單片機的空調(diào)遙控器設(shè)計方案

1、 本科畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的農(nóng)田邊界 GPS坐標檢測與顯示系統(tǒng)設(shè)計 GPS(Global Positio ning SystemW全球定位系統(tǒng)，是一種利用衛(wèi)星支持的無線電導(dǎo) 航系統(tǒng)。目前，GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)，特 別是精細農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，GPS技術(shù)也越來越多地被運用。在精細農(nóng)業(yè)研究中，農(nóng)田邊界坐標 和農(nóng)田面積是農(nóng)田信息中必不可少的數(shù)據(jù)，農(nóng)田面積的大小決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時種子、肥 料的用量，也是機械作業(yè)方面需要了解的數(shù)據(jù)。因此采用GPS采集農(nóng)田邊界坐標信 息，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)勞作精細化等有非常重要的現(xiàn)實意義。 目前，有些設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田邊界GPS坐標監(jiān)測及面積計算，但設(shè)備

2、價格較高是 其最大的缺點。在實際農(nóng)田邊界坐標監(jiān)測中，要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和便攜性，因此設(shè)計 一種便攜式的農(nóng)田GPS坐標監(jiān)測與顯示系統(tǒng)很有意義。本文提出一種基于GPS技術(shù)的 農(nóng)田邊界信息采集與面積計算的解決方案，該方案基于單片機和GPS開發(fā)板來設(shè)計 GPS信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用增強型單片機STC12LE5A60S2和u-blox的GPS開發(fā)板 來采集農(nóng)田坐標信息，通過 TFT屏進行顯示，并通過PC機進行面積計算。 以往對土地坐標和面積的測量常采用人工操作的方法完成，該法具有耗時費工、工 作效率低下的明顯缺陷。該系統(tǒng)利用GPS技術(shù)設(shè)計了便攜式的農(nóng)田邊界坐標監(jiān)測設(shè) 備，通過單片機對 GPS報文信息進

3、行處理，可實時獲取和顯示農(nóng)田邊界坐標信息，并 對農(nóng)田面積進行計算，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)構(gòu)成簡單，維護方便，運行費用低等優(yōu)點，能夠 實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和處理，可以應(yīng)用于農(nóng)田邊界坐標信息的監(jiān)測。 關(guān)鍵詞：單片機 STC12LE5A60S2 GPS GPS coordinate detection and display system of Field boundary based on MCU XieZhe nhe (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China Abstract:

4、Global Positi oning System (GPS, is a use of radio n avigatio n System supported by satellite. At prese nt, GPS tech no logy is widely used in in dustrial, medical, military and life and many other fields, in agriculture, especially in precisi on farmi ng areas, the GPS tech no logy is also increasi

5、ngly being used. In the study of precision agriculture, farmland boundary coordinates, and area of farmland is an essential data in farmland information, determines the amount of seed, fertilizer and agricultural product ion, is also the mecha ni cal operatio ns n eed to un dersta nd the data. There

6、fore, using GPS to collecte coord in ate in formatio n of farmla nd boundaries, has a very important practical significance to realize the agricultural work fine. At prese nt, some desig n can realize farmla nd border mon itori ng GPS coord in ates, and area calculation, but the high price of the eq

7、uipment is its biggest drawback. In actual fieldbo un dary coord in ates mon itori ng system has stability and portability, so desig n of a portable GPS coordinatesfarmland monitoring and display system is very meaningful. This paper proposes a bounding farmla nd in formatio n collectio n based on G

8、PS tech no logy and the area calculati on of solutio n, the soluti on is based on sin gle chip microcomputer to desig n the GPS and GPS OEM board in formatio n acquisiti on system. The system using enhan ced MCU STC12LE5A60S2 and u-blox GPS OEM board to gather farmland coordinate information, throug

9、h the TFT scree n for display, and calculate the area. Ever to land coord in ates, and area measureme ntsofte n adopt the method of manual operation to finish, the law has, the obvious flaw of time-consuming work, work efficiency is low. The system USES GPS tech no logy to desig n a portable area of

