GPS模塊和89C52控制器的授時(shí)與定位裝置設(shè)計(jì)制作

張濤， 林雨(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

GPS模塊和89C52控制器的授時(shí)與定位裝置設(shè)計(jì)制作

張濤， 林雨
(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

為精確獲取時(shí)間信息和位置信息，提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號(hào)處理器、以89C52單片機(jī)為控制器的授時(shí)與定位裝置的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)授時(shí)與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架，給出裝置的主要硬件設(shè)計(jì)電路和主要軟件設(shè)計(jì)框圖，詳細(xì)闡述GPS數(shù)據(jù)接受語(yǔ)句的格式及含義。使用Proteus仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性與可行性。最后制作授時(shí)與定位裝置實(shí)物，實(shí)現(xiàn)授時(shí)功能與定位功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

全球定位系統(tǒng)(GPS)；授時(shí)；定位；單片機(jī)；仿真設(shè)計(jì)；實(shí)物制作

0 引 言

獲得當(dāng)前時(shí)間、位置、速度等信息，是各種需要精確定時(shí)、定位工作場(chǎng)所的基本信息要求，是各種精確工作能夠正確運(yùn)行的可靠保證。

本文提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號(hào)處理器、以89C52單片機(jī)為控制器的授時(shí)與定位裝置的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)使用全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊來(lái)獲得高精度的GPS信號(hào)，然后從GPS信號(hào)中解析時(shí)間、位置、速度等信息，在液晶顯示器(LCD)上顯示各種相關(guān)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)授時(shí)功能與定位功能[1-2]。

1 授時(shí)與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GPS授時(shí)與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、GPS接收天線、GPS信號(hào)接收與處理模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、主控制器系統(tǒng)、顯示接口電路、LCD顯示器等部分。

通過(guò)GPS接收天線，GPS信號(hào)接收與處理模塊將接收到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制解碼，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)串行通信數(shù)據(jù)格式，再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路芯片MAX3232實(shí)現(xiàn)RS-232—TTL的電平轉(zhuǎn)換，最后送給主控制器89C52單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)端口。當(dāng)89C52單片機(jī)收到GPS信號(hào)接收與處理模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)片內(nèi)程序的識(shí)別篩選，將篩選出來(lái)的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，最后按照要求的編排格式在液晶顯示器上顯示時(shí)間、位置、速度等信息，實(shí)現(xiàn)授時(shí)功能與定位功能[3-5]。

圖1 GPS授時(shí)與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 授時(shí)與定位裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 GPS信號(hào)接收與處理模塊

GPS信號(hào)接收與處理模塊選用瑞士U-Blox公司生產(chǎn)的嵌入式GPS模塊NEO-5M-0-001。GPS模塊NEO-5M-0-001是一個(gè)具有24管腳的高精度GPS信號(hào)接收與處理模塊，其主要參數(shù)為：時(shí)間精度為30 ns；位置精度為2.5 m；速度上限為500 m/s；高度上限為50 000 m。

為增強(qiáng)GPS信號(hào)的接收效果，在使用GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001時(shí)需要外接帶有饋線的GPS蘑菇頭天線。

GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001的應(yīng)用電路如圖2所示。圖中，RF_IN管腳外接GPS蘑菇頭天線；VCC管腳接3.3 V直流供電電源。RXD管腳通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與主控制器89C52單片機(jī)RXD端口相連接，用于接收89C52單片機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)接收數(shù)據(jù)等指令；TXD管腳通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與主控制器89C52單片機(jī)TXD端口相連接，用于向89C52單片機(jī)傳輸時(shí)間、位置、速度等信息。

圖2 NEO-5M-0-001的應(yīng)用電路

2.2 主控制器

本設(shè)計(jì)的主控制器選用STC89C52型號(hào)的單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)含8 K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。由于STC89C52的系統(tǒng)性能能夠滿足系統(tǒng)GPS信號(hào)數(shù)據(jù)采集及處理的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來(lái)源廣，應(yīng)用也很成熟，故本系統(tǒng)中采用STC89C52作為核心控制器[6]。

