GPS卫星定位及短信接收发送系统.doc

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1、本科生毕业论文GPS卫星定位及短信接收/发送系统 作者姓名 指导教师 所在学院 物理科学与信息工程学院 专业(系) 电子信息工程 班级(届) 目 录中文摘要、关键词 （1）1、 绪论（1）2、整体方案论证（1）3、电路组成和工作原理（4）3.1 显示电路的设计 （5）3.2 GPS信息采集电路的设计 （6）3.3 GPS发短信电路的设计 （6）3.4 数据存储器扩展电路设计 （7）3.5 单片机处理系统的设计 （8）4、整体制作 （11）5、程序部分的整体设计 （11）5.1 采集GPS信息流程 （11）5.2 发短消息流程 （13）5.3 程序整体流程 （17）6、电路的测试 （18）6.1

2、 GPS数据采集和G18通信电路的调试 （18）6.2 显示电路的调试 （18）6.3 整体电路调试及性能分析 （19）7、结束语 （20）附录：控制源程序清单（20）参考文献 （41）英文摘要、关键词（41）摘要：本系统是基于中国移动短信平台，利用全球卫星定位系统模块GARMIN15L和摩托罗拉工业手机模块G18实现实时显示受控单位的位置信息以及通过短消息的形式控制受控单位实现相应的功能。本系统的中央控制单元MCU采用美国ATMEL公司的AT89C51控制单元，通过串口实现与GPS模块GARMIN15L和G18之间的数据通信。三个数码管显示位置信息，G18通过手机短信定时向固定手机号发送GA

3、RMIN15L采集到的位置信息，用手机通过短消息形式可以控制系统实现特定的控制功能，并显示出相应的控制指令。 由于对位置和状态信息的数据要求有一定的实时性。同时受控单位与调控中心之间的信息沟通实际上也是一种数据的通信方式，其信息量一般也不会超过GSM短信息的长度范围。因此利用GSM的短消息业务基本可满足系统通信的需要。 其次，通过短信息方式发送数据其成本代价远远低于其它方式（如通过话音信道）。本系统具有一定的实时性，非常适合用于车辆或大型设备的的定位、数据反馈和远程监控。关键词：AT89C51 GPS 短消息 GARMIN15L G181、 绪论本系统基于移动通信平台，利用全球卫星定位系统模块

4、GARMIN15L和摩托罗拉工业手机模块G18实现实时显示受控单位的位置信息以及通过短消息的形式控制受控单位实现相应的功能。GPS模块通过接收卫星的信息可以准确的记录受控终端的位置信息、速度信息、海拔高度等等。这些数据通过串行输入口把数据送给控制器（AT89C51单片机）处理，控制器把处理好的数据转换成固定格式的数据，通过串行输出口送给G18手机模块发送给监控终端或指定的手机号。报告受控终端的位置信息。在本系统中采集和发送经纬度信息。本系统具有一定的实时性，非常适合用于车辆或大型设备的定位、数据反馈和远程监控。2、 整体方案论证本系统利用AT89C51单片机通过串行输入口（RXD）和串行输出口

5、(TXD)分时实现对GARMIN15L的定位数据采集和处理G18接收到的控制信息及传送给G18要发送的定位信息，并通过四位数码管显示出相应的信息。GPS位置信息显示用四个数码管轮流动态显示，G18由中央处理器MCU控制定时向指定的手机号上发送短消息来报告受控单元的位置信息（本系统设定3分钟发送一次）。同时G18接收处理另外一个指定的G18（或指定的的手机）发送的信息或命令执行相应的命令并显示。该系统本着精确、可靠、先进、实用、经济、合理的原则进行设计,在设计过程中应该把握以下系统设计原则:1、 准确性：确保数据在传输中的准确性,可在数据的传输中加入校验和。2、 可靠性：软件设置要合理,在通信失

