基于51單片機的GPS定位系統設計

崔崴

摘要：GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。由于GPS技術具有全天候，高精度和自動測量功能，作為先進的測量工具和新的生產力，已被納入國家經濟建設，國防建設和社會發展的各個領域。本次設計以單片機STC89C52為核心，采用GPS模塊（SiRF Star III），LCD1602液晶顯示屏等芯片，利用GPS模塊與單片機串口通訊原理，實現了GPS信息的提取、顯示。本設計精確度高，體積小，可連續導航，可用于自駕車出游，出租車定位等領域。

1.引言

GPS是全球定位系統（Global Positioning System）的簡稱，它是一種基于衛星形式的定位系統，其目的是獲取目標位置的地理坐標信息、時間信息以實現最終的位置鎖定。如今它廣泛用于現代測量以及建筑建設，也更多的用于民間，且范圍越來越廣，作用越來越大。

GPS技術已遍布各行各業的方方面面，現在市面上已經有各式各樣由GPS接收模塊所研發的定位產品，如車載導航儀、帶GPS功能的手機平板等。本次設計針對廣大普通用戶，切合他們實際需求，運用單片機的基本原理和GPS的理論知識，選擇合適的GPS接收模塊，設計并制作一個既實用又價廉的定位系統。

2.SiRF Star Ⅲ GPS信號接收模塊

SiRF Star Ⅲ是完全獨立的GPS接收器，這一芯片通過采用20萬次/頻率的相關器提高了靈敏度，可以同時追蹤20個衛星信道。它使用了全新的SiRFstar TM III GPS架構GSC3F（高性能GPS單芯片），GPS集成實時時鐘（RTC），ARM7-TDMI CPU，4Mbit的FLASH存儲器，低噪聲放大器和SAW濾波器，TCXO，復位和調節器等，且具有內置備用電池，GPS接收機貼片天線，可選擇的內部/外部射頻連接器。尺寸參數如下：

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為信號輸入端，TX為信號輸出端，接口電路如圖1

3.系統方案

本設計主要完成了GPS信號的接收與處理、數據的傳輸與顯示。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部分連接起來。因為單片機的結構簡單明了，價格比較低，功能強大且操作簡單，其中又以51單片機最合適，所以選著STC89C52作為核心單片機。系統的結構框圖如圖2

4.系統的硬件設計

考慮到成本及操作難度等，8位單片機更簡單，成本也更低，所以采用低電壓，高性能CMOS 8 位單片機STC89C52作為主控制器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[4]。它有4個8位I/O口、一個雙工串口、兩個16位的計/定數器、五個中斷源；擁有的全雙工異步通信接口，可以與外部接口直接進行讀取數據、數據處理以及數據輸出。

LCD1602叫做1602字符型液晶屏，它被用來顯示數字、字母、符號。它是一種點陣型液晶顯示模塊。它由若干個5x11或者5x7點陣字符組成，字符間有間隔，一個字符位只能顯示一個字符，故他并不能用來顯示圖形。在本設計中，由于LCD1602顯示內容有限，單次只能顯示兩行內容，且本系統需要得到日期、時間、經緯度、海拔、速度共計3組數據，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現。每當按下鍵盤依次切換下一組信息顯示，共計三組重復切換。系統的硬件電路如圖3.

5.軟件設計

1）NMEA-0183數據格式

此協議是為了在不同的GPS導航設備中建立統一的RTCM標準。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數據格式采用ASCII字符編碼形式輸出，其中包括有經度緯度、速度、日期、時間、速度、海拔、方向以及衛星狀況等信息。其中串行通信時的默認參數為：數據位=8bit，開始位=1bit，停止位=1bit，無奇偶校驗，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，前兩位為識別符；

3. ddd…ddd：數據；

4. “*”：校驗和前綴；

5. hh：校驗和（check sum），*與$之間所有字符的ASCII碼的校驗和（各字節做異或運算，得到校驗和后，再轉換16進制格式的ASCII字符。）

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

2）系統軟件主要由初始化模塊和數據接收處理模塊流程圖

初始化模塊是在完成上電后對單片機、LCD以及GPS模塊的一個初始化操作。對單片機進行波特率設置，串口工作模式設置以及中斷模式的設置，完成單片機與GPS模塊的串口通信。另外初始化也包括對LCD顯示屏的開機畫面和顯示模式設置。

數據接收模塊主要職能是對GPS模塊所接收到的數據進行處理。通過單片機串口接收到GPS模塊傳過來的信息后，判斷是否為起始位”$”，再接收后續數據內容，然后根據每位數據所代表的信息進行識別并進行ASCII碼處理，以便進行顯示。判斷若整個數據接收正確則接受，否則放棄接收。在本次設計中主要提取這些內容：日期、時間、經度緯度、海拔高程、速度。需要注意的是GPS所提供的是國際標準的UTC時間，與北京時間相差8小時，所以在時間處理上應在UTC時間上加上8小時進行修正。系統工作時，GPS模塊不斷接收到新的GPS信息，單片機也不斷刷新串口數據接收，最后通過單片機送至顯示器進行顯示。

數據接收處理程序流程圖如下面圖4所示。

5.系統調試與測試結果

1）系統調試 接線完成后用萬用表對每個接點進行檢查，看接線是否有短路或斷路，同時還要對每個器件的引腳進行檢測，看是否有短路的情況，若發現及時更改。完成硬件調試。

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

2）測試結果

將接受裝置放于樓頂開放的環境以接收信號，啟動GPS接收系統，經過測試，液晶顯示的結果如下圖，顯示信息緯度為：29度33分87秒，經度103度43分55秒，海拔為351.3米，由于測試時處于靜止狀態，故當時速度為0。

6.結束語

本系統是自行設計開發的一種便捷GPS定位系統。測試結果顯示數據穩定，定位精度較好。本系統能夠滿足日常使用，且具有小巧輕便、性價比高等特點。