張濤， 林雨(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

GPS模塊和89C52控制器的授時與定位裝置設(shè)計制作

張濤， 林雨
(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

為精確獲取時間信息和位置信息，提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號處理器、以89C52單片機為控制器的授時與定位裝置的設(shè)計方案。設(shè)計授時與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架，給出裝置的主要硬件設(shè)計電路和主要軟件設(shè)計框圖，詳細闡述GPS數(shù)據(jù)接受語句的格式及含義。使用Proteus仿真驗證設(shè)計方案的正確性與可行性。最后制作授時與定位裝置實物，實現(xiàn)授時功能與定位功能，具有一定的實用價值。

全球定位系統(tǒng)(GPS)；授時；定位；單片機；仿真設(shè)計；實物制作

0 引 言

獲得當前時間、位置、速度等信息，是各種需要精確定時、定位工作場所的基本信息要求，是各種精確工作能夠正確運行的可靠保證。

本文提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號處理器、以89C52單片機為控制器的授時與定位裝置的設(shè)計方案。通過使用全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊來獲得高精度的GPS信號，然后從GPS信號中解析時間、位置、速度等信息，在液晶顯示器(LCD)上顯示各種相關(guān)信息，進而實現(xiàn)授時功能與定位功能[1-2]。

1 授時與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

GPS授時與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、GPS接收天線、GPS信號接收與處理模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、主控制器系統(tǒng)、顯示接口電路、LCD顯示器等部分。

通過GPS接收天線，GPS信號接收與處理模塊將接收到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文進行調(diào)制解碼，將其轉(zhuǎn)換為標準串行通信數(shù)據(jù)格式，再通過電平轉(zhuǎn)換電路芯片MAX3232實現(xiàn)RS-232—TTL的電平轉(zhuǎn)換，最后送給主控制器89C52單片機的串行數(shù)據(jù)端口。當89C52單片機收到GPS信號接收與處理模塊發(fā)送過來的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文后，經(jīng)過單片機片內(nèi)程序的識別篩選，將篩選出來的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，最后按照要求的編排格式在液晶顯示器上顯示時間、位置、速度等信息，實現(xiàn)授時功能與定位功能[3-5]。

圖1 GPS授時與定位裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 授時與定位裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 GPS信號接收與處理模塊

GPS信號接收與處理模塊選用瑞士U-Blox公司生產(chǎn)的嵌入式GPS模塊NEO-5M-0-001。GPS模塊NEO-5M-0-001是一個具有24管腳的高精度GPS信號接收與處理模塊，其主要參數(shù)為：時間精度為30 ns；位置精度為2.5 m；速度上限為500 m/s；高度上限為50 000 m。

為增強GPS信號的接收效果，在使用GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001時需要外接帶有饋線的GPS蘑菇頭天線。

GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001的應(yīng)用電路如圖2所示。圖中，RF_IN管腳外接GPS蘑菇頭天線；VCC管腳接3.3 V直流供電電源。RXD管腳通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與主控制器89C52單片機RXD端口相連接，用于接收89C52單片機發(fā)出的啟動接收數(shù)據(jù)等指令；TXD管腳通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與主控制器89C52單片機TXD端口相連接，用于向89C52單片機傳輸時間、位置、速度等信息。

圖2 NEO-5M-0-001的應(yīng)用電路

2.2 主控制器

本設(shè)計的主控制器選用STC89C52型號的單片機。STC89C52單片機是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)含8 K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。由于STC89C52的系統(tǒng)性能能夠滿足系統(tǒng)GPS信號數(shù)據(jù)采集及處理的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應(yīng)用也很成熟，故本系統(tǒng)中采用STC89C52作為核心控制器[6]。