6、败后要有相应的操作,以便重要数据不被丢失。3、 及时性：对于控制中心的命令要及时的处理。4、 先进性：系统设计尽可能不以降低系统的可靠性为代价,真正做到不仅具有当今先进技术，采用先进的概念、技术和方法，而且具有发展潜力。GPS接收板在市场上品种较多5，GARMIN公司的GPS15LVS系列OEM（Original Equipment Manufacturer）接收板具有很高的性价比，是目前应用最广泛的GPS接收处理板，能满足各种导航和实时领域的需要。GPS15LVS系列OEM板采用单一5V供电，内置保护电池，RS232、TTL两种电平自动输出NMEA0183 2.0格式（ASCII字符型）语句

7、，其主要性能特点如下：l 并行12通道，可同时接收12颗卫星；l 定位时间：重捕2s，热启动为15s，冷启动45s，自动搜索90s；l 定位精度：15 mRMS/差分时5 m；l RS232输出，波特率可由软件设置（12009600）；l 工作环境温度：3585。C；l 尺寸：46.5mm69.8mm11.4mm；l 输入电压（DC）：5.0（10.05）V；l 后备电源：板置3V锂电池（10）年寿命；l 功耗：1W；l 天线接口：50 MCX接头有源天线（5V）；l 电源/数据口：单排12插针。GARMIN15L输出的数据格式如下 5：$GPGGA,M,M,*hh传送的信息说明如下：$GPG

8、GA： 起始引导符及语句格式说明（本句为GPS定位数据） UTC时间，时时分分秒秒格式 纬度，度度分分.分分分分格式（第一位是零也将传送） 纬度半球，N或S（北纬或南纬） 经度，度度分分.分分分分格式（第一位零也将传送） 经度半球，E或W（东经或西经） GPS质量指示，0=方位无法使用，1=非差分GPS获得方位，2=差分方式获得方位（DGPS），6=估计获得 使用卫星数量，从00到12（第一个零也将传送） 水平精确度，0.5到99.9 天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米M 指单位米 大地水准面高度，-999.9到9999.9米M 指单位米 差分GPS数据期限（RTCM SC-1

9、04），最后设立RTCM传送的秒数量（如无DGPS为0） 差分参考基站标号，从0000到1023（首位0也将传送。如无DGPS为0）* 语句结束标志符hh 从$开始的所有ASCII码的校验和 此项在GPS25-LVS板中不传送 此项在GPS25-LVS板中不传送OEM板输出的信息可在PC机的超级中端中显示，也可在GARMIN公司提供的GPSCFG.EXE设置软件中显示，如在PC机上看到的实时接收GPGGA语句为： $GPGGA,114641,3002.3232,N,12206.1157,E,1,03,12.9,53.2,M,11.6,M,*4A这是一条GPS定位数据信息语句，意思为UTC时间为

10、11时46分41秒，位置在北纬30度2.3232分，东经122度6.1157分，普通GPS定位方式，接收到3颗卫星，水平精度12.9米，天线离海平面高度53.2米，所在地离地平面高度11.6米，校验和为4AH。G18是摩托罗拉公司生产的GSM通信模块,性能指标超群，稳定性极高，广泛应用于短信中心、GPRS无线上网、GPS-GSM卫星导航、监控系统、遥控遥测系统、无线公话、无线传真机、无线POS机、无线售卖机等无线通信及数据传输的产品。与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：1、 速度快，实时性好，不掉线；2、 可以双向通信，及时返回终端信息；3、 设备体积小，操作简

11、单； 4、 由于控制中心基于移动平台无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用；5、 覆盖面广受地理环境的影响小；6、 不受气候影响。考虑到端口的使用要求，决定使用四并行口的AT89C51单片机作为控器，用LED共阳数码管及GPS15-LVS系列OEM接收板和G18工业手机模块实现系统功能。3、 电路组成和工作原理 单片机在GPS卫星定位及短信遥控系统中的应用系统框架图如图3-1所示。图3-1 整体系统框架图1、 主控制器MCU部分 2、硬件看门狗电路部分3、G18模块部分 4、GPS模块部分 5、数据存储器扩展部分 6、数码管显示部分7、时钟电路部分3.1 显示电路的设计3用四位共阳数码