10、 farmla nd boun dary coordi nates, mon itori ng and measuri ng in strume nt, through sin gle chip microcomputer to deal with GPS message in formatio n, coord in ate in formatio n can be real-time acquisiti on and display of farmland boundaries, and a calculation is made on the farmland area, the sys

11、tem has the system structure is simple, easy maintenance, low operating cost advantages,to achieve reliable data acquisiti on and process ing, can be applied to farmla nd boun dary coord in ates in formatio n mon itori ng. Key words:micro con troller uint STC12LE5A60S2 GPS coordi nate 1前言1 2系統(tǒng)方案分析與選

12、擇論證1 2.1系統(tǒng)方案設(shè)計1 2.1.1主控芯片方案1 2.1.2顯示模塊方案2 2.2系統(tǒng)最終方案2 3主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計3 3.1 STC12LE5A60S2 單片機 3 3.2 u-Blox GPS模塊 4 3.2.1 GPS定位原理介紹4 3.2.2 LEA-5S GPS模塊概述 5 3.2.3原理圖5 3.2.4接口電路6 3.2.5供電電源6 3.3顯示模塊7 3.3.1 TFT液晶概述7 3.4系統(tǒng)電源模塊8 4系統(tǒng)軟件設(shè)計8 4.1單片機軟件設(shè)計8 4.1.1提取定位數(shù)據(jù)程序設(shè)計8 4.1.2單片機程序流程圖9 4.2坐標信息轉(zhuǎn)換10 4.2.1常用坐標系統(tǒng)10

13、4.2.2 高斯一克呂格投影（Gauss-Kruger10 4.2.3經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為高斯坐標11 4.2.4高斯坐標轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度12 4.3 PC機軟件編程13 4.3.1計算誤差范圍內(nèi)某點坐標13 432面積計算算法及程序設(shè)計13 5硬件電路及調(diào)試15 5.1硬件調(diào)試15 5.3硬件調(diào)試結(jié)果16 6軟件測試17 6.1 GPS數(shù)據(jù)采集測試17 6.2坐標計算程序測試18 6.2.1坐標轉(zhuǎn)換程序測試18 6.2.2計算某點坐標程序測試18 6.3計算面積程序測試19 7結(jié)論20 參考文獻21 附錄22 致謝23 華南農(nóng)業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計成績評定表 1刖言 全球定位系統(tǒng)（Global Posit

14、ioningSystem,是一種利用衛(wèi)星支持的無線電導(dǎo)航系 統(tǒng)，以測量精度高、操作簡便、儀器體積小、便于攜帶、全天候操作和高效益等顯著特 點，在精細農(nóng)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。精細農(nóng)業(yè)是20世紀80年代初國際農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展 起來的一門新興的跨學科綜合技術(shù)。它是通過可變尺度的田塊區(qū)別管理的方式，來確定 經(jīng)濟、合理的投入，高效利用農(nóng)業(yè)資源，從而獲得經(jīng)濟、環(huán)境等方面最高回報的一種管 理策略和技術(shù)體系。精細農(nóng)業(yè)技術(shù)是一種以信息為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，快速、有效采 集和處理農(nóng)田空間分布信息，是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)魏卓等，2018）。 在精細農(nóng)業(yè)的農(nóng)田基本建設(shè)和農(nóng)機作業(yè)中，農(nóng)田邊界坐標信息和面積是關(guān)鍵的數(shù) 據(jù)，

