基于单片机的行车记录仪的设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于单片机的行车记录仪的设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字节； 128/256/512 字节 的 RAM； I/O 口，复位后 的 P1/P2/P3/P4 口全都 是准双向口（相当于 一般的 51 系列单片机的 I/O 口）； ISP/IAP； ； ； MAX810 专用复位电路，外部晶体 12M 以下时，可 以 省 去 外部 的 复位电路， 只要把复位引脚接地即可 ； 3 个 16 位定时器 /计数器，当需要时我们可以把定时器 0 当成 2 个 8 位定时器使用，这样就可以扩展为四个定时器； 路外部中断，分 别由下降沿触发和低电平触发 ； （ UART），还可用定时器软件实现多个 UART； [2] ： 075℃ /40+85℃。 STC90C51 系列单片机的内部结构 STC90C51 系列单片机的内部结构框图 如下图所示。 STC90C51 系列单片机中包含 很多种模块，像中央处理器模块 ， 程序存储器模块 ，数据存储器 模块 ，定时 /计数器 模块 ， UART 串口， I/O 接口， EEPROM，看门狗 模块 等。 这个系统 几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可 以 称得上 是 一个 完整的 片上系统。 STC90C51 系列单片机的内部结构框图如下： 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 8 图 STC90C51RD+系列内部框图 STC90C51 系列单片机引脚说明 VCC： 供电电压。 GND：接地。 P0口 ： P0口 为一个 8位双向 I/O 口。 当 P0口的管脚 输入 1时，显示高电平输入。 当 P0口被定义为数据 /地址的低八位时还可以用于外部程序 /数据 存储器。 当我们在用单片机做 FIASH 编程时会输入源码，进行校验时会输出源码，这 时 我们就可以从 P0口进行输入和输出。 如果这样做的话 P0口外部必须接上拉电阻。 P1口 ： P1口 也 是 一个 8位双向 I/O 口。 当 P1口 的被输入 1时 ， 该引脚 会被置为高电平， 此时 P1为信息的 输入 端 口， 当 P1口被置为 0， 则该引脚被置为 低电平时， 此时成为信息的 输出端口。 在 FLASH 编程和校验时， P1口 主要是 作为低八位地址 的 接收 端口。 P2口 ： P2口为 8位双向 I/O 口，当 给 P2口 输入 ―1‖时， 该引脚被置为高电平 ，此时它 作为输入 端口。 当 把 P2口做为 外部 的 程序存储器 或 数据 存储器进行存取的接口时 ， 此时 P2口输出 的为 地址的高八位 数据。 如果对外部的 数据 存储器 进天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 9 行读写 操作 时， P2口输出 内容为它的 特殊功能寄存器 中的值。 当 P2口 用 在 FLASH编程和校验时 ，他接受到的是数据 高八位 的 地址信号和 控制信号。 P3口 ： P3口 也是 双向 I/O 口，当 P3口 被 写入 ―1‖后， 该端口被置为 高电平，用 于数据的 输入。 P3口 除了上面提到的功能外，还可以 作 为 STC90C51的一些特殊 的 功能 接 口，例如有以下备选功能： （ RXD 口）和 （ TXD 口）相对应，他们可以分别作为串行口的输入和输出 （串行输入口） ； 和 ，他们可以分别作为 /INT0和 /INT1，即 外部中断 0和 外部中断 1的接口； 和 ，他们可以分别做为外部 T0和 T1的输入端口（ T 指的是定时器）； 和 ，他们分别是外部数据存储器的读写选通接口，其中 /WR表示写选通， /RD 表示读选通； P3口 的另外一种功能就是可以 为 闪烁编程和编程校验接收一些 控制信号。 RST 为单片机的 复位输入 引脚。 ALE/PROG：当访问外部 存储器 时， 地址锁存 对 低 位的地址字节有效。 在用FLASH 进行 编程 的时候，这个引脚为脉冲的输入引脚。 /PSEN： 外部 程序存储器 选通信号。 在外部程序 存储器 取地址的时候，每个机器周期 该引脚有效两 次。 /EA/VPP： 该引脚为低电平时，不管内部是否有程序存储器，都是外部程序存储器 （ 低值范围从 0000H 到 FFFFH）工做。 只有 当该引脚为高电平时，内部程序存储器 才开始 工做。 