12、管作为系统的显示部分，因控制器（AT89C51单片机）的并行输入输出口有四路，而系统扩展占用了P0口和P2口，串行口有用到了P3.0和P3.1。静态显示并口资源不足，故采用四位数码管动态轮流显示。P1口用于段码数据输出P2.1 P2.2 P2.3 P2.4通过三极管驱动作为LED位选控制线。段码驱动采用74LS244集成驱动块。（74LS244集成驱动块框图如图3-2所示） 图3-2 74LS244集成驱动块框图74LS244是一个半导体集成电路,它由两部分主要电路组成.每部分由4个分立的普通的输入输出电路组成,而且还可以有高阻态输出.它的功能有:低输入负载系数, 磁滞提供 (400 mV 典

13、型的),很高的破坏电压(大于等于15V),负载能力强,三态输出,宽的温度范围(-20到+75度)。电路原理图如图3-3所示 图3-4 显示部分原理图3.2 GPS信息采集电路的设计GPS15LVS系列OEM接收板采用12脚的接口，接口各引脚的功能如图3-3所示。设计中使用了串口1或12脚的NMEA输出口，串口1可用于PC机对OEM接收板进行参数设置，12脚NMEA输出口用于单片机信息接收处理。图3-5 GPS15LVS板引脚接口功能3.3 G18发短信电路的设计G18是摩托罗拉公司生产的GSM通信模块,性能指标超群，稳定性极高，广泛应用于短信中心、GPRS无线上网、GPS-GSM卫星导航、监控

14、系统、遥控遥测系统、无线公话、无线传真机、无线POS机、无线售卖机等无线通信及数据传输的产品。G18虽然支持无线上网,但是它没有内置的协议栈.在远程控制通信中即可采用SMS方式,又可采用GPRS方式。表3-1 G18的电流消耗情况：方式消耗电流G18没有配件、没有呼叫，睡眠模式4mA DRX9. 7.5mA DRX2.G18没有配件，但是TS是打开的 50mA.G18 在搜索的时间期间180mA 典型的平均 80mAG18带有DSC配件（类似电话听筒），没有呼叫时平均45 mA在最大水平的呼叫时1.8A, 平均 300mA 5V.G18在 GSM 水平力量为#10 的一个呼叫的时候 (举例子)

15、0.7A, 平均 175mA 5V.注意: DRX2/9是基础状态的速率,询问模块的状态.网络设置这个参数.本系统无线数据传输模块使用摩托罗拉公司的G18无线模块,因为CPU 模块串口与G18 模块串行接口间电平一致,都为TTL电平,所以不需加电平转换电路. 在系统中主要使用G18 模块传输数据，在数据通信中，用于接受和发送数据的设备称为数据终端设备DTE（Date Terminal Equipment）。用来连接DTE 与数据通信网络的设备称为DCE （ Date Communications Equipment）。在本系统中，单片机是DTE，G18 模块是DCE。 G18 模块引脚说明如下

16、图所示图3-6 G18 模块引脚说明3.4 数据存储器扩展电路设计2考虑到系统的实用性和二次开发性,系统需要加一外部数据存储器.来保存由外部输入到单片机系统的数据,而随机存储器作为一种使用方便的数据读写存储器,在计算机应用系统中有着广泛的应用,本系统采用6264(8K)。6264是目前单片机系统常用的8K的RAM存储器(13位寻址),电源提供Vcc是5.0V10%,输入高电压范围是2.2V到Vcc+0.3V,输入低电压是 -0.3V到0.8V,它匹配TTL电平.具有访问数度快、低功耗(825毫瓦)。其管脚图见图3-7。图3-7 数据存储器6264管脚图本系统设计的外部RAM扩展电路如图3-8所

17、示。图3-8 外部RAM扩展电路3.5 单片机处理系统的设计23.5.1 AT89C51单片机 目前随着电子技术的发展，单片机的功能日益丰富，集成度日益提高国，运行速度也越来越快。国内广泛应用的单片机主要有INTEL 公司的MCS-51 系列8 位单片机、MCS-96 系列16 位单片机、MICROCHIP 公司的PIC 单片机、TI 低功耗的MSP430 和日立、MOTOROLA 的其他类型单片机。其中MCS-51 系列单片机应用范围最广、方便易用、文档详尽。制造工艺为CMOS 的AT89C51 单片机采用的是40引脚的双列直插封装方式。其片内的结构如果按功能划分,它由8 个部分组成，即微处

