基于GPS的面积测量仪.doc

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1、编码： 山东省第四届大学生物理科技创新大赛作品申报书 作品名称： 基于GPS的面积测量仪 学校全称： 菏泽学院 申报者姓名： 朱广帅 指导教师： 杨慧敏 类别：实验方法研究（A类）自制实验教学仪器（B类）物理量智能化测量技术（C类）实验模拟与仿真（D类） 实用创新（E类）山东省第四届大学生物理科技创新大赛组委会制2012年6月说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求如实填写。2编码由大赛组委会统一填写。3作品的研究报告必须用中文撰写，并附于申报书后，一般不应少于2000字。4作品申报书必须按规定时间由各校统一将电子稿件发到大赛组委会E-MAIL邮箱，或者直接送到大赛组委会。5竞赛组委会

2、地址：济南市济微路106号济南大学西校区物理科学与技术学院 邮 编：250022接收作品邮箱地址：842155755或545557739联系电话：0531-82767268 郝老师、0531-82767267 郑老师 联系人：郝伟 139053118416 郑爱华 18660127588申 报 者 情 况申报者情况姓 名朱广帅性别男 出生年月1991.10学校全称菏泽学院专业电子信息科学与技术现学历本科年级 2010级学制四年通讯地址菏泽学院物理系联系电话18769002091合作者情况姓 名性别年龄学历所在单位李滨男21专科菏泽学院物理系王东旭男22专科菏泽学院物理系张力方男23专科菏泽学院

3、物理系指导教师情况和意见指导教师情况 姓名杨慧敏性别女年龄 28职 称 助教单位 菏泽学院物理系联系电话13853071511对作品的真实性以及作品的意义、水平等评价该GPS面积测量仪既能满足当前精度农业的要求，又克服了已有测量方法的不足之处，并且具有便于携带、智能化程度高、精度高、好操作、性价比高等特点。因此GPS面积测量仪在当代农业发展和科技领域中有着良好的推广前景和广泛的应用。申报者所在学院审核意见 情况属实，同意申报2012年 7 月 7 日申报作品情况（由申报者本人填写）作品全称基于GPS的面积测量仪展示形式及实物尺寸软件 ； 实物及尺寸：作品设计的目的和基本思路（相关资料作为附件，

4、例如研究报告、实验数据、外观图、鉴定证书和应用证书等）设计目的： 在我们生活和工作中有时我们需要对一个我们并不熟悉的地方进行探索，所以它的大小及外围尺寸都是我们的研究对象，但是对于一个不规则形状的地方，我们就无能为力了。为了解决这一难题，该设计利用导航定位系统在可预见的误差内完成测量。基本思路： 该设计基于51单片机和GPS开发了面积测量系统。该系统采用全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高程等导航和定位信息，利用GPS的定位功能，得出各个点的坐标，再通过数学方法计算出距离、面积等数据。由于地球是一个椭球，为了精确计算距离或面积，一般采用投影的方式转换成平面坐标来进行计算测量。作品的创新

5、点、技术难点和实际应用情况创新点：1、该设计在基于GPS系统，采用实时监控作业地点的经纬度获得工作地点的坐标，再利用公式进行计算获得面积甚至是周长、距离和坡度等信息。2、该系统采用了存储模块，可以进行测量数据的保存，利于进行数据的记录。3、该设计尺寸不大便于携带，可以应用到很多环境中。技术难点：由于地球是一个椭球，为了精确计算距离或面积，一般采用投影的方式转换成平面坐标。然而投影法计算十分复杂，难以在单片机中实现。为了简化计算，我们将地球视为正球体。取地球半径为6371116m，则可转换成平面坐标: 。式中:R为地球半径，x为经度/m,y 为纬度/m。则在地球表面Y经度处，经度差、纬度差各为一