2.3 LCD顯示接口電路

GPS授時與定位裝置需要顯示時間、位置、速度等信息，顯示內(nèi)容較多，不宜采用LED顯示器。因此，本設(shè)計的顯示器采用LCD顯示器，LCD顯示器選用LCD12864。LCD顯示器LCD12864的VCC端口接+5 V電源；VSS端口接地。LCD顯示器LCD12864的數(shù)據(jù)/指令端口(RS/CS)、讀寫端口(R/W)、使能端口(E/SCLK)、復(fù)位端口(RESET)分別由單片機的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口控制。LCD顯示器LCD12864的顯示數(shù)據(jù)輸入端口(DB7DB0)所需要的顯示數(shù)據(jù)或者命令數(shù)據(jù)則由單片機的端口(P0.7-P0.0)送出。

3 授時與定位裝置的軟件系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)格式說明

3.1 主程序軟件

主程序軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先完成GPS信號接收與處理模塊初始化、液晶顯示器初始化、串行口中斷初始化等準備工作。單片機STC89C52控制GPS信號接收與處理模塊開始接收GPS數(shù)據(jù)，當接收的GPS數(shù)據(jù)正確之后，分別讀取并解析時間信息和位置信息，然后送給液晶顯示器LCD進行刷新顯示，顯示時間、位置、速度等信息[7]。

圖3 主程序軟件流程圖

3.2 串行數(shù)據(jù)格式說明

GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001與單片機STC89C52之間的通信采用RS-232串行通信接口電路，因此需要GPS信號接收與處理模塊將接收的GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為單片機能夠接收的串行數(shù)據(jù)格式。

GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001向單片機STC89C52發(fā)送的串行數(shù)據(jù)格式：

HHMMSSYYYYM2M2DDFFF1F1F2F2H1H1M1M1S1S1$

串行數(shù)據(jù)格式中各項含義如下：

為起始標志字符42H。

HHMMSSYYYYM2M2DD表示北京時間的時、分、秒、年、月、日。

為工頻標志字符46H。

FFF1F1F2F2為周波數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)點后第一、第二、第三、第四位小數(shù)部分。

為周波標志字符43H。

H1H1M1M1S1S1為周波鐘的時、分、秒。

$為定位標志字符($為24 H時表示當?shù)貢r鐘信號與GPS衛(wèi)星信號同步；$為23 H時表示當?shù)貢r鐘信號與GPS衛(wèi)星信號失步)。

為結(jié)束標志字符0DH。

4 授時與定位裝置的仿真設(shè)計

為驗證設(shè)計方案的可行性，以及驗證硬件元件連接是否正確和軟件程序編寫是否正確，采用Proteus軟件對基于單片機的GPS授時與定位裝置進行仿真設(shè)計模擬[7]。

在仿真過程中加入虛擬終端(Virtual Terminal)VT1，它可以更加直觀地顯示單片機STC89C52收到GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001所發(fā)送的GPS實時數(shù)據(jù)。

基于單片機的GPS授時與定位裝置的仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，虛擬終端VT1顯示單片機STC89C52收到GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001所發(fā)送的GPS實時數(shù)據(jù)，顯示內(nèi)容的含義如下：

當前地點(華北科技學(xué)院)：North China Institute of Science & Technology

當前地點的經(jīng)度(度)：Longitude=116.796

當前地點的緯度(度)：Latitude=39.954

當前日期(年-月-日)：Date=2013-12-18

當前時間(時∶分∶秒)：Time=12∶34∶56

圖4 授時與定位裝置的仿真設(shè)計結(jié)果

5 授時與定位裝置的實物制作

硬件設(shè)計使用Altium Designer軟件，主要用于繪制電路圖和繪制印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。軟件設(shè)計使用Keil C51軟件，主要用于編制C語言程序。