2.3 LCD顯示接口電路

GPS授時(shí)與定位裝置需要顯示時(shí)間、位置、速度等信息，顯示內(nèi)容較多，不宜采用LED顯示器。因此，本設(shè)計(jì)的顯示器采用LCD顯示器，LCD顯示器選用LCD12864。LCD顯示器LCD12864的VCC端口接+5 V電源；VSS端口接地。LCD顯示器LCD12864的數(shù)據(jù)/指令端口(RS/CS)、讀寫(xiě)端口(R/W)、使能端口(E/SCLK)、復(fù)位端口(RESET)分別由單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口控制。LCD顯示器LCD12864的顯示數(shù)據(jù)輸入端口(DB7DB0)所需要的顯示數(shù)據(jù)或者命令數(shù)據(jù)則由單片機(jī)的端口(P0.7-P0.0)送出。

3 授時(shí)與定位裝置的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)格式說(shuō)明

3.1 主程序軟件

主程序軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先完成GPS信號(hào)接收與處理模塊初始化、液晶顯示器初始化、串行口中斷初始化等準(zhǔn)備工作。單片機(jī)STC89C52控制GPS信號(hào)接收與處理模塊開(kāi)始接收GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)接收的GPS數(shù)據(jù)正確之后，分別讀取并解析時(shí)間信息和位置信息，然后送給液晶顯示器LCD進(jìn)行刷新顯示，顯示時(shí)間、位置、速度等信息[7]。

圖3 主程序軟件流程圖

3.2 串行數(shù)據(jù)格式說(shuō)明

GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001與單片機(jī)STC89C52之間的通信采用RS-232串行通信接口電路，因此需要GPS信號(hào)接收與處理模塊將接收的GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接收的串行數(shù)據(jù)格式。

GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001向單片機(jī)STC89C52發(fā)送的串行數(shù)據(jù)格式：

HHMMSSYYYYM2M2DDFFF1F1F2F2H1H1M1M1S1S1$

串行數(shù)據(jù)格式中各項(xiàng)含義如下：

為起始標(biāo)志字符42H。

HHMMSSYYYYM2M2DD表示北京時(shí)間的時(shí)、分、秒、年、月、日。

為工頻標(biāo)志字符46H。

FFF1F1F2F2為周波數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)點(diǎn)后第一、第二、第三、第四位小數(shù)部分。

為周波標(biāo)志字符43H。

H1H1M1M1S1S1為周波鐘的時(shí)、分、秒。

$為定位標(biāo)志字符($為24 H時(shí)表示當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘信號(hào)與GPS衛(wèi)星信號(hào)同步；$為23 H時(shí)表示當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘信號(hào)與GPS衛(wèi)星信號(hào)失步)。

為結(jié)束標(biāo)志字符0DH。

4 授時(shí)與定位裝置的仿真設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，以及驗(yàn)證硬件元件連接是否正確和軟件程序編寫(xiě)是否正確，采用Proteus軟件對(duì)基于單片機(jī)的GPS授時(shí)與定位裝置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)模擬[7]。

在仿真過(guò)程中加入虛擬終端(Virtual Terminal)VT1，它可以更加直觀地顯示單片機(jī)STC89C52收到GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001所發(fā)送的GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

基于單片機(jī)的GPS授時(shí)與定位裝置的仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，虛擬終端VT1顯示單片機(jī)STC89C52收到GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001所發(fā)送的GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示內(nèi)容的含義如下：

當(dāng)前地點(diǎn)(華北科技學(xué)院)：North China Institute of Science & Technology

當(dāng)前地點(diǎn)的經(jīng)度(度)：Longitude=116.796

當(dāng)前地點(diǎn)的緯度(度)：Latitude=39.954

當(dāng)前日期(年-月-日)：Date=2013-12-18

當(dāng)前時(shí)間(時(shí)∶分∶秒)：Time=12∶34∶56

圖4 授時(shí)與定位裝置的仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

5 授時(shí)與定位裝置的實(shí)物制作

硬件設(shè)計(jì)使用Altium Designer軟件，主要用于繪制電路圖和繪制印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。軟件設(shè)計(jì)使用Keil C51軟件，主要用于編制C語(yǔ)言程序。