6、度的方格面积为: 实际应用情况： 在理论情况下我们的设计符合客观要求，在现实的技术支持下我们的设计在误差允许的范围内能够正常工作并且显示出来结果。面积精度大约为0.3亩或3%（越大越精确），长度精度和GPS精度有关大约在2m左右。其他说明评审委员会意见组委会秘书处资格审查通过审查 未通过审查 审查人（签名） 年 月 日评审小组成绩 小组内排名： 得 分： 组长（签名） 年 月 日评审会终审建议特等奖 一等奖二等奖 三等奖未获奖 主任（签名） 年 月 日编码： 山东省第三届大学生物理科技创新大赛研究报告作品名称： 基于GPS的面积测量仪 学校全称： 菏泽学院 申报者姓名： 朱广帅 指导教师： 杨

7、慧敏 类别： 实验方法研究（A类）自制实验教学仪器（B类）物理量智能化测量（C类）实验模拟与仿真（D类）实用创新（E类）基于GPS的面积测量仪摘要：基于GPS的便携式面积检测装置，主要以AT89C52单片机为主控制器，通过对工作状态地点经纬度、坐标等进行实时数据采集，测量结果在液晶12864上实时显示。该设计优化存贮器设计、COM口设计、GPS接口电路设计等系统硬件结构，并在C语言环境编写相应的驱动程序。该系统能达到实时记录工作时间、工作地点、作业面积等信息的目的；同时，该装置不仅适合于规则图形的面积测量，并且对于不规则图形的面积测量也具有较高的精度，平均测量精度为97%，可为实时测量作业面积

8、提供依据。关键词： AT89C52；GPS；12864液晶显示：存储器；面积测量 研究背景由于现在的面积测量主要由手动测量为主，而且估算比重大，精确度非常低还非常麻烦，在当今科技空前发达的世界，这不仅不能满足我们的要求，而且还给我们带来了很多不必要的麻烦。目前，我国农业生产已经基本实现了机械化，在农民收获，换季的时候，用于收割、粉碎、翻地和播种的机器都要进行工作还要进行收费，我们不可能一点一点的丈量那些农田，这不实际，现实要求一款功能强大的较人性化智能化的面积测量仪来终结这一现象1-3。随着经济的不断发展，人们的生活水平得到了显著提高；科学技术的进步，带来了我们对这个世界的不断的探索，面积测量

9、仪的诞生不仅可以应用到民用工程，同时在工程上，科研探索上都会用到。我们都知道目前GPS是覆盖全球的卫星导航系统4-6，它的存在给我们的研究提供了可能。而且目前精细农业是系统集成技术和农田作业高效管理两者的有机统一。它需要多学科知识的支持，不同的应用系统需要有不同的硬件。软件设计规范、标准、数据格式和通讯协议。农田信息采集系统不是单一的系统，在实际应用中需要和其他设备相配合 创新点（1）相对于传统手动测量，该设计本身就是一个创新。（2）该设计在基于GPS系统，采用实时监控作业地点的经纬度获得工作地点的坐标，再利用公式进行计算获得面积甚至是周长、距离和坡度等信息。（3）该系统采用了存储模块，可以进

10、行测量数据的保存，利于进行数据的记录。（4）该设计尺寸不大便于携带，可以应用到很多环境中。（5）此套装置全手工加工制作（包括设计图纸、下料、打磨、钻孔、组装、调试等）。（6）整个系统设计合理，结构美观，携带方便、价格相对便宜，可操作强，达到了节能、环保、低碳、可持续发展的设计理念1 设计内容1.1 设计内容 （1）利用DS18B20测量温度进行温度补偿。 （2）利用GPS模块遥控感应卫星定位系统。 （3）使用储存模块存储工作地点的经纬度数据，并分析出坐标。 （4）采用51单片机进行数据处理分析和计算。 （5）使用键盘进行操作，完成指令。 （6）根据获取的数据进行调节和控制，实现智能化测面积和长

11、度。感应元件按键操作AT89C52GPS模块液晶显示数据存储图1 系统的结构框图系统研究过程如下：该设计通过电源供电后，感应元件在程序驱动下感应GPS导航系统信号，同时系统实施接收导航系统传来的经纬坐标，在我们移动测量仪的过程中实时进行数据的传输，并且记录下来，为最后的计算提供所需要的数据。单片机模块在GPS模块完成数据传输后按照我们程序的要求：（1）、按照功能选择按键的指示完成操作：（2）、进行数据的分析和最终结果的输出显示：（3）、把记录的数据自动存储下来，方便下一次的查看。归一化处理:测量结束后,按归一化处理按键,可对所有数据以最大值为标度进行归一化计算,并将所有归一化值保存在该数据存储