18、理器（CPU），数据存储器（RAM），程序存储器（ROM），I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口），串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。 对各功能部件作进一步的说明：1、数据存储器（RAM）：片内为128个字节,片外最多扩至64K字节。2、程序存储器（ROM）：AT89C51 单片机含有8K 字节的快擦写可编程/擦除只读存储器,片外最多可扩至64K 字节.3、中断系统：具有5 个中断源.4、定时器/计数器：2 个16 位的定时器/计时器，具有四种工作方式。5、串行口：1 个全双工的串行口.6、P0 口、P1 口、P2 口、P3 口：为4 个并行8 位I/O

19、 口.7、特殊功能寄存器（SFR）：共有21 个，用于对于片内各功能模块进行管理，控制监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM 区。8、微处理器（CPU）：为8 位的CPU,不仅可处理字节数据，还可进行位变量的处理。AT89C51 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。图3-9 AT89C51单片机管脚图3.5.2 电路原理图控制系统的电路原理图如图3-9所示。单片机采用11.0592MHz晶振，以串口方式1接收GPS信息，以查询方式收发短消息。P1口和P3

20、口用于7段共阴LED显示接口，P0口和P2口用于外部扩展地址接口，LED显示器轮流显示纬度、经度或其它GPS信息数据。控制电路主要由AT89C51单片机、GPS信息采集电路、短消息收发电路、数据存储器扩展电路、LED显示电路、电源等部分组成。单片机实时显示GPS模块采集到的信息，通过查询和G18通信，收发处理短消息。图3-10 整体电路原理图4、 整体制作 电路用印刷电路板来实现整体电路来提高系统的可靠性，我们一组三人分工合作，各自发挥自己的特长，器件选择、电路焊接、程序编写。我们明确分工又紧密合作。在规定的时间内完成了整体的制作。5、 程序部分的整体设计5.1 采集GPS信息流程5GPS15

21、-LVS的通信波特率默认值为4800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。通常使用NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCII码字符。NMEA-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，目前广泛使用V2.0版本。由于该格式为ASCII码字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离，以提取用户所需要的数据。GPS25-LVS系列OEM板可输出12句语句，分别是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，GPGLL。不同的语句中传送不同的信息：$GPRMC,

22、074438,A,3802.7036,N,11437.3630,E,000.0,000.0,170506,005.0,W*65$GPGGA,074438,3802.7036,N,11437.3630,E,1,05,2.5,50.5,M,-13.3,M,*5D$GPRMC,074439,A,3802.7036,N,11437.3630,E,000.0,000.0,170506,005.0,W*64$GPGGA,074439,3802.7036,N,11437.3630,E,1,05,2.5,51.2,M,-13.3,M,*5A$GPRMC,074440,A,3802.7036,N,11437.3

23、630,E,000.0,000.0,170506,005.0,W*6A$GPGGA,074440,3802.7036,N,11437.3630,E,1,05,2.5,51.9,M,-13.3,M,*5F本系统设计中因只发送受控设备的位置信息，故只用语句$GPGGA,或$GPRMC在单片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$”，然后再接收信息内容，在收到“*”字符ASC码后再接收二个字节结束接收,然后根据语句标识区分出信息类别以对收到ASC码进行处理显示。注意在处理北京时间时应在UTC时间上加上8小时才是准确的北京时，在超出24小时时应作减24小时处理。单片机接收GPS信息框图如图5-1所

24、示：图5-1 单片机接收GPS信息程序流程5.2 发短消息流程5.2.1 G18 AT指令说明4检测信号指令(sendcsq)本程序检测G18的信号强度.检测信号强度的AT命令是:AT+CSQ -通过串口给G18发送+CSQ: 031, 099 OK - G18的回应(正确的情况下)ERROR -G18的回应(错误的情况下)读短信指令(sendcmgl) 本程序读取SIM卡中收到的信息,即控制中心发送过来的命令信息. 读短信的AT命令是: AT+CMGL=4 -通过串口给G18发送 +CMGL：001，001，136-回应;0891683108301105F0240D9168313832627