XTAL1和 XTAL2可以分别作为 反向振荡放大器的输入 和输出端，其中前者可以作为 内部时钟工作电路的输入 端口。 振荡器特性 : 我们 可以 把这两个振荡器 配置为片内振荡器。 如 果我们 采用外部 时钟源 驱动器件 的话 ， 我们应该把 XTAL2引脚悬空。 因为给振荡器 内部 输入 时钟信号 时会通过一个二分频 的 触发器 模块 ，因此 这个 对外部时钟信号的脉宽 没有什么 要求，但 是需要注意的是，我们必须得 保证 输入信号的 脉冲的高低电平 所 要求的宽度。 时钟电路设计 时钟电路 就像整个 单片机 系统 的心脏 部分 ， 由他来 控制整个芯片的工作，CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。 单片机的外部晶振电路如图： 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 10 图 外部晶振连接图 复位电路设计 复位是将单片机做重新初始化的操作。 为了使 CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，单片机在启动运行时，都需要先进行复位操作，以便能有一个统一的工作状态，因此复位是一步很重要的操作，但是大多数的单片机不具备自动复位的功能，虽然在本次毕业设计中所用到的单片机在晶振频率为 12M以下时可以直接将复位引脚接地进 行复位，但是这次用到的单片机晶振的频率为12M，所以不能直接进行复位，所以必须配合相应的外部电路才能实现。 单片机的上电自动复位电路如图 ： 图 上电自动复位电路 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 11 第二节 GPS 模块 简介 GPS 全称为 Global Positioning System 全球定位系统，他由空间部分，地面控制部分和用户设备部分三部分组成。 GPS 的空间部分是由均匀分布在 6 个轨道面上距离地球表面两万多米的 24 颗卫星组成。 除此之外，在轨道上运行的还有另外四颗作为备份的卫星。 这 24颗卫星分布均 匀，无论何时都可以保证在全球的各个角落观测到 4 颗以上的卫星，以便能够随时保持良好的定位服务。 这就保证了随时随地的进行连续的全球定位导航工作。 GPS 向地面发射两组电码， P 码 (Precise Code 10123MHz）和 C/ A 码 ( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)。 P 码频率较高，因此有很强的抗干扰能力和准确的定位精度，但是它受到了美国军方的管制。 由于被设定了密码，民间无法解读，所以它主要为美国的军方服务。 C/ A 码则不同， C/A 码为了开放给民间使用被人为的采取措施降 低了精度。 地面控制部分由三部分组成，他们分别是主控站，全球监测站和地面控制站。 主控制站位于美国科罗拉多州，主要任务是负责收集由卫星传回之讯息。 监测站装配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。 它们将从卫星接收到的观测数据（包括电离层和气象数据）经过初步处理后传送到主控站。 主控站再从各监测站收集数据，根据这些数据计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送给地面控制站。 当卫星运行至地面控制站上方时，控制站将这些导航数据信息及主控站指令发送给卫星。 这种工作每天对每个卫星执行一次， 并在卫星离开主控站作用范 围之前进行最后的信息注入。 假如某一地面控制站发生了故障，那么在卫星中预存的导 航信息还是可以使用一段时间的，但是随着时间的增长，卫星的导航精度也会逐渐的降低。 所谓的用户设备部分其实就是 一种信号 接收 设备（即 GPS 信号接收机）。 它的主要功能就是可以捕获到卫星，并追踪这些卫星 在宇宙空间中的 运行。 当它接收到被他 追 踪的 GPS 通讯 卫星所发射出的信号之后，就可以测量 并计算 出接收天线至 通讯 卫星 之间 的伪距离和距离的变化率， [3]通过这些数据来解 调出 通讯 卫星 运行的 轨道参数等有效数据。 将接收到的这些数据输入到 该设备 中的微处理计算 机中，根据定位解析算法进行定位计算，就可以计算出用户所在地理位置的经度、纬度、高度、海拔、时间、速度等 各种我们需要得到的 信息。 完整的 GPS用户设备是由硬件部分、软件部分和 GPS 数据处理后的软件包构成的。 GPS 接收机又由天线部分和接收部分组成。 接收机一般采用双电源进行供电，即机内和机外电源。 机内电源的作用在于当你在更换外电源时不至于中断接收机对卫星的连续观测。 