15、在農(nóng)田的機械作業(yè)時也是非常重要的參考數(shù)據(jù)。在精細農(nóng)業(yè)中，作業(yè)面積也是很重 要的指標，它決定了種子、農(nóng)藥、化肥等資源的投入量。目前，多數(shù)人仍采用M尺、 憑經(jīng)驗進行農(nóng)田面積的測量，而且對于不規(guī)則圖形無法測量出其準確面積。 隨著全球定位系統(tǒng)的日趨成熟，GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實時的經(jīng)度、緯 度、高度等導(dǎo)航和定位信息，是支撐精細農(nóng)業(yè)實踐的核心技術(shù)之一。本文提出一種基于 GPS技術(shù)的農(nóng)田邊界信息采集與面積計算的解決方案，該方案基于單片機和GPS OEM 板來設(shè)計GPS信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用 GPS技術(shù)設(shè)計了便攜式的農(nóng)田邊界坐標監(jiān)測 及面積測量儀，可實時獲取和顯示農(nóng)田邊界坐標信息，并通過三角形算法

16、計算出農(nóng)田面 積，該系統(tǒng)有良好的數(shù)據(jù)顯示界面，可以實現(xiàn)快速獲取和精確定位，能夠適應(yīng)精細農(nóng)業(yè) 的要求。 2系統(tǒng)方案分析與選擇論證 2.1系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1.1主控芯片方案 方案一：采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC單片機作為主控芯片。此芯片為 51類單片機，價格便宜、易于操作，低功耗，比較經(jīng)濟實惠。 方案二：采用宏晶科技有限公司的 STC12LE5A60S2增強型51單片機作為主控芯 片。該芯片是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期1T）的單片機，是高速/低功耗/超強干擾的 新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機，但速度快8至12倍。 方案三：采用 Atmel公司的Mega

17、128單片機作為主控芯片。該芯片是 ATMEL公 司的8位系列單片機的最高配置的一款單片機，該單片機采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，集成 128KB的FLASH和4KB的SRAM，豐富的外設(shè)：兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉 功能的16位定時器/計數(shù)器、8路10位ADC、兩個可編程的串行USART，可工作于主 機/從機模式的SPI串行接口等，但價格較貴。 考慮到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，GPS模塊為3.3V系統(tǒng)，且要驅(qū)動彩屏，故要求主控制器 具有較寬的工作電壓，并且能較快速處理GPS信息，采用傳統(tǒng)51單片機的話，處理速 度不是很理想，而且必須增加電平轉(zhuǎn)模塊，而Mega128單片機雖然速度較快，且能工作 在3.3

18、V電壓下，但價格比較貴。從性能和價格上綜合考慮，選擇方案二，即用 STC12LE5A60S2作為本系統(tǒng)的主控芯片。 2.1.2顯示模塊方案 方案一：選擇主控為ST7920驅(qū)動器的帶字庫的LCD12864來顯示信息。LCD12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示常用的漢字及ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點 畫線，設(shè)計成比較理想的結(jié)果，但成本較高。 方案二：采用字符液晶 LCD1602顯示信息，LCD1602是一款比較通用的字符液晶 模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。 方案三：采用 TFT LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal D

19、isplay顯示屏，界面顯 示友好性好，顯示內(nèi)容方便，可現(xiàn)實各種內(nèi)容包括圖片的顯示，只要選擇合適的 MCU，其顯示的速度也比較理想。 綜合以上方案，為了更直觀和方便的進行數(shù)據(jù)顯示，選擇了選擇界面友好性更好的 2.4寸240*320的TFT LCD液晶顯示屏來作為系統(tǒng)的顯示器。 2.2系統(tǒng)最終方案 系統(tǒng)硬件平臺由五部分構(gòu)成，如圖 1所示，分別為微處理器即 MCU、GPS接收模 塊、TFT液晶顯示屏、數(shù)據(jù)存儲部分和電源。微處理器 STC12LE5A60S2增強型51單片 機是硬件系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調(diào)其他四個子系統(tǒng)正常工作，完成GPS數(shù)據(jù)采集、存 儲、顯示，再PC上進行坐標計算面積計算。 本文是將G

