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I
基于 51 单片机的 GPS 接收机
摘 要
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的一种先进的无线电导航系统。该系统能够全天
候、全方位的为海陆空用户提供连续的、高精度的三维坐标、三维速度和时间等信息。它所具
有的诸多优点是其他导航设备所无法比拟地。现在,GPS 接收机作为一种先进的导航和定位仪
器,已在军事及民用领域得到广泛的应用。
本设计详细介绍了一种成本低又能满足性能使用要求的经济型 GPS 接收机的设计方案。
此方案基于单片机、GPS 模块和 1602 液晶显示屏等硬件 , 并应用 C 语言实现了 GPS 信号的提
取、显示及基本的键盘控制操作等。经过实践测试 ,这种接收机可以达到基本 GPS 信息接收以
及显示,可以做到体积小、精度高、连续导航,并可广泛应用于个人野外旅游探险、 出租汽
车定位及海上作业等领域。
关键词: GPS,单片机,接收机,GR-87,LCD
II
DESIGN OF GPS RECEIVER BASED ON 51 SINGLE CHIP
COMPUTER
ABSTRACT
Global Positioning System(GPS) is the most advanced radio navigation system which was
developed by the U.S Department of Defence. The system can be used under any weather conditions,
all day long and anywhere on the earth. It can provide land, marine and airborne user with
continuous, highly accurate three-dimension position, velocity, time dataetc. It has various
advantages that are unexampled other kind of navigation equipment. Now GPS receivers, as a type
of advanced equipment on navigation and positioning, have been widely used in both military and
civil field.
This design introduced in detail one kind of low-cost economy GPS receiver's design proposal
which can satisfy the performance operation requirements .This plan is based on single chip
computer、GPS and 1602 liquid crystal display monitors, and has realized the GPS signal extraction,
the demonstration and the basic keyboard control operation and so on using the C language. By
practical measurement, the receiver can achieve GPS information receive and display. It has small
size and low cost, can be used in wild adventure tourism, taxi positioning and operations at sea.
KEY WORDS: GPS,single chip computer,receiver,GR-87,LCD
1
目 录
前 言 ..............................................................................................3
第 1 章 GPS 系统简介及设计方案选择 ...........................................5
1.1 GPS 系统简介 .......................................................................5
1.1.1 GPS 由来及发展 ..........................................................5
1.1.2 GPS 定位基本原理.......................................................5
1.1.3 GPS 接收机定位流程 ...................................................6
1.1.4 任务的描述 .................................................................6
1.2 设计方案选择 ......................................................................6
1.2.1 方案一 .........................................................................7
1.2.2 方案二 ..........................................................................7
第 2 章 系统硬件设计 .....................................................................8
2.1 单片机 ..................................................................................8
2.2 GPS 模块................................................................................9
2.2.1 概述.............................................................................9
2.2.2 主要技术参数 .............................................................9
2.2.3 管脚介绍 .....................................................................9
2.3 显示部分 ............................................................................10
2.4 电源部分 ............................................................................11
2.5 晶体振荡器 ........................................................................11
2.6 键盘部分 ............................................................................12
第 3 章 系统相关协议介绍 ............................................................13
3.1 GR-87 协议 .........................................................................13
3.1.1 协议简介 ...................................................................13
3.1.2 数据格式 ...................................................................13
3.2 串行通信 .............................................................................14
3.2.1 异步通信特点............................................................14
3.2.2 异步通信协议............................................................14
3.2.3 中断...........................................................................15
3.3 液晶显示协议 ....................................................................19
2
3.3.1 基本操作时序.............................................................19
3.3.2 显示与控制命令 .........................................................19
第 4 章 系统软件设计....................................................................21
4.1 系统软件概述 .....................................................................21
4.2 软件程序的编写 .................................................................22
4.2.1 初始化模块 ...............................................................22
4.2.2 数据处理模块............................................................22
4.2.3 人机对话模块............................................................26
4.3 代码实现 ............................................................................28
结 论 ..............................................................................................30
谢 辞 ..............................................................................................31
参考文献 ........................................................................................32
外文资料翻译.................................................................................34
3
前 言
GPS 主系统是美国发射运行的卫星系统,包含了 27 颗能持续发送地理位置海拔高
度和时间信号的卫星,24 个正常使用,3 个备用,这些卫星平均分布运行在六个轨道
上。一般来说,在地面上的 GPS 接收器能接收 5~12 个卫星信号,而为了获得地面上
的定位坐标,GPS 导航至少需要 4 个卫星信号,三个用来确定 GPS 接收器的纬度、经
度和海拔高度,第四个则提供同步校正时间
[1]
。
全球定位系统由三部分构成:太空卫星部份:由 24 颗绕极使用卫星所组成,分成
六个轨道,运行于约 20200 公里的高空,绕行地球一周约 12 小时。每个卫星均持续着
发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波,提供地球上的各种接收机来应用。地面管
制部份:这是为了追踪及控制上述卫星运转,所设置的地面管制站,主要工作为负责
修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数数据,以确保每个卫星都能提供正确
的讯息给使用者接收机来接收。使用者接收机:追踪所有的 GPS 卫星,并实时地计算
出接收机所在 位置的坐标、移动速度及时间,各种蓝牙 GPS 即属于此部份。我们通常
所说的 GPS, 就是第 3 部分。
它可以实时提供全天候、全球性的三维定位、测速与授时功能的卫星系统 ,具有
测量精度高、速度快、用户数量不限、抗干扰能力强等一系列优点 ,除了可用于军事领
域外 ,还可以广泛用于工农业生产、交通运输、野外探险等领域。
自 20 世纪 90 年代 GPS 系统向全世界免费开放以来 , GPS 系统已广泛应用在导航、
大地测量、精确授时、线路巡检及车辆防盗等领域。接收机是获得 GPS 系统服务的关
键设备 ,目前已有从手持式到台式数百种型号的接收机可供用户选择。通用接收机功能
齐全 ,除了信号接收单元外,往往还配置有显示单元和人机对话设备。这一方面为用户
提供了极大的方便 但 GPS 定位接收机价格比较昂贵而且使用灵活性低 ,难以满足特定
条件下的应用需求 ,造成了资金浪费。因此 ,众多用户期望按照自己的使用环境和性能
要求设计和使用个性化的 GPS 定位接收机。
本文首先介绍了 GPS 系统由来及其发展、基本概念、GPS 接收机的工作原理及接
收机定位流程。然后对单片机及其串口通信、GR-87 及其 NMEA-0183 语句的数据格、液
晶显示器进行了详细论述。并且设置了所需的外围电路。接着详细地介绍了该 GPS 接
收机的软件设计过程。通过 C 语言实现了 GPS 信号的提取、显示及基本的键盘控制操
作等。经过实践测试,这种接收机可以达到基本 GPS 信息接收以及显示,可以做到方便
灵活、优质价廉、精度高、连续导航、抗干扰能力强,并可广泛应用于个人野外旅游
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