基于51 單片機(jī)GPS 定位的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳海浪 謝旺 廣東培正學(xué)院

本設(shè)計(jì)由軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的簡易定位功能，此設(shè)備可顯示經(jīng)緯度和海拔等內(nèi)容。它以51 單片機(jī)為主導(dǎo)，利用GPS 和液晶顯示器組成一款具有實(shí)時(shí)定位功能的簡單的定位器。51 單片機(jī)是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。本設(shè)計(jì)還探究GPS 的功能，如它的信號是由什么組成的，它的定位信息是如何提取、收集與處理的等等。GPS 的最初出現(xiàn)是在部隊(duì)里面，以供軍事之便而用。隨著科技的發(fā)展，GPS 也在不斷地精進(jìn)，而且因?yàn)樗牟僮鞣奖?、定位?zhǔn)確，在電子設(shè)備高速發(fā)展的今天已經(jīng)慢慢地滲透到各個(gè)領(lǐng)域并發(fā)揮著重要的作用了。

1 GPS 定位原理簡介

24 顆GPS 衛(wèi)星在離地面1 萬2 千公里的高空上，以12 小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4 顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS 觀測中，衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3 顆衛(wèi)星，就可以組成3 個(gè)方程式，解出觀測點(diǎn)的位置（X，Y，Z）?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4 個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4 顆衛(wèi)星，形成4 個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4 顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4 顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用GPS 的定位精度只有10 米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技術(shù)，建立基準(zhǔn)站（差分臺）進(jìn)行GPS 觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5 米。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以51 單片機(jī)作為處理器，通過它解析從GPS 模塊傳過來的信息，并將其轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度等信息。GPS 模塊中分別有Ublox 芯片、信號指示燈、USB 信號輸出、天線放大器、串口TTL 接口、SMA天線接口等。GPS 模塊就是GPS 信號接收器，它是一個(gè)可以用無線藍(lán)牙或有線方式與電腦或手機(jī)連接，現(xiàn)在用的是51 單片機(jī)，通過天線接收來自衛(wèi)星的信號，再從GPS 模塊傳輸給51 單片機(jī)。我們常說的GPS 定位模塊稱為用戶部分，它像“收音機(jī)”一樣接收、解調(diào)衛(wèi)星的廣播C/A 碼信號，中以頻率為1575.42MHz。GPS 模塊并不播發(fā)信號，屬于被動定位。GPS 接收設(shè)備輸出的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)通過串口方式傳入單片機(jī)，也就是模塊的相關(guān)輸入輸出協(xié)議格式，其中數(shù)據(jù)類型主要有二進(jìn)制信息和NMEA 全國海洋電子協(xié)會數(shù)據(jù)信息。這兩類信息可以通過串口與GPS 接收機(jī)進(jìn)行通信。然后，單片機(jī)能正常工作的必要條件之一就是時(shí)鐘電路，所以單片機(jī)就很需要石英晶體振蕩器。它是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器。通過一定的外接電路來，可以生成頻率和峰值穩(wěn)定的正弦波。單片機(jī)工作時(shí)，是一條一條地從RoM 中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問一次存儲器的時(shí)間，稱之為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)?！獋€(gè)機(jī)器周期包括12 個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)單片機(jī)選擇了12 兆赫茲晶振，它的時(shí)鐘周期是1/12us，它的一個(gè)機(jī)器周期是12×（1/12）us，也就是1us。機(jī)器周期不僅對于指令執(zhí)打有著重要的意義，而且機(jī)器周期也是單片機(jī)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的時(shí)間基準(zhǔn)。例如一個(gè)單片機(jī)選擇了12 兆赫茲晶振，那么當(dāng)定時(shí)器的數(shù)值加1 時(shí)，實(shí)際經(jīng)過的時(shí)間就是1us，這就是單片機(jī)的定時(shí)原理。顯示模塊采用的是LCD12864 液晶顯示，低電壓和低功耗是他一大特點(diǎn)，同時(shí)價(jià)格相比起其他該模塊的硬件也更加的實(shí)惠。他是128x64 點(diǎn)陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可以顯示漢字以及圖形，內(nèi)置8192 個(gè)中文漢字（16x16）和128 個(gè)16*8 點(diǎn)ASCII 字符 集。電容與10K 電阻和開關(guān)一起連接組成復(fù)位模塊，當(dāng)復(fù)位按鍵沒被按下之前RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作，當(dāng)復(fù)位按鍵被按下，開關(guān)閉合，這時(shí)電容兩端就形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以當(dāng)按鈕按下后，電容會釋放之前儲存的能量，在很短的時(shí)間內(nèi)，電阻兩端的電壓上升，所以RST 引腳就會變成高電平狀態(tài)，LCD12864 液晶顯示電初始化，隨著電容能量逐漸釋放完畢，RST 引腳又回復(fù)到低電平狀態(tài)，直到下一次復(fù)位按鍵被按下。

總之，單片機(jī)則將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、計(jì)算和格式轉(zhuǎn)換等處理，最后通過LCD12864 顯示器將處理得到的相關(guān)信息顯示出來，原理圖如圖一所示。