25、0F500005011300143250007ce19ae188bd100 OK发送短信指令(sendcmgs) 本程序给控制中心发送信息,实现互相通信.(1) 发送短信的AT命令AT+CMGS=-本例中长度为190891683108301105F011000D22683139130563F100000007 ce19ae188bd100OK(2) 对上面格式的解释长度=15+发送的实际字节数 08 固定格式； 91=TON/NPI，代表“+”号；固定格式 68=“86”，代表中国，固定格式； 3108301105F0=13800311500，短消息服务中心地址，两位两位取反，最后不足补F.

26、11=8字节的MTI、RD、VPF、SRR、UDHI、RP、MMS、SRI，固定格式； 00=MR消息参考，固定格式； 0D=目的地址的实际长度； 3138326270F5=13832326075，要发到的目的地，两位两位的取反，最后不足补F； 00000004=使用者的控制数据， 00-PID协议编号，固定格式00-DCS数据译码方案，固定格式00-VP合法周期，固定格式，07-实际发送字节.ce19ae188bd100=发送的数据译码；删除短信指令(sendcmgd)本程序删除SIM卡中的短信,删除短信的AT命令:AT+CMGD=1,3-通过串口给G18发送OK-回应4 该命令功能是删除S

27、IM卡中所有已读的短消息 单片机与G18通信，实际上就是严格按照G18的数据格式把接收到的GPS模块传送来的数据和要发送的数据进行转换，通过串行输入输出接口把数据传送给G18模块，这部分程序主要是数据转换和传送。现列举检测G18信号强度部分流程和发送短信部分流程。 流程图如下图5-2、5-3图5-2 检测信号强度流程图图5-3 发短信流程5.3 程序整体流程 图5-4 整体程序流程图6、 电路的测试6.1 GPS数据采集和G18通信电路的调试该系统是建立在单片机与GPS和G18通信的基础上的，所以串口通信部分电路在该系统中是关键部分，G18模块价格比较贵，且对电源要求较高，故我们采用模拟的方式

28、进行对该部分电路的调试。先对电路板上各点的电压进行测量,尤其是电源线和地线部分,测量过程中发现单片机串口输出线路与地短路,后经检查排除故障。利用串口调试工具SSCOM32模拟G18和GPS给单片机送短消息数据让单片机来处理，这样不仅可以真实的来查看系统的工作情况，而且还可以看到单片机串口输出原始数据，加快了调试的进度。at+csq+CSQ: 031, 099$GPRMC,074507,A,3802.7035,N,11437.3OKat+cmgs=85 0891683108301105F011000DA130010811+CMGS: 000$GPGGA,074507,A,3802.7035,N,

29、11437.3调试过程中接收到的数据如下：图6-1 调试接收的数据6.2 显示部分电路的调试电路板初步设计时显示部分电路利用四位共阳黄色数码管动态显示, 段码驱动利用74LS244,位驱动利用六非门74LS05,调试过程中发现黄色数码管不亮,人为给出段码驱动和位码驱动电平时能正常显示,去掉显示部分电路,测取单片机输出的电压为正常,确定故障为位驱动不足.查找相关资料后发现黄色数码管驱动电流较大,换用三极管构成的驱动电路,典型电路如图6-2所示：图6-2 位驱动电路6.3 整体电路调试及性能分析6.3.1其他部分该系统电路采用PCB制板,电路中几乎不存在错误.该部分调试比较顺利。6.3.2程序部分

30、调试程序采用分块模式编写,在硬件调试过程中,遇到的问题都可以分到各个子程序块中,对设计到的程序块的各条分支都进行测试,遇到错误分支我们共同分析流程与实际数据的区别,找出存在的问题,确定新的程序流程,重新烧写片子调试。整个调试过程中程序没有较大改动。6.3.3整体电路调试及性能分析 各部分调试成功后，进行整体调试，因在GPS和G18与单片机的通信跟用串口调试工具是一样的效果，故模拟没有问题后，装上G18和GPS,能成功通信。显示部分正常。整机制作成功。 开机后按整体流程测试，工作相当稳定。能够准确采集到GPS输出的定位数据，并且正确的发送到指定的手机号码上。能够准确辨认收到的指令并执行。经长时间