12、器中,可供随时查看。1.2 设计方案方案一：此设计采用CAP技术测得待测区的面积。首先我们必须要对这一地点进行规则分块处理，求得各块面积之后再进行求总。方案二：该设计要求GPS模块的信息传输，通过实施监测得到待测地点四周的坐标，通过单片机强大地分析和计算能力最后整合所有数据得到结果，并可以进行以上结果的查询处理，比较所得数据，最后在测量结束后可以把结果进行存储。比较以上方案可得，方案一只能对一部分待测地进行面积的测量，对于不可能分块的湖泊等特殊地点是不可能测量出面积结果的，方案二的设计通过GPS导航系统的精准定位可以高精度的测量出待测地的面积。所以综上所述，我们该用第二套方案。2 设计元器件2

13、.1 主控元器件考虑到费用和便于操作，我们选择AT89C52为核心控制芯片。AT89C52 是一种低功耗、高性能CMOS16位微控制器，具有8K的系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也能适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的16位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52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。 AT89C52具有以下标准功能：16K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计

14、数器，一个8向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。2.2 数据存储器24C08本系统需要将检测的数据加以储存，以便于后期统一处理，于是考虑到用E2PROM用来储存数据，综合各种原因我们采用24C08芯片。24C08是一个8K位串行CMOS E2PROM，内部含有1024个8位字节。具有如下特性：（1）工作在1.8 到6.0伏电压范围内；（2）低功耗CMOS 技术；（3）写保护功能，当WP为高电平时进入写保护状态；（4）具有页写缓冲器；（5）可以自定义时擦写周期时间；（6）可保存时间长久。（7）能够和400

15、KHz I2C 总线相互兼容；2.3 液晶显示器12864带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块

16、。2.4 GPS模块GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。模块只有同时收到3颗以上卫星信号后，经过复杂运算后才能获得正确的定位数据，如果同时通讯的卫星颗数越多，模块就能越快越准确地获得定位数据，在地球表面上一般的城市环境下通常可以同时和411颗卫星同时通讯。3 主要电路设计3.1 系统电源的设计将220V的交流电经过220V-9V的变压，再将输出的电压经过直流整流与滤波处理，最终通过稳压模块7805获得5V的电压，其电路如图2所示。 图2 电源电路3.2 单片机最小系统图3 单片机最小系统原理图3.3 显示模块电路图4 12864液晶显

17、示电路3.4 按键电路图5 按键原理图3.5 GPS模块图6 GPS数据传输模拟图4 系统调试把写好的汇编语言程序的载入软件调试工具，检查软件是否有设法错误，再根据软件提示对本程序进行修改，直到没有错误再生成单片机能运行的机器码，再用51开发板或其它单怎机写入工具把机器码写入单片机进行实际的程序调试，根据实际情况再对程序的不足加以修改，直到满足设计要求。5 实际应用1、应用到精密农业试验田的规划。2、应用到当今农业机械化的收费中来，对于农业收割，翻地，粉碎和播种的按地的数量进行收税，用于农田的数量测量。3、用于实验室和科技探索领域中面积大小的测量。6 总结GPS面积测量仪具有精度高、易操作的特

18、点。实验数据的采集、存储和处理都由单片机控制完成,并用去除环境光强和去除最值求平均值的方法减小误差,可以提高测量精度,缩短测量时间,使学生能更好的进行实验现象的观察和实验数据的理论分析。7 参考文献1 陈书旺、张秀清、董建彬.传感器应用及电路设计M. 化学工业出版社，2008.5，110-140.2 马建国.电子系统设计M.北京：高等教育出版社, 2008，35-92.3 张齐.单片机应用系统设计技术M.北京:电子工业出版社，2007，56-63.4 王晓明. 电动机的单片机控制J. 学术期刊，2007，13（15）：1322-1755.5郭惠，吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册M.电子工业出版社,2008.10：1-200.6 余孟尝.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社, 2008，371-386.附录:部分系统电路原理图及其PCB