后内部各专用寄存器状态见表2-2。 PC0000HTMOD 00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIP*00000BSBUF不定IE0*00000BPCON0*0000表2-2复位后内部各专用寄存器状态整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。2.3GPS接收模块接收机的关键之处就是在于GPS接收模块的选择，现在市场上的接收模块种类很多，大体的组成结构是相似的。主要由CPU、低噪声下变频器、储存器、并行信号通道等组成。本次使用的是HOLUX GR-87接收模块。GPS接收模块通过它的接收天线获取卫星信号，经过变换、放大和处理等一系列处理，来测定出GPS信号在卫星到接收天线之间的传播时间，翻译出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出接收天线的三维坐标。用户通过输入输出接口，和GPS接收模块实现信息交换，实现功能。GPS接收模块内部结构如图2-4所示。图2-4 GPS接收模块内部结