31、测试，性能比较稳定。7、结束语本系统基于全球卫星定位系统GPS和移动通信系统GSM,提出了一种全新的控制理念。突破了以往的单向控制。用G18模块的双向通信功能可以实现可靠的远程控制和监控。可以用于大型设备和车辆的故障监控和远程控制。本设计系统功能比较强大，所用到的模块都有一定的通信协议。在整个系统设计中我查阅了大量的资料和文献，学到了很多在平时课堂上学不到的东西。更大大的锻炼了自己的实际动手能力和操作能力。我负责了整个系统的调试和修改。充分发挥了我四年的所学。附录：控制源程序清单;*;初始化向量表 recemem equ 61h ;接收缓存 sendmem equ 62h ;发送缓存 csqn

32、um equ 7 ;at+csq 个数 cmglnum equ 10 ;at+cmgl个数 cmgdnum equ 12 ;at+cmgd个数 cmgsnum equ 11 ;at+cmgs个数 dxnum1 equ 28 ;cmgs1个数 dxnum2 equ 35 ;cmgs2个数 dxnrnum equ 63 ;短信内容个数 fnum equ 3 ;读取错误次数 dsp1 equ 30h ;显示缓存单元 dsp2 equ 31h dsp3 equ 32h dsp4 equ 33h sigh equ 38h ;标志位单元 sigok equ 39h ;标志位单元 mark equ 3ah

33、;标志位单元 strcsq equ 3bh ;标志位单元 sigcsq equ 3ch ;标志位单元 sigcmgs equ 3dh ;标志位单元 sigcmgl equ 3eh ;标志位单元 sigcmgd equ 3fh ;标志位单元 cwnum1 equ 0bh ;错误标志显示字 -FE cwnum2 equ 0ch cwnum3 equ 0eh cwnum4 equ 0dh jsnum equ 48h ;发送经纬度的次数 xhnum1 equ 40h ;G18信号强度值存储单元 xhnum2 equ 41h commd1 equ 42h ;命令存储单元 commd2 equ 43h;*

34、;* org 0000h ljmp start org 0003h nop nop ljmp start org 000bh nop nop ljmp start org 0013h nop nop ljmp start org 001bh nop nop ljmp start org 0023h nop nop ljmp riint org 0100hstart: mov sp,#68h clr rs0 ;设置第一组寄存器 clr rs1 mov r0,#7fh mov a,#0start1: mov r0,a djnz r0,start1 ;清7fh以下数据 mov a,#0ffh mov

35、 p0,a mov p1,a mov p2,a mov p3,a mov jsnum,#00h mov r3,#2start2: mov 30h,#0 mov 31h,#0 mov 32h,#0 mov 33h,#0 acall disp mov 30h,#0fh mov 31h,#0fh mov 32h,#0fh mov 33h,#0fh acall disp djnz r3,start2 mov 30h,#00h ;显示-00 mov 31h,#00h mov 32h,#0eh mov 33h,#0dh acall disp mov r2,#3start3: acall sendcsq m

36、ov a,sigcsq cjne a,#0feh,main mov 30h,#cwnum1 ;错误标志显示字 -FE mov 31h,#cwnum2 mov 32h,#cwnum3 mov 33h,#cwnum4 acall disp djnz r2,start3main: mov 30h,xhnum2 mov 31h,xhnum1 mov 32h,#00h mov 33h,#00h acall disp acall disp mov r3,#2main1: mov 30h,#0eh ;- mov 30h,#0bh ;E mov 30h,#0eh ;- mov 30h,#0ah ;N acall disp mov 30h,#08h ;8 mov 31h,#03h ;3 mov 32h,#00h ;0 mov 33h,#0ah ;N acall disp mov 30h,#04h ;4 mov 31h,#01h ;1 mov 32h,#01h ;1 mov 33h,#0bh ;E acall disp djnz r3,main1 acall sendcmgs mov a,sigcmgs cjne a,#0feh,main2