基于單片機的行車記錄儀的設計學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字節； 128/256/512 字節 的 RAM； I/O 口，復位后 的 P1/P2/P3/P4 口全都 是準雙向口（相當于 一般的 51 系列單片機的 I/O 口）； ISP/IAP； ； ； MAX810 專用復位電路，外部晶體 12M 以下時，可 以 省 去 外部 的 復位電路， 只要把復位引腳接地即可 ； 3 個 16 位定時器 /計數器，當需要時我們可以把定時器 0 當成 2 個 8 位定時器使用，這樣就可以擴展為四個定時器； 路外部中斷，分 別由下降沿觸發和低電平觸發 ； （ UART），還可用定時器軟件實現多個 UART； [2] ： 075℃ /40+85℃ 。 STC90C51 系列單片機的內部結構 STC90C51 系列單片機的內部結構框圖 如下圖所示。 STC90C51 系列單片機中包含 很多種模塊，像中央處理器模塊 ， 程序存儲器模塊 ，數據存儲器 模塊 ，定時 /計數器 模塊 ， UART 串口， I/O 接口， EEPROM，看門狗 模塊 等。 這個系統 幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可 以 稱得上 是 一個 完整的 片上系統。 STC90C51 系列單片機的內部結構框圖如下： 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 8 圖 STC90C51RD+系列內部框圖 STC90C51 系列單片機引腳說明 VCC： 供電電壓。 GND：接地。 P0口 ： P0口 為一個 8位雙向 I/O 口。當 P0口的管腳 輸入 1時，顯示高電平輸入。當 P0口被定義為數據 /地址的低八位時還可以用于外部程序 /數據 存儲器 。當我們在用單片機做 FIASH 編程時會輸入源碼，進行校驗時會輸出源碼，這 時 我們就可以從 P0口進行輸入和輸出。如果這樣做的話 P0口外部必須接上拉電阻。 P1口 ： P1口 也 是 一個 8位雙向 I/O 口。 當 P1口 的被輸入 1時 ， 該引腳 會被置為高電平， 此時 P1為信息的 輸入 端 口， 當 P1口被置為 0， 則該引腳被置為 低電平時， 此時成為信息的 輸出端口。在 FLASH 編程和校驗時， P1口 主要是 作為低八位地址 的 接收 端口 。 P2口 ： P2口為 8位雙向 I/O 口，當 給 P2口 輸入 ―1‖時， 該引腳被置為高電平 ，此時它 作為輸入 端口 。當 把 P2口做為 外部 的 程序存儲器 或 數據 存儲器進行存取的接口時 ， 此時 P2口輸出 的為 地址的高八位 數據 。 如果對外部的 數據 存儲器 進天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 9 行讀寫 操作 時， P2口輸出 內容為它的 特殊功能寄存器 中的值 。 當 P2口 用 在 FLASH編程和校驗時 ，他接受到的是數據 高八位 的 地址信號和 控制信號 。 P3口 ： P3口 也是 雙向 I/O 口，當 P3口 被 寫入 ―1‖后， 該端口被置為 高電平，用 于數據的 輸入。 P3口 除了上面提到的功能外，還可以 作 為 STC90C51的一些特殊 的 功能 接 口，例如有以下備選功能： （ RXD 口）和 （ TXD 口）相對應，他們可以分別作為串行口的輸入和輸出 （串行輸入口） ； 和 ，他們可以分別作為 /INT0和 /INT1，即 外部中斷 0和 外部中斷 1的接口； 和 ，他們可以分別做為外部 T0和 T1的輸入端口（ T 指的是定時器）； 和 ，他們分別是外部數據存儲器的讀寫選通接口，其中 /WR表示寫選通， /RD 表示讀選通； P3口 的另外一種功能就是可以 為 閃爍編程和編程校驗接收一些 控制信號 。 RST 為單片機的 復位輸入 引腳 。 ALE/PROG：當訪問外部 存儲器 時， 地址鎖存 對 低 位的地址字節有效。在用FLASH 進行 編程 的時候，這個引腳為脈沖的輸入引腳。 /PSEN： 外部 程序存儲器 選通信號。在外部程序 存儲器 取地址的時候，每個機器周期 該引腳有效兩 次。 /EA/VPP： 該引腳為低電平時，不管內部是否有程序存儲器，都是外部程序存儲器 （ 低值范圍從 0000H 到 FFFFH）工做。 只有 當該引腳為高電平時，內部程序存儲器 才開始 工做。 