GPS模块和89C52控制器的授时与定位装置设计制作

张涛， 林雨(华北科技学院，河北 三河 065201)

GPS模块和89C52控制器的授时与定位装置设计制作

张涛， 林雨
(华北科技学院，河北 三河 065201)

为精确获取时间信息和位置信息，提出以全球定位系统(GPS)模块为GPS信号处理器、以89C52单片机为控制器的授时与定位装置的设计方案。设计授时与定位装置的系统结构构架，给出装置的主要硬件设计电路和主要软件设计框图，详细阐述GPS数据接受语句的格式及含义。使用Proteus仿真验证设计方案的正确性与可行性。最后制作授时与定位装置实物，实现授时功能与定位功能，具有一定的实用价值。

全球定位系统(GPS)；授时；定位；单片机；仿真设计；实物制作

0 引 言

获得当前时间、位置、速度等信息，是各种需要精确定时、定位工作场所的基本信息要求，是各种精确工作能够正确运行的可靠保证。

本文提出以全球定位系统(GPS)模块为GPS信号处理器、以89C52单片机为控制器的授时与定位装置的设计方案。通过使用全球定位系统(GPS)模块来获得高精度的GPS信号，然后从GPS信号中解析时间、位置、速度等信息，在液晶显示器(LCD)上显示各种相关信息，进而实现授时功能与定位功能[1-2]。

1 授时与定位装置的系统结构设计

GPS授时与定位装置的系统结构框图如图1所示，主要包括电源模块、GPS接收天线、GPS信号接收与处理模块、电平转换电路、主控制器系统、显示接口电路、LCD显示器等部分。

通过GPS接收天线，GPS信号接收与处理模块将接收到的GPS卫星导航电文进行调制解码，将其转换为标准串行通信数据格式，再通过电平转换电路芯片MAX3232实现RS-232—TTL的电平转换，最后送给主控制器89C52单片机的串行数据端口。当89C52单片机收到GPS信号接收与处理模块发送过来的GPS卫星导航电文后，经过单片机片内程序的识别筛选，将筛选出来的导航电文送到显示模块，最后按照要求的编排格式在液晶显示器上显示时间、位置、速度等信息，实现授时功能与定位功能[3-5]。

图1 GPS授时与定位装置的系统结构框图

2 授时与定位装置的硬件系统设计

2.1 GPS信号接收与处理模块

GPS信号接收与处理模块选用瑞士U-Blox公司生产的嵌入式GPS模块NEO-5M-0-001。GPS模块NEO-5M-0-001是一个具有24管脚的高精度GPS信号接收与处理模块，其主要参数为：时间精度为30 ns；位置精度为2.5 m；速度上限为500 m/s；高度上限为50 000 m。

为增强GPS信号的接收效果，在使用GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001时需要外接带有馈线的GPS蘑菇头天线。

GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001的应用电路如图2所示。图中，RF_IN管脚外接GPS蘑菇头天线；VCC管脚接3.3 V直流供电电源。RXD管脚通过电平转换芯片MAX3232与主控制器89C52单片机RXD端口相连接，用于接收89C52单片机发出的启动接收数据等指令；TXD管脚通过电平转换芯片MAX3232与主控制器89C52单片机TXD端口相连接，用于向89C52单片机传输时间、位置、速度等信息。

图2 NEO-5M-0-001的应用电路

2.2 主控制器

本设计的主控制器选用STC89C52型号的单片机。STC89C52单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能的8位微控制器，内含8 K字节的在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。由于STC89C52的系统性能能够满足系统GPS信号数据采集及处理的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故本系统中采用STC89C52作为核心控制器[6]。

2.3 LCD显示接口电路

GPS授时与定位装置需要显示时间、位置、速度等信息，显示内容较多，不宜采用LED显示器。因此，本设计的显示器采用LCD显示器，LCD显示器选用LCD12864。LCD显示器LCD12864的VCC端口接+5 V电源；VSS端口接地。LCD显示器LCD12864的数据/指令端口(RS/CS)、读写端口(R/W)、使能端口(E/SCLK)、复位端口(RESET)分别由单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口控制。LCD显示器LCD12864的显示数据输入端口(DB7DB0)所需要的显示数据或者命令数据则由单片机的端口(P0.7-P0.0)送出。

3 授时与定位装置的软件系统设计及数据格式说明

3.1 主程序软件

主程序软件流程图如图3所示。系统上电后，首先完成GPS信号接收与处理模块初始化、液晶显示器初始化、串行口中断初始化等准备工作。单片机STC89C52控制GPS信号接收与处理模块开始接收GPS数据，当接收的GPS数据正确之后，分别读取并解析时间信息和位置信息，然后送给液晶显示器LCD进行刷新显示，显示时间、位置、速度等信息[7]。

图3 主程序软件流程图

3.2 串行数据格式说明

GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001与单片机STC89C52之间的通信采用RS-232串行通信接口电路，因此需要GPS信号接收与处理模块将接收的GPS数据格式转换为单片机能够接收的串行数据格式。

GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001向单片机STC89C52发送的串行数据格式：

HHMMSSYYYYM2M2DDFFF1F1F2F2H1H1M1M1S1S1$

串行数据格式中各项含义如下：

为起始标志字符42H。

HHMMSSYYYYM2M2DD表示北京时间的时、分、秒、年、月、日。

为工频标志字符46H。

FFF1F1F2F2为周波数的整数部分和小数点后第一、第二、第三、第四位小数部分。

为周波标志字符43H。

H1H1M1M1S1S1为周波钟的时、分、秒。

$为定位标志字符($为24 H时表示当地时钟信号与GPS卫星信号同步；$为23 H时表示当地时钟信号与GPS卫星信号失步)。

为结束标志字符0DH。

4 授时与定位装置的仿真设计

为验证设计方案的可行性，以及验证硬件元件连接是否正确和软件程序编写是否正确，采用Proteus软件对基于单片机的GPS授时与定位装置进行仿真设计模拟[7]。

在仿真过程中加入虚拟终端(Virtual Terminal)VT1，它可以更加直观地显示单片机STC89C52收到GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001所发送的GPS实时数据。

基于单片机的GPS授时与定位装置的仿真结果如图4所示。图中，虚拟终端VT1显示单片机STC89C52收到GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001所发送的GPS实时数据，显示内容的含义如下：

当前地点(华北科技学院)：North China Institute of Science & Technology

当前地点的经度(度)：Longitude=116.796

当前地点的纬度(度)：Latitude=39.954

当前日期(年-月-日)：Date=2013-12-18

当前时间(时∶分∶秒)：Time=12∶34∶56

图4 授时与定位装置的仿真设计结果

5 授时与定位装置的实物制作

硬件设计使用Altium Designer软件，主要用于绘制电路图和绘制印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)。软件设计使用Keil C51软件，主要用于编制C语言程序。

图5 授时与定位装置的实物制作及其实际运行结果

基于单片机的GPS授时与定位装置的实物制作结果如图5所示。在测试时，先将GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001接上天线并把天线放置在窗外，然后将单片机STC89C52与GPS信号接收与处理模块NEO-5M-0-001之间通过串行通讯数据线相连接，再将单片机STC89C52与液晶显示器LCD12864相连接，最后分别给GPS模块与单片机系统供电，就可以实现授时与定位功能。GPS授时与定位装置的实物制作及其实际运行结果的相关信息包括：

测试时的日期为：2014年05月19日；

测试时的时间为：12∶26∶56。

测试地点(华北科技学院)的经度为：北纬40°03′46″；

测试地点(华北科技学院)的纬度为：东经116°19′20″。

6 结束语

为精确获取时间信息和位置信息,本文提出以全球定位系统(GPS)模块为GPS信号处理器、以89C52单片机为控制器的授时与定位装置的设计方案。该授时与定位装置在硬件上采用了专用嵌入式GPS模块，有效地保证了GPS信息的接收准确性，能够满足GPS信息的解析精度和可靠性，有效地解决了时间信息和位置信息的数据接收和数据解析等问题。

使用Proteus软件对所设计的GPS授时与定位装置进行了仿真模拟，以进一步验证设计方案的可行性。在此基础上，完成采购电子元器件、绘制硬件电路图、制作印刷电路板(PCB)、焊接电子元器件、编制软件程序、实验调试等一系列制作步骤，最终完成基于单片机的GPS授时与定位装置的实物制作过程。

经过实践测试，制作的GPS授时与定位装置具有成本低、体积小、精度高等特点，具有自动获取时间信息和位置信息等功能，可以实现连续导航，可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。

[1] 张涛，潘玉民．自动控制系统实验实践教程[M]．北京：煤炭工业出版社，2010．

[2] 薛鹏骞，潘玉民，张涛，等．煤矿安全检测技术与监控系统[M]．北京：煤炭工业出版社，2010．

[3] 张涛．自动化专业毕业设计(论文)指导教程[M]．北京：煤炭工业出版社，2013.

[4] 郭海文，张涛．单片机原理及智能仪表技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2013．

[5] 李斌，贾巍，赵奇，等．基于MSP430单片机的GPS定位系统设计[J].制造业自动化,2010, 32(6):61-63.

[6] 张涛. 基于单片机的瓦斯浓度检测报警装置的设计与仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3)：128-130.

[7] 林雨，张林真，蒋翠景，等. 基于GPS模块和单片机的授时与定位装置的设计及其仿真[J]. 教育科学博览,2014,16(2):86-88.

[8] 张涛. 自动化专业学生的实践能力与创新精神的培养机制[J]. 教育科学博览，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

中央高校基本科研业务费资助项目(3142011027)；中央高校基本科研业务费资助项目(3142014126)；华北科技学院教研基金资助项目(HKJY201410)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.05.037

TP274.2

A

1000-3886(2015)05-0115-03

张涛(1972-)，男，黑龙江拜泉人，阜新矿业学院学士，辽宁工程技术大学硕士，浙江大学博士，华北科技学院自动化系主任，副教授、工程师。研究方向：自动控制、计算机控制系统、煤矿安全生产监控系统。

定稿日期: 2014-11-28