GPS全球定位系統(tǒng)是利用美國24顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信息從而進行實時定位、導航和授時服務的導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)自上個世紀末面向世界全部免費開放以來,迅速地得到了各行各業(yè)的廣泛推廣和使用,比如監(jiān)測、導航、車輛定位以及防盜系統(tǒng)等領域的應用。本文主要介紹了AT89C52單片機的液晶GPS定位儀的設計方法。
GPS系統(tǒng)主要包含著以下三個組成部分:空間部分、地面控制部分以及用戶設備部分,即為GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及GPS信號接收機。
1.空間部分
空間部分即是GPS工作衛(wèi)星及其星座,它是由21顆工作衛(wèi)星以及3顆備用衛(wèi)星組成的,一般都記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi),傾角為55°,各個軌道平面間相距為60°。每個軌道平面內(nèi)各衛(wèi)星之間的升交角距相差度為90°,以軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30°。
位于20000公里高空里GPS衛(wèi)星,如果地球完成自轉(zhuǎn)一周,那么他們環(huán)繞地球運轉(zhuǎn)的時間就是兩周。位于地平線上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的差異而不盡相同,可見度低的時候就4顆,可見度較高的時候就是11顆。在使用GPS信號導航定位時,為了得到三維坐標,就至少應該觀察到4顆衛(wèi)星。當然,在定位的過程中,這4顆衛(wèi)星的相對位置會對定位精確度產(chǎn)生一些影響。對于不同時間和地段時,點位坐標定位的精準性得不到保證,我們稱這一時間段為“間隙段”,但這一間隙段時間是相對短暫的,不會影響大范圍內(nèi)的地方全天候、高精度、連續(xù)定時定位導航。
2.地面控制部分
在導航定位中,GPS衛(wèi)星是一個已知的不斷變化點,衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的信號,通過不斷計算和修正衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù),最終得以確認。而地面設備則是用來監(jiān)控衛(wèi)星上的設備的運轉(zhuǎn)以及衛(wèi)星自身的軌道運行。此外,地面監(jiān)控系統(tǒng)還具有另外一個重要的作用,就是保證各個衛(wèi)星都處在同一時間和標準的GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面觀察站檢測個衛(wèi)星的時間,求出時間差,然后由地面出入轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星,再由導航電文發(fā)給各用戶設備。
GPS接收機在每個監(jiān)測站都必須具有的設備,監(jiān)測站的主要任務就是對各衛(wèi)星進行觀測并向主控提供觀測數(shù)據(jù)。
3.用戶設備部分
用戶設備部分,即GPS信號接收機。它的主要作用是接受待測衛(wèi)星信號,并對衛(wèi)星的運行進行跟蹤,然后按照一定方法處理所接收到的信號,用以測量GPS信號從衛(wèi)星到接受天線的傳播時間,然后對來自GPS衛(wèi)星的導航電文進行一個解讀,實時計算出測站的三維位置,以及三維速度和時間。
定位一般分為兩種:即靜態(tài)定位和動態(tài)定位。其中,靜態(tài)定位GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的時候,自身的位置不會發(fā)生變化,接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間,利用GPS衛(wèi)星在軌的位置,解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位,則是利用GPS接收機預估一條物體的運行軌跡。而這個運動中的物體,是指GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中,與地球之間的相對運動,接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)。
GPS定位儀系統(tǒng)具有以下幾大特點:1.全球全球定位;2.定位精度極高;3.觀測時間短;4.儀器設備操作簡單;5.具有較強的存儲功能。
最初的GPS定位儀被運用于軍事領域,但是隨著時代的發(fā)展,GPS定位儀開始廣泛運用于人們?nèi)粘5纳a(chǎn)生活活動中,例如工程測量、地質(zhì)勘探、車輛導航以及戶外旅行等。GPS定位儀基本的服務內(nèi)容分為兩大類型:一是空間位置服務,例如定位、導航以及測量等功能;二是時間服務,例如系統(tǒng)同步以及時間校準等。
AT89C52是一個低電壓,高性能CMOS 8位單片機,片內(nèi)含8K Bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn),兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用,在GPS定位儀中也不例外。
系統(tǒng)程序包括主程序、數(shù)據(jù)接收子程序、時間轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序。設接收到的時間信息放在顯示緩沖區(qū)中,顯示緩沖區(qū)的地址為60H,61H,…,65H,依次存放時時分分秒秒。程序如下:
AT89C52單片機因為精密度高、兼容性強以及強大存儲功能,所以在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。基于AT89C52設計的GPS定位儀具有以下幾種功能:
1.8K可反復擦寫FLASH ROM;
圖1 原理框圖
圖2 主程序流程圖
圖3 系統(tǒng)初始化子程序流程圖
圖4 經(jīng)緯度顯示主程序流程圖
圖5 中斷接收子程序流程圖
2.兼容MCS-51指令系統(tǒng);
3.3個16位可編程定時、計數(shù)器中斷;
4.2個外部中斷源,共8個中斷源;
5.256x8bit;
6.有PDIP、PAFP、TQFP以及PLCC等幾種封裝形式,以適應不同產(chǎn)品的需求;
7.2個讀寫中斷口線,3級加密位;
8.時鐘頻率0-24MHZ;
9.2個串行中斷,可編程UART串行通道;
10.低能耗空閑和掉電模式,軟件設置睡眠和喚醒功能。
①硬件設計
基于AT89C52單片機的GPS定位儀主要是將液晶顯示和控制鍵盤作為主要的GPS定位模塊以及人機對話接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效交換的。該GPS定位儀的硬件部分具體是由CGM-12232液晶顯示器、GPS OEM模塊以及AT89C52單片機等等組成的。簡單來說,相關的定位信息數(shù)據(jù)通過GPS OEM發(fā)送以后傳至相應的單片機串行口位置,然后經(jīng)由單片機簡單地進行處理后再傳送到液晶顯示器上,由液晶顯示器將相應的信息顯示出來,如圖1所示。
②軟件設計
基于AT89C52單片機的GPS定位儀軟件所要完成的相關功能包含了實時顯示經(jīng)緯度和標準時間、GPS信號接收、字操作控制與實現(xiàn)、鍵盤中斷處理等方面,其所選用的設計類型主要為模塊化設計,其具體的軟件程序一般包含主程序、系統(tǒng)初始化子程序、經(jīng)緯度顯示子程序和中斷接收子程序發(fā),如圖2、3、4、5所示。
經(jīng)過嚴格測試審核后,該基于AT89C52單片機的GPS定位儀基本滿足系統(tǒng)運行要求,其針對相應的GPS定位數(shù)據(jù)的有效顯示進行了充分的展示,在實際的調(diào)試過程中,該單片機的實際電路操作比較便捷。
由于計算機技術、網(wǎng)絡技術以及GPS定位技術等相關技術所具有的全天候、高精度及自動測量的特征,其已經(jīng)作為先進的測量手段和新興生產(chǎn)力,成為人們?nèi)粘Ia(chǎn)生活中一個不可缺少的重要組成部分,同時它也是也是國防力量不斷增強和社會不斷發(fā)展的可靠保障。因此開展對GPS各領域的研究具有重要的意義。AT89C52是一個低電壓,高性能CMOS 8位單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。通過對AT89C52單片機液晶GPS定位儀的研究,有利于GPS電子系統(tǒng)不斷更新和趨向先進化,以滿足電子行業(yè)日益變化的需求,從而研發(fā)出更先進的電子產(chǎn)品。
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