XTAL1和 XTAL2可以分別作為 反向振蕩放大器的輸入 和輸出端，其中前者可以作為 內部時鐘工作電路的輸入 端口 。 振蕩器特性 : 我們 可以 把這兩個振蕩器 配置為片內振蕩器。如 果我們 采用外部 時鐘源 驅動器件 的話 ， 我們應該把 XTAL2引腳懸空 。 因為給振蕩器 內部 輸入 時鐘信號 時會通過一個二分頻 的 觸發器 模塊 ，因此 這個 對外部時鐘信號的脈寬 沒有什么 要求，但 是需要注意的是，我們必須得 保證 輸入信號的 脈沖的高低電平 所 要求的寬度。 時鐘電路設計 時鐘電路 就像整個 單片機 系統 的心臟 部分 ， 由他來 控制整個芯片的工作，CPU就是通過復雜的時序電路完成不同的指令功能。單片機的外部晶振電路如圖： 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 10 圖 外部晶振連接圖 復位電路設計 復位是將單片機做重新初始化的操作。為了使 CPU和系統中其它部件都處于一個確定的初始狀態，單片機在啟動運行時，都需要先進行復位操作，以便能有一個統一的工作狀態，因此復位是一步很重要的操作，但是大多數的單片機不具備自動復位的功能，雖然在本次畢業設計中所用到的單片機在晶振頻率為 12M以下時可以直接將復位引腳接地進 行復位，但是這次用到的單片機晶振的頻率為12M，所以不能直接進行復位，所以必須配合相應的外部電路才能實現。單片機的上電自動復位電路如圖 ： 圖 上電自動復位電路 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 11 第二節 GPS 模塊 簡介 GPS 全稱為 Global Positioning System 全球定位系統，他由空間部分，地面控制部分和用戶設備部分三部分組成。 GPS 的空間部分是由均勻分布在 6 個軌道面上距離地球表面兩萬多米的 24 顆衛星組成。除此之外，在軌道上運行的還有另外四顆作為備份的衛星。這 24顆衛星分布均 勻，無論何時都可以保證在全球的各個角落觀測到 4 顆以上的衛星，以便能夠隨時保持良好的定位服務。這就保證了隨時隨地的進行連續的全球定位導航工作。 GPS 向地面發射兩組電碼， P 碼 (Precise Code 10123MHz）和 C/ A 碼 ( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)。 P 碼頻率較高，因此有很強的抗干擾能力和準確的定位精度，但是它受到了美國軍方的管制。由于被設定了密碼，民間無法解讀，所以它主要為美國的軍方服務。 C/ A 碼則不同， C/A 碼為了開放給民間使用被人為的采取措施降 低了精度。 地面控制部分由三部分組成，他們分別是主控站，全球監測站和地面控制站。主控制站位于美國科羅拉多州，主要任務是負責收集由衛星傳回之訊息。監測站裝配有精密的銫鐘和能夠連續測量到所有可見衛星的接受機。它們將從衛星接收到的觀測數據（包括電離層和氣象數據）經過初步處理后傳送到主控站。主控站再從各監測站收集數據，根據這些數據計算出衛星的軌道和時鐘參數，然后將結果送給地面控制站。當衛星運行至地面控制站上方時，控制站將這些導航數據信息及主控站指令發送給衛星。這種工作每天對每個衛星執行一次， 并在衛星離開主控站作用范 圍之前進行最后的信息注入。假如某一地面控制站發生了故障，那么在衛星中預存的導 航信息還是可以使用一段時間的，但是隨著時間的增長，衛星的導航精度也會逐漸的降低。 所謂的用戶設備部分其實就是 一種信號 接收 設備（即 GPS 信號接收機） 。它的主要功能就是可以捕獲到衛星，并追蹤這些衛星 在宇宙空間中的 運行。當它接收到被他 追 蹤的 GPS 通訊 衛星所發射出的信號之后，就可以測量 并計算 出接收天線至 通訊 衛星 之間 的偽距離和距離的變化率， [3]通過這些數據來解 調出 通訊 衛星 運行的 軌道參數等有效數據。將接收到的這些數據輸入到 該設備 中的微處理計算 機中，根據定位解析算法進行定位計算，就可以計算出用戶所在地理位置的經度、緯度、高度、海拔、時間、速度等 各種我們需要得到的 信息。完整的 GPS用戶設備是由硬件部分、軟件部分和 GPS 數據處理后的軟件包構成的。 GPS 接收機又由天線部分和接收部分組成。接收機一般采用雙電源進行供電，即機內和機外電源。機內電源的作用在于當你在更換外電源時不至于中斷接收機對衛星的連續觀測。在用機外電源時，機外電源會給機內電池進行充電。