圖5 授時與定位裝置的實物制作及其實際運行結(jié)果

基于單片機的GPS授時與定位裝置的實物制作結(jié)果如圖5所示。在測試時，先將GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001接上天線并把天線放置在窗外，然后將單片機STC89C52與GPS信號接收與處理模塊NEO-5M-0-001之間通過串行通訊數(shù)據(jù)線相連接，再將單片機STC89C52與液晶顯示器LCD12864相連接，最后分別給GPS模塊與單片機系統(tǒng)供電，就可以實現(xiàn)授時與定位功能。GPS授時與定位裝置的實物制作及其實際運行結(jié)果的相關(guān)信息包括：

測試時的日期為：2014年05月19日；

測試時的時間為：12∶26∶56。

測試地點(華北科技學(xué)院)的經(jīng)度為：北緯40°03′46″；

測試地點(華北科技學(xué)院)的緯度為：東經(jīng)116°19′20″。

6 結(jié)束語

為精確獲取時間信息和位置信息,本文提出以全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊為GPS信號處理器、以89C52單片機為控制器的授時與定位裝置的設(shè)計方案。該授時與定位裝置在硬件上采用了專用嵌入式GPS模塊，有效地保證了GPS信息的接收準確性，能夠滿足GPS信息的解析精度和可靠性，有效地解決了時間信息和位置信息的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析等問題。

使用Proteus軟件對所設(shè)計的GPS授時與定位裝置進行了仿真模擬，以進一步驗證設(shè)計方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，完成采購電子元器件、繪制硬件電路圖、制作印刷電路板(PCB)、焊接電子元器件、編制軟件程序、實驗調(diào)試等一系列制作步驟，最終完成基于單片機的GPS授時與定位裝置的實物制作過程。

經(jīng)過實踐測試，制作的GPS授時與定位裝置具有成本低、體積小、精度高等特點，具有自動獲取時間信息和位置信息等功能，可以實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)航，可應(yīng)用于個人野外旅游探險、出租汽車定位及海上作業(yè)等領(lǐng)域。

[1] 張濤，潘玉民．自動控制系統(tǒng)實驗實踐教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[2] 薛鵬騫，潘玉民，張濤，等．煤礦安全檢測技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[3] 張濤．自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(論文)指導(dǎo)教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

[4] 郭海文，張濤．單片機原理及智能儀表技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013．

[5] 李斌，賈巍，趙奇，等．基于MSP430單片機的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010, 32(6):61-63.

[6] 張濤. 基于單片機的瓦斯?jié)舛葯z測報警裝置的設(shè)計與仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3)：128-130.

[7] 林雨，張林真，蔣翠景，等. 基于GPS模塊和單片機的授時與定位裝置的設(shè)計及其仿真[J]. 教育科學(xué)博覽,2014,16(2):86-88.

[8] 張濤. 自動化專業(yè)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機制[J]. 教育科學(xué)博覽，2012,14(12):23-26.

Design and Manufacturing of the Timing and Positioning Device for GPS Module and 89C52 Controller

ZHANG Tao, LIN Yu
(North China Institute of Science & Technology, Sanhe Hebei 065201, China)

In order to obtain precise time and location information, this paper proposes a design scheme for the timing and positioning device using global positioning system (GPS) module as GPS signal processor and MCU 89C52 as controller. The paper introduces the overall framework of the timing and positioning device, gives its main hardware circuit and main software block diagrams, and explains details about the format and the meaning of GPS data acceptance statement. Proteus simulation is used to verify the correctness and feasibility of the design scheme. Finally, a physical timing and positioning device is manufactured to realize timing and positioning functions. The device is of certain practical value.

global positioning system (GPS); timing; positioning; single-chip microcomputer (SCM); simulation design; physical manufacturing

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3142011027)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3142014126)；華北科技學(xué)院教研基金資助項目(HKJY201410)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.05.037

TP274.2

A

1000-3886(2015)05-0115-03

張濤(1972-)，男，黑龍江拜泉人，阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)士，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士，浙江大學(xué)博士，華北科技學(xué)院自動化系主任，副教授、工程師。研究方向：自動控制、計算機控制系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

定稿日期: 2014-11-28