圖 一 設(shè)備線路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的獲取方式是通過設(shè)備中的GPS 模塊持續(xù)不斷的接收衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文通過串口方式傳入單片機(jī)，并通過設(shè)計(jì)程序，在程序中對有效信號進(jìn)行提取，判斷以及計(jì)算等處理，從而篩選出我們想要的信息并且轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的格式進(jìn)行輸出。

設(shè)備軟件工作流程如下：

接上外部電源，STC51 單片機(jī)電初始化，然后接收從GPS 模塊傳遞過來的導(dǎo)航電文，此時(shí)進(jìn)行一次判斷，判斷接收的數(shù)據(jù)是否有效，如果有效再接受信息內(nèi)容，根據(jù)語句標(biāo)識區(qū)進(jìn)行篩選，提取其中以“$GPRMC”開頭的語句，若無則繼續(xù)等待。 接收完數(shù)據(jù)后，通過STC51 單片機(jī)設(shè)定好的軟件程序自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選和格式轉(zhuǎn)換處理。接著對LCD12864 液晶顯示屏進(jìn)行清屏處理，并且將轉(zhuǎn)化格式后的數(shù)據(jù)傳到液晶顯示器中并顯示該定位信息，此時(shí)單片通過不斷刷新RAM 頻率大約是每秒一次使得液晶顯示器能夠?qū)崟r(shí)實(shí)地的顯示當(dāng)前GPS 信息，邏輯如圖二所示。其中軟件的設(shè)計(jì)采用我們采用的是C 語言，圖三是部分代碼截圖

圖二

圖三

數(shù)據(jù)解析提取時(shí)采用的是GPS 導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議NMEA 0183，該協(xié)議數(shù)據(jù)信息許多種如：：$GPGGA，$GPGLL，$GPZDA，$GPGSV，$GPGST，$GPGSA，$GPALM，$GPRMC。 其中我們只需要解析$GPRMC：推薦定位信息。他的格式是：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh

<1>UTC 時(shí)間，hhmmss（時(shí)，分，秒）格式

<2>定位狀態(tài)，a=有效定位，v=無效定位

<3>緯度ddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸），

<4>緯度半球n（北半球）或s（南半球）

<5>縱向DDDMM.mmmm（度分）格式（前面0 也將被傳送），

<6>縱向半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）地面速度

<7>地面速度（第000.0-999.9 節(jié)，前部0 也將被傳輸）。

<8>地面航向（000.0-359.9 度，以振北為參考，前方0 也將被傳送）；

<9>UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式

<10>磁偏角（000.0-180.0 度，前0 也將被傳送）

<11>磁偏角方向，E（東）或W（西）

<12>模式指示（僅限NMEA0183 U 3.00 版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估計(jì)，N=無效數(shù)據(jù)）

根據(jù)實(shí)際需要我們在軟件設(shè)計(jì)只中提取了日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、

海拔高度以及速度信息。

4 系統(tǒng)測試

首先對照電路原理圖查看各個(gè)原器件是否都部署在了焊接板上，觀察51 單片機(jī)的引腳是否正確的插入到了對應(yīng)的引腳口上，插入LCD12864 液晶顯示屏，來到一個(gè)開放信號良好的地點(diǎn)接上天線，給GPS 模塊連接上移動電源，按下模塊開關(guān)（圖中白色按鈕），GPS 模塊綠色提示燈亮起，進(jìn)入系統(tǒng)等待界面，在稍作等待后，經(jīng)緯度和海拔信息就會顯示在LCD12864 顯示器上，一開始數(shù)值會存在跳動，后面慢慢就能夠達(dá)到穩(wěn)定。最終結(jié)果如圖三所示，通過功能按鍵（圖三中靠左邊的按鈕）可以切換到不同的界面，如速度和日期等信息，按復(fù)位按鍵（圖三中靠右邊的按鈕）可以使CLD12864 顯示器電初始化返回到經(jīng)緯度以及海拔界面，信號的準(zhǔn)確度會根據(jù)當(dāng)前空間的封閉程度和該地點(diǎn)的GPS 信號強(qiáng)弱而有不同，值得注意的是GPS 獲取的時(shí)間為世界統(tǒng)一時(shí)間，要在單片機(jī)軟件系統(tǒng)中根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算出時(shí)區(qū)然后將其轉(zhuǎn)換成本地時(shí)間。

圖四

5 結(jié)束語

通過在多次實(shí)踐檢驗(yàn)，在硬件和軟件的結(jié)合下基本是能否精確的顯示出當(dāng)前的經(jīng)緯度，海拔，日期的，若處于室內(nèi)等相較GPS 信號沒那么良好的環(huán)境，也可以通過插上GPS 外接天線達(dá)到穩(wěn)定的效果，不同顯示界面可分別通過復(fù)位按鍵和功能按鍵來進(jìn)行切換。此外該設(shè)備還可以連接多一個(gè)藍(lán)牙模塊，并配置好對應(yīng)的軟件還能實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的導(dǎo)航系統(tǒng)。通過本次的研究，我對GPS 定位原理有了進(jìn)一步的了解，同時(shí)也理解了單片機(jī)工作運(yùn)作時(shí)候的具體流程思路，以及焊接原器件的技巧得到了的提升，能夠更加熟練的使用焊接工具，以及對電路原理圖的理解和不同原器件連接也有了更深的理解。