關機后，機內天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 12 電池也會繼續為 RAM 存儲器供電來防止存儲在 RAM 存儲器中的數據丟失。目前各種類型的接受機體 積被做的越來越小，重量也越來越輕，越來越便于用在野外觀測中。 GPS 接收機的性能與結構 GPS 衛星全部都采用展頻技術來向地面發射信號，兩個載頻發射 (L 1 波長為 19 cm，頻率 f 1= 15410. 23MHz； L 2 波長為 24 cm，頻率 f 2= 120)的信號傳輸速率為 50 Hz，調制方式為二相鍵控 (BPSK)調制，且信號被調制在偽隨機碼上。 GPS 的偽隨機碼分為 P 碼、 C/A 碼和 Y 碼三種： ① P 碼稱為精碼，一般用在精密定位服務上。它的周期長為 7 d，碼頻率為，既然可以稱為精碼，因此無論是定位還是時間速度等都有很高的精度。它的時間精度已經超越了納秒的水平為 100 ps，定位精度為 16m，速度精度也達到了 m/s。 ② C/A 碼被稱為粗碼，也可以稱他為標準定位服務碼。它具有周期短頻率低等優點，他的周期僅為 1 m s；碼的頻率也僅有 ，它的一個周期中有1023 個碼位。由于它的搜捕時間很短，所以特別適合用于快速提供精度不高的定位信息。定位精度為 40m。 ③ Y 碼和 P 碼相類似，都屬于精密定位服務碼。但是它的編碼比 P 碼復雜得多。 GPS 最開始的 用處就是用在美國軍方的軍事活動，軍事科研等方面，雖然后來對民間開放，但是美國軍方對 GPS 的使用范圍進行了一些控制，只有 C/A 碼和廣播星歷向全球開放。雖然美國對 GPS 的 C/A 碼做了開放，但又不是絕對的開放，他們對 C/A 碼又采用了 SA 方式，限制了 C/A 碼的精度，使得水平定位的精度變為一百米的概率為百分之九十五。美國在 GPS 系統中采用的 SA 措施，對用戶是個很大的限制，為了針對這種限制，使這種限制降到最低，又發展了稱為 DGPS 的差分 GPS 技術。由于采用差分編碼技術，使得測量的定位精度得到了極大的提 高，因此在大地的實際測量中獲得了非常廣泛的應用。 GPS 定位的基本原理實際上 是 比較簡單 的 。由于每個地方都能監測到四顆衛星，這 4 顆衛星同時向 GPS 接收機發射時鐘信號，我們將它取名為 D t， GPS接收機將收到的時鐘信號與自身的標準時鐘進行對比，就可以得出時鐘偏差，這就是衛星信號傳播所需要的時間， 我們 將它乘以 3*108m/s， 就可以計算出衛星信號傳播的距離。于是我們得到這樣的一個簡單的多元方程組： (A i U a ) L + (Bi U b )L + (C i U c )L = (R i Cb)L 這里 A i、 B i、 Ci 分別代表四顆衛星的位置參數，由 GPS 衛星以 50 Hz 的速率向全球不間斷廣播。 U a、 U b、 U c 為接收機的位置。 R i 即為傳播距離： R i= cD ti。 Cb 為用戶的標準時鐘偏差參數。于是得到含有四個未知數 U a、 U b、 U c、 Cb 的四個方程。一般來說這樣的方程都有天津科技大學 20xx 屆本科生畢業設計 13 唯一的解，由此我們就可以得到準確的位置參數信息。作為 GPS 用戶部分的主要部件 —GPS 接收機，主要是用來接收和處理來自 GPS 衛星發送的位置信息。它 主要由主機天線、運算單元、輸出通道等三個 大 部分 構 成 。主機的核心是低噪放大器、信道電路、中央處理器、存儲器 等模塊 ； [4]我們可以借助 軟件將衛星信息 進行 接收、采集、放大、識別、存儲、處理 等操作以便能夠 輸出有用的定位信息、速度信息和時間信息。 在本次畢業設計中使用的 GPS 模塊采用瑞士 UBLOX 公司的 NEO5Q 主芯片，此芯片為多功能獨立型 GPS 模塊，它以 ROM 為基礎架構，具有成本低，體積小等眾多優點。在接收端采用 UBLOX 公司最新的 KickStart 微弱信號攫取技術 [5]，無論天線尺寸多大，設備所處的位置如何，只要可以接收到 GPS 信號，都可以確保采用此模 塊的設備能夠有最佳的初始定位性能并進行快速定位。 信號的數據解析 GPS 上電后，每隔一定的時間就會返回一定格式的數據，數據格式為： $信息類型， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x 每行開頭的字符都必須是 ?$‘，緊接著是信息類型，最后面的部分是數據，每個數據以逗號分