苏 州 市 职 业 大 学
实习（实训）报告
名称 基于51单片机的GPS定位系统的设计 2014年6月16日至2014年6月20日共1周
院 系 电子信息工程学院 班 级 学 号 姓 名
院 长 系 主 任 指导教师
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苏 州 市 职 业 大 学
实习（实训）任务书
名 称： 基于51单片机的GPS定位系统的设计 起讫时间： 2014年6月16日---2014年6月20日 院 系： 电子信息工程学院 班 级： 指导教师： 院 长：
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一、实习（实训）目的和要求 1、掌握液晶显示模块与单片机接口及编程方法。 2、掌握8250工作原理及编程控制。 3、了解GPS定位原理，学会使用GPS接收系统，掌握NMEA-0183数据格式。 4、在液晶屏上显示接收到的GPS定位信息，显示纬度、经度、高度、时间、定位有效信息。 1
二、实习（实训）内容 图1 系统总体结构图 GPS天线 GPS信号处理 TXD RXD 8250串并转换 CPU LCD 显示 总线 1、根据图1，连接各部分功能模块实验连线，并设置各模块功能。 2、利用keil 3编写运行实验程序GPS.ASM，完成规定功能。 3、观察实验箱上液晶屏上GPS信息显示。 三、实习（实训）方式 √集中 □ 分散 √校内 □ 校外 1
四、实习（实训）具体安排 1、指导教师概述系统功能、结构以及工作原理，说明安全注意事项、实训报告书写规范。--2课时 2、了解EL-MUT-III型单片机实验箱、8051CPU模块以及GPS扩展模块的结构和主要功能。--2课时 3、根据设计要求，连接各个系统模块。--2课时 4、利用keil 3编写软件程序。--6课时 5、系统调试并记录测量数据。--4课时 6、完成实训报告。--6课时 7、指导教师逐个检查实验并收实训报告。--2课时 五、实习（实训）报告内容 1、系统概述 2、系统结构（硬件电路、软件设计） 3、测试结果及分析 4、实验总结 5、参考文献
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目录
第一章 51单片机概述 .................................................................................................................................. 1
1.1 单片机简介 ...................................................................................................................................... 7 1.2 51单片机系统的结构组成 .............................................................................................................. 7 1.3 8255芯片的工作原理及功能 .......................................................................................................... 8
1.3.1 8255芯片概述 ....................................................................................................................... 8 1.3.2 8255芯片特性 ....................................................................................................................... 8 1.3.3 8255芯片功能 ....................................................................................................................... 9 1.4 8250可编程接口芯片 .................................................................................................................... 10
1.4.1 8250的初始化 ..................................................................................................................... 10 1.5液晶显示模块原理 ......................................................................................................................... 11 第二章 GPS定位系统简介 ......................................................................................................................... 12
2.1 GPS概述 ........................................................................................................................................ 12 2.2 GPS定位系统的基本原理 ............................................................................................................. 12 2.3 GPS模块定位流程 ......................................................................................................................... 12 2.4 GPS模块的主要技术参数 ............................................................................................................. 13 2.5 NMEA-0183数据格式 ................................................................................................................... 13 第三章 硬件连接电路 ................................................................................................................................. 14
3.1 基于51单片机的GPS定位系统设计 ......................................................................................... 14
3.1.1实训要求 .............................................................................................................................. 14 3.1.2实训原理 .............................................................................................................................. 14 3.2 GPS和单片机、LCD的接口连接电路 3.2.1 GPS硬件连接原理图 ......................................... 15
3.2.2 GPS和单片机、LCD的实物连接图 ................................................................................. 15
第四章 软件设计 ......................................................................................................................................... 16
4.1 软件设计步骤 ................................................................................................................................ 16 4.2 实验结果 ........................................................................................................................................ 18 第五章 实训总结 ......................................................................................................................................... 19 参考文献 ....................................................................................................................................................... 19
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第一章 51单片机概述
1.1 单片机简介
51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。当前常用的51系列单片机主要产品有：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52、89C51、89C52、89C2051等，国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。
1.2 51单片机系统的结构组成
地址总线 AB 微 处 理 器 CPU 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 数据总线 DB 控制总线 CB
图1 单片机系统结构组成
运算器：用于实现算术和逻辑运算。单片机的运算和处理都在这里进行； 控制器：是单片机的控制指挥部件，使单片机各部份能自动协调的工作； 存储器：用于存放程序和数据；（又分为内存储器和外存储器，内存储器就如我们电脑的硬盘，外存储器就如我们的U盘）
输入设备：用于将程序和数据输入到单片机（例如我们电脑的键盘、扫描仪）； 输出设备：输出设备用于把单片机数据计算或加工的结果以用户需要的形式显示或保存 注：
1、通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit）,
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简称CPU。8位的中央处理单元，具有数据处理、测试位，置位，复位 位操作等功能
2、通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备。存储器分为只读存储器（4KB或8KB），具有永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM；随机存取内存（128B、128B SFR），用于在程序运行时存储工作变量和资料；并行输入/输出口（I / O）（32条），用作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片；串行输入/输出口（2条），用于串行通信、扩展I / O接口芯片；定时/计数器（16位、加1计数），计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作；时钟电路，分为内振、外振；中断系统，有五源中断、2级优先级。
1.3 8255芯片的工作原理及功能
1.3.1 8255芯片概述
8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
8255芯片共扩展了三个端口，它们分别是PA，PB，PC口。这三个端口配置成输出方式时可以字节写，配置成输入方式时可以字节读，PC端口可以位操作。用来存储配置信息的寄存器叫控制寄存器，加上三个端口对应的寄存器共有四组。这四组寄存器是通过A0，A1这两个端口的四种状态来选择。 1.3.2 8255芯片特性
1、一个并行输入、输出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。
2、具有24个可编程设置的I/O口，即3组8位的I/O口为PA口，PB口和PC口。它们又可分为两组12位的I/O口，A组包括A口及C口(高4位,PC4~PC7)，B组包括B口及C口(低4位,PC0~PC3)。A组可设置为基本的I/O口，闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式；B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。
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1.3.3 8255芯片功能
RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.
RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
WR:写入信号，当这个输入引脚为
低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。
方式0————基本输入输出方式；方式1————选通输入/出方式；方式2————双向选通输入/输出方式；
PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 工作于三种方式中的任何一种；
PB0～PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 不能工作于方式二；
PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。'不能工作于方式一或二。
A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. 当A1=0,A0=0时,PA口被选择; 当A1=0,A0=1时,PB口被选择; 当A1=1,A0=0时,PC口被选择; 当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择
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1.4 8250可编程接口芯片
8250可编程接口芯片内部结构图，如下图2所示：
图2 8250芯片内部结构图
1.4.1 8250的初始化
(1) 设置波特率
MOV AL ，80H 通信控制寄存器的D7 = 1，为了寻址 MOV DX ，3FBH 分频锁存器（除数寄存器）DLH、DLL OUT DX ，AL
MOV AL ，60H 设波特率为1200b/s ，分频次数 = 843200/16×1200 MOV DX ，3F8H = 0096 = 0060H OUT DX ，AL 先写低分频值到DLL（3F8H） MOV AL ，0 MOV DX，3F9H
OUT DX，AL 再写高分频值到DLH（3F9H） ⑵. 设置通信数据格式（对通信控制寄存器写入命令字） 假定7个数据位，1个停止位，偶校验。 MOV DX ，3FBH MOV AL ，1AH OUT DX ，AL
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1.5液晶显示模块原理
液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件．英文名称叫“LCD Module”，简称“LCM”，中文一般称为“液晶显示模块”。实际上它是一种商品化的部件．根据我国有关国家标准的规定：只有不可拆分的一体化部件才称为“模块”，可拆分的叫作“组件”。所以规范的叫法应称为“液晶显示组件”。但是由于长期以来人们都已习惯称其为“模块”。 液晶显示器件是一种高新技术的基础元器件，虽然其应用巳很广泛，但对很多人来说，使用、装配时仍感到困难。特别是点阵型液晶显示器件，使用者更是会感到无从下手．特殊的连接方式和所需的专用设备也非人人了解和具备，故此液晶显示器件的用户希望有人代劳，将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。 从广义上说，凡是由液晶显示器件和集成电路装配在一起的部件都属于“模块”，但实际上我们通常所说的“模块”主要是指点阵液晶显示器件装配的点阵液晶显示模块，特别因为是点阵液晶显示器件产品除某些专用大批量的一些品种(如翻译机、通讯用)，生产厂家是直接向用户供应液晶显示器件外，几乎所有通用型点阵液晶显示器件都是加工成模块后才供给用户的，所以很容易形成“液晶模块”就是“点阵液晶模块”的误解。
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第二章 GPS定位系统简介
2.1 GPS概述
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s）
2.2 GPS定位系统的基本原理
GPS定位的基本原理是空间后方交会，以GPS卫星与用户接收机天线之间的空间距离为基本观测量，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所在的点位，即待定点的三维坐标（x，y，z）GPS定位分为伪距测量和载波相位测量两种。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集至少4颗卫星的数据时，通过变频、放大、 滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定和测量,从而产生计算位置的数据信息(包括：纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等),经由I/O口输出串行数据。
GPS定位方法:静态定位和动态定位、绝对定位和相对定位、差分定位。
2.3 GPS模块定位流程