20、PS的報文信息等通過串口傳送到 STC12LE5A60S2單片機芯片中，經(jīng)過 微處理器的處理，再通過 TFT液晶顯示屏顯示出來。GPS信號接收由GPS接收模塊來 完成，這里采用XC-GPS開發(fā)板。該開發(fā)板采用LEA-5S GPS模塊，該模塊是50通道 的GPS接收機模塊，熱啟動和輔助啟動首次定位時間小于1秒，跟蹤衛(wèi)星性能優(yōu)越， 能夠?qū)崿F(xiàn)快速的定位。GPS接收機模塊的功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次。GPS接 收機模塊從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合做系統(tǒng)集成。最簡單的系統(tǒng)，除 GPS接收機模塊外還要包括外部電源和 GPS天線。與GPS系統(tǒng)的通訊可以通過TTL電 平的串 行口來實現(xiàn)。GPS

21、接收模塊可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時間和日期等數(shù)據(jù)保 存在靜態(tài)存儲器，接收機內(nèi)部有備用電池來為存儲器供電。 顯示設(shè)備主要是TFT液晶顯示屏。本設(shè)計采用2.4寸TFT彩色LCD板一塊。存儲 設(shè)備指內(nèi)存系統(tǒng)和外圍擴展存儲設(shè)備，本設(shè)計無外擴存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲部分在這里指 主控芯片60KB的Flash和1KB的EEPROOM。 在電子系統(tǒng)中，電源管理占有重要地位，其直接影響到硬件平臺的穩(wěn)定性和可靠 性。本設(shè)計中，硬件平臺上采用直流穩(wěn)壓電源供電，由 220V轉(zhuǎn)5V直流適配器給系統(tǒng) 供電，系統(tǒng)內(nèi)部通過 ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片將直流5V電壓轉(zhuǎn)換為處理器、GPS模塊以 及TFT屏所需要的工作的

22、3.3V電壓。 圖1系統(tǒng)框圖 3主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計 3.1STC12LE5A60S2 單片機 單片機控制模塊由 STC12LE5A60S最小系統(tǒng)組成，包括 STC12LE5A60S C單片 機、晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路由兩個 22pF左右電容和一個11.0592MHz晶體振蕩 器構(gòu)成，接入單片機的 X1、X2引腳，單片機復(fù)位端高電平有效 王衛(wèi)星，2009）。單 片機最小系統(tǒng)如圖2所示。 本設(shè)計GPS模塊與MCU是通過串行 UART 口進行通信，STCLE5A60S2單片機內(nèi) 部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速A/D轉(zhuǎn)換，4個16位定時器，兩 個與傳統(tǒng)8051兼

23、容的定時/計數(shù)器，16位定時器T0和T1,沒有定時器2,但有獨立波 特率發(fā)生器，可做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上 2路PCA模塊可實現(xiàn)2個16位定 時器。工作電壓為2.23.6V，工作頻率范圍為035MHz，相當于普通8051單片機的 0420MHz，具有兩個串行通信接口，本設(shè)計采用串口 2作為GPS模塊與單片機通信 接口， 接口引腳為P1.2、P1.3,下載程序接口采用串口 1,接口引腳為RXD/P3.0和 TXD/P3.1， TFT液晶顯示數(shù)據(jù)接口為 P2.0P2.7,控制接口為P0.0P05 圖2單片機最小系統(tǒng) 3.2 u-Blox GPS 模塊 3.2.1 GPS定位原理介紹 衛(wèi)星定

24、位系統(tǒng)有以下幾種，分別是： GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、雙星導(dǎo)航定位系 統(tǒng)北斗一號），以及 GNSS加俐略系統(tǒng)。GPS是美國國防部主要為滿足軍事部門對海 上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。它從根本上解決了人類在 地球上的導(dǎo)航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，給導(dǎo)航和定位技 術(shù)帶來了巨大的變化。 GPS由三個獨立的部分組成，包括空間部分、地面控制系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分。GPS 地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是跟蹤、觀測GPS衛(wèi)星，計算編制衛(wèi)星星歷，監(jiān)測和控制衛(wèi) 星的工作狀態(tài)，保持精確的 GPS時間系統(tǒng)，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制指。GPS信號 包含有二種信號分量，即載波