圖5 授時(shí)與定位裝置的實(shí)物制作及其實(shí)際運(yùn)行結(jié)果

基于單片機(jī)的GPS授時(shí)與定位裝置的實(shí)物制作結(jié)果如圖5所示。在測(cè)試時(shí)，先將GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001接上天線并把天線放置在窗外，然后將單片機(jī)STC89C52與GPS信號(hào)接收與處理模塊NEO-5M-0-001之間通過(guò)串行通訊數(shù)據(jù)線相連接，再將單片機(jī)STC89C52與液晶顯示器LCD12864相連接，最后分別給GPS模塊與單片機(jī)系統(tǒng)供電，就可以實(shí)現(xiàn)授時(shí)與定位功能。GPS授時(shí)與定位裝置的實(shí)物制作及其實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的相關(guān)信息包括：

測(cè)試時(shí)的日期為：2014年05月19日；

測(cè)試時(shí)的時(shí)間為：12∶26∶56。

測(cè)試地點(diǎn)(華北科技學(xué)院)的經(jīng)度為：北緯40°03′46″；

測(cè)試地點(diǎn)(華北科技學(xué)院)的緯度為：東經(jīng)116°19′20″。

6 結(jié)束語(yǔ)

為精確獲取時(shí)間信息和位置信息,本文提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號(hào)處理器、以89C52單片機(jī)為控制器的授時(shí)與定位裝置的設(shè)計(jì)方案。該授時(shí)與定位裝置在硬件上采用了專(zhuān)用嵌入式GPS模塊，有效地保證了GPS信息的接收準(zhǔn)確性，能夠滿足GPS信息的解析精度和可靠性，有效地解決了時(shí)間信息和位置信息的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析等問(wèn)題。

使用Proteus軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的GPS授時(shí)與定位裝置進(jìn)行了仿真模擬，以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，完成采購(gòu)電子元器件、繪制硬件電路圖、制作印刷電路板(PCB)、焊接電子元器件、編制軟件程序、實(shí)驗(yàn)調(diào)試等一系列制作步驟，最終完成基于單片機(jī)的GPS授時(shí)與定位裝置的實(shí)物制作過(guò)程。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試，制作的GPS授時(shí)與定位裝置具有成本低、體積小、精度高等特點(diǎn)，具有自動(dòng)獲取時(shí)間信息和位置信息等功能，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)航，可應(yīng)用于個(gè)人野外旅游探險(xiǎn)、出租汽車(chē)定位及海上作業(yè)等領(lǐng)域。

[1] 張濤，潘玉民．自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[2] 薛鵬騫，潘玉民，張濤，等．煤礦安全檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[3] 張濤．自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

[4] 郭海文，張濤．單片機(jī)原理及智能儀表技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013．

[5] 李斌，賈巍，趙奇，等．基于MSP430單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010, 32(6):61-63.

[6] 張濤. 基于單片機(jī)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3)：128-130.

[7] 林雨，張林真，蔣翠景，等. 基于GPS模塊和單片機(jī)的授時(shí)與定位裝置的設(shè)計(jì)及其仿真[J]. 教育科學(xué)博覽,2014,16(2):86-88.

[8] 張濤. 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機(jī)制[J]. 教育科學(xué)博覽，2012,14(12):23-26.

Design and Manufacturing of the Timing and Positioning Device for GPS Module and 89C52 Controller

ZHANG Tao, LIN Yu
(North China Institute of Science & Technology, Sanhe Hebei 065201, China)

In order to obtain precise time and location information, this paper proposes a design scheme for the timing and positioning device using global positioning system (GPS) module as GPS signal processor and MCU 89C52 as controller. The paper introduces the overall framework of the timing and positioning device, gives its main hardware circuit and main software block diagrams, and explains details about the format and the meaning of GPS data acceptance statement. Proteus simulation is used to verify the correctness and feasibility of the design scheme. Finally, a physical timing and positioning device is manufactured to realize timing and positioning functions. The device is of certain practical value.

global positioning system (GPS); timing; positioning; single-chip microcomputer (SCM); simulation design; physical manufacturing

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142011027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142014126)；華北科技學(xué)院教研基金資助項(xiàng)目(HKJY201410)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.05.037

TP274.2

A

1000-3886(2015)05-0115-03

張濤(1972-)，男，黑龍江拜泉人，阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)士，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士，浙江大學(xué)博士，華北科技學(xué)院自動(dòng)化系主任，副教授、工程師。研究方向：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

定稿日期: 2014-11-28