1．搜索可用卫星，接收卫星信号，与卫星信号同步，提取导航电文信息； 2．从导航电文中获取计算位置所需的信息，这些信息应该包括时钟信息和星历等数据； 3．计算卫星的准确位置，这包括计算卫星的高度和方位角，从而进行必要的对流层校正；
4．计算伪距，并进行电离层校正等；
5．重复上述过程，对所有可用卫星进行相应的计算；
6．进行其他必要的校正，例如根据卫星信号到达GPS接收机的时间，校正地球旋转所造成的卫星位置的偏差；
7．根据定位原理，计算出GPS接收机的初始位置，并将其转换成所需的坐标格式进行显示或输出；
8．加入闰秒和UTC（标准世界时）时间补偿计算当前精确的时间；
9．分析可用卫星的信息，计算最好的DOP(Dilution of Precision)，进行选星，并计算和修正GPS接收机的位置，给出GPS接收机的三维坐标和准确的时间信息
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2.4 GPS模块的主要技术参数
(1) 工作电压：3.5～5V直流。 (2) 接收灵敏度：-159dBm。 (3) 体积大小：25.4×25.4×7 mm。 (4) 模块重量：7克。 (5) 定位精度：<3m (6) 系统内存：4MB
2.5 NMEA-0183数据格式
NMEA-0183数据格式如下图3：
图3 NMEA-0183数据格式
注意：加电后最长3s有数据输出。设定多个参数时，两个命令的发送时间捡个应在40ms以上。
图4
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第三章 硬件连接电路
3.1 基于51单片机的GPS定位系统设计
3.1.1实训要求
此实训的工作要求是：在液晶屏上显示，接收到的GPS定位信息，只显示纬度、经度、高度、时间、定位有效信息。在实训中的核心器件是单片机和GPS器件，二者一起实现了单片机对GPS定位信息的采集。 3.1.2实训原理
GPS模块接收卫星的多颗卫星的定位信息，进行处理后按一定的格式输出串行数据，8250实现串并转换，通过总线与单片机通信。
GPS接收模块默认设置输出为：（参照GPS接收模块文档） $PFST，NMEA，E003，4800 $PFST，NMEA，2000 $GPGGA,hhmmss.dd,xxmm.dddd, hhmmss.dd 世界协调时（UTC ） hh：时；mm：分；ss：秒；dd：秒（小数部分） xxmm.dddd 纬度 xx：度；mm：分；dddd：十进制分（小数部分） yyy：度；mm：分；dddd：十进制分（小数部分） 0：未定位 1：GPS 定位 SS 使用到的卫星数量：0~12 颗 d.d HDOP 水平方向定位精度阀值 h.h 天线高度（相对于海平面） M NULL g.g NULL M NULL a.a NULL xxxx NULL *hh hh：校验和 从GPGGA输出信息中提取实验中的数据，显示在液晶屏上。 1 3.2 GPS和单片机、LCD的接口连接电路 3.2.1 GPS硬件连接原理图 TXD GPS天线 GPS信8250串号处理 CPU LCD 显示 RXD 并转换 总线 图5 GPS硬件连接原理图 3.2.2 GPS和单片机、LCD的实物连接图 图6 GPS和单片机、LCD的实物连接图 1 第四章 软件设计 4.1 软件设计步骤 (1)实验连线： 8250的片选CS50与CS1相连，或把CS50的跳线帽短接CS1端；8255的片选CS8255与CS0相连；PA0～PA7分别与DB0～DB7相连；PC0与REQ相连；PC7与BUSY相连。 (2)根据实训要求设计实验程序，参考程序如下图7： 图7 参考程序 1 依据实验程序，绘制出实验流程图，如下图8： 开始 初始化8250，8255 设置GPS模块输出格式 接收GPS模块数据 N 数据为“$” Y 接收GPS模块数据 数据存储到外部RAM N 接收结束？ Y 设置GPS模块输出格式 LCD清屏 LCD显示各行数据名称 查询外部RAM 显示纬度、经度、高度、时间、定位有效值 图8 程序设计流程图(3) 1 (4)运行实验程序GPS.ASM。运行结果如下图9： 图9 仿真运行结果 (5) 观察实验箱上液晶屏上GPS信息显示 4.2 实验结果 正确的结果应该是LCD显示器上正确显示如下图10所示数据： 图10 实验结果显示 液晶屏分四行显示： 第一行纬度：LAT（纬度的缩写）：+ 纬度值+ N/S 第二行经度：LONG（经度的缩写）：+ 经度值+ E/W 第三行高度：HIGH：高度值 + 高度单位M+ 定位有效A：0/1（1时有效） 第四行时间：TIME：时分秒.秒的小数两位（国际时间） 1 第五章 实训总结 1】张迎新2】何立民3】谢维成4】余永权 参考文献 C51程序设计》 电子工业出版社 北京航空航天大学出版社北京清华大学出版社 北京清华大学出版社 【 《单片机原理及应用》【 《单片机高级教程》 【 《单片机原理与应用及 【 《单片机在控制系统中的应用》 1 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容