在用机外电源时，机外电源会给机内电池进行充电。 关机后，机内天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 12 电池也会继续为 RAM 存储器供电来防止存储在 RAM 存储器中的数据丢失。 目前各种类型的接受机体 积被做的越来越小，重量也越来越轻，越来越便于用在野外观测中。 GPS 接收机的性能与结构 GPS 卫星全部都采用展频技术来向地面发射信号，两个载频发射 (L 1 波长为 19 cm，频率 f 1= 15410. 23MHz； L 2 波长为 24 cm，频率 f 2= 120)的信号传输速率为 50 Hz，调制方式为二相键控 (BPSK)调制，且信号被调制在伪随机码上。 GPS 的伪随机码分为 P 码、 C/A 码和 Y 码三种： ① P 码称为精码，一般用在精密定位服务上。 它的周期长为 7 d，码频率为，既然可以称为精码，因此无论是定位还是时间速度等都有很高的精度。 它的时间精度已经超越了纳秒的水平为 100 ps，定位精度为 16m，速度精度也达到了 m/s。 ② C/A 码被称为粗码，也可以称他为标准定位服务码。 它具有周期短频率低等优点，他的周期仅为 1 m s；码的频率也仅有 ，它的一个周期中有1023 个码位。 由于它的搜捕时间很短，所以特别适合用于快速提供精度不高的定位信息。 定位精度为 40m。 ③ Y 码和 P 码相类似，都属于精密定位服务码。 但是它的编码比 P 码复杂得多。 GPS 最开始的 用处就是用在美国军方的军事活动，军事科研等方面，虽然后来对民间开放，但是美国军方对 GPS 的使用范围进行了一些控制，只有 C/A 码和广播星历向全球开放。 虽然美国对 GPS 的 C/A 码做了开放，但又不是绝对的开放，他们对 C/A 码又采用了 SA 方式，限制了 C/A 码的精度，使得水平定位的精度变为一百米的概率为百分之九十五。 美国在 GPS 系统中采用的 SA 措施，对用户是个很大的限制，为了针对这种限制，使这种限制降到最低，又发展了称为 DGPS 的差分 GPS 技术。 由于采用差分编码技术，使得测量的定位精度得到了极大的提 高，因此在大地的实际测量中获得了非常广泛的应用。 GPS 定位的基本原理实际上 是 比较简单 的。 由于每个地方都能监测到四颗卫星，这 4 颗卫星同时向 GPS 接收机发射时钟信号，我们将它取名为 D t， GPS接收机将收到的时钟信号与自身的标准时钟进行对比，就可以得出时钟偏差，这就是卫星信号传播所需要的时间， 我们 将它乘以 3*108m/s， 就可以计算出卫星信号传播的距离。 于是我们得到这样的一个简单的多元方程组： (A i U a ) L + (Bi U b )L + (C i U c )L = (R i Cb)L 这里 A i、 B i、 Ci 分别代表四颗卫星的位置参数，由 GPS 卫星以 50 Hz 的速率向全球不间断广播。 U a、 U b、 U c 为接收机的位置。 R i 即为传播距离： R i= cD ti。 Cb 为用户的标准时钟偏差参数。 于是得到含有四个未知数 U a、 U b、 U c、 Cb 的四个方程。 一般来说这样的方程都有天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 13 唯一的解，由此我们就可以得到准确的位置参数信息。 作为 GPS 用户部分的主要部件 —GPS 接收机，主要是用来接收和处理来自 GPS 卫星发送的位置信息。 它 主要由主机天线、运算单元、输出通道等三个 大 部分 构 成。 主机的核心是低噪放大器、信道电路、中央处理器、存储器 等模块 ； [4]我们可以借助 软件将卫星信息 进行 接收、采集、放大、识别、存储、处理 等操作以便能够 输出有用的定位信息、速度信息和时间信息。 在本次毕业设计中使用的 GPS 模块采用瑞士 UBLOX 公司的 NEO5Q 主芯片，此芯片为多功能独立型 GPS 模块，它以 ROM 为基础架构，具有成本低，体积小等众多优点。 在接收端采用 UBLOX 公司最新的 KickStart 微弱信号攫取技术 [5]，无论天线尺寸多大，设备所处的位置如何，只要可以接收到 GPS 信号，都可以确保采用此模 块的设备能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位。 信号的数据解析 GPS 上电后，每隔一定的时间就会返回一定格式的数据，数据格式为： $信息类型， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x 每行开头的字符都必须是 ‗$‘，紧接着是信息类型，最后面的部分是数据，每个数据以逗号分。