25、、測距碼和數(shù)據(jù)碼。這些信號分量都是在同一個基本頻率 F=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的，每個 GPS衛(wèi)星在兩個頻率波段上發(fā)布獨立信號。GPS的 空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用系統(tǒng)進行定位的基礎(chǔ)。用戶接收部分主要由以無 線電傳感和計算機技術(shù)支撐的 GPS信號接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。GPS信號接 收機的基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元兩部分。天線單元的主要作用是：當GPS衛(wèi)星 從地平線上升起時，能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號。接收單元的主要作用 是：GPS接收機對接收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信 息進行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解出信號的傳

26、播時間和載波相位 差，實時地獲得位置、速度、時間等數(shù)據(jù)。 GPS在定位時需要4顆衛(wèi)星，形成4個方程式，即四元二次方程，包括其未知數(shù)為 接收機所處位置的三維坐標 X、丫、Z及衛(wèi)星鐘差，其計算經(jīng)度和緯度是在GPS模塊里 面完成的。然后再根據(jù)經(jīng)度和緯度來配合電子地圖里面的經(jīng)度和緯度來確定在地圖上的 位置，一般在這個情況下就完成了 GPS定位在地圖上的顯示。 3.2.2 LEA-5S GPS 模塊概述 該GPS主芯片使用瑞士 u-blox公司的LEA-5S模組，是第5代GPS接收機。搭載 了高性能的50通道u-blox 5技術(shù)，超過100萬個有效相關(guān)器，32通道采集引擎的處理 能力使得模組可進行大規(guī)模

27、並行搜索。擁有 SuperSense和kickstart技術(shù)，在信號微弱時 可加速捕獲GPS衛(wèi)星信號。其主要性能參數(shù)如表1所示。 表1 LEA-5S GPS模塊主要性能參數(shù)表 接收器類型 50個衛(wèi)星接收通道 啟動時間 冷啟動29 sec ,熱啟動1 sec ,輔助啟動1 sec 首次定位時間 1 sec 最大更新速率 4Hz 靈敏度 冷啟動-145dBm ,跟蹤、捕獲靈敏度 -160dBm 定位精度 Auto 2.5m , SBAS ,v2,v3,v4,v5,v7,v8,v9,v10,v11*hh 當前位置的格林尼治時間，格式為 hhmmss 狀態(tài)，A為有效位置，V為非有效接收警告 緯度，格式

28、為ddmm.mmmm 標明南北半球，N為北半球、S為南半球 徑度，格式為dddmm.mmmm 標明東西半球，E為東半球、W為西半球 地面上的速度，范圍為0.0到999.9 方位角，范圍為000.0到359.9度 日期，格式為ddmmyy 地磁變化，從000.0到180.0度 地磁變化方向，為E或W 至于其他幾種幀格式，除了特殊用途外，平時并不常用。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號 分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時一般是通過搜尋ASCII碼“ $”來判斷是否是幀頭，再對 幀頭的類別進行識別后再通過對所經(jīng)歷逗號個數(shù)的計數(shù)來判斷出當前正在處理的是哪一 種定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)只關(guān)心地理坐標 經(jīng)、緯度

29、），對緩存buf 中的數(shù)據(jù)進行解幀處理的思路是：當 MCU接收完一幀GPS報文后，便暫時停止接收， 開始對這一幀報文進行解讀。以對“ $GPRMC ”報文進行解讀為例，先判斷緩存數(shù)組中 的第五個成員buf5是否等于字符 C ，若是，說明將要解讀的報文為“ $GPRMC ” 報文，然后再通過判斷，位置，將報文中的各個信息存進緩存中，供之后程序使用。 程序流程圖如下圖7所示。 4.1.2單片機程序流程圖 圖7單片機程序流程圖 單片機的程序流程圖如圖 7所示，程序采用中斷思想，當 GPS模塊接收到數(shù)據(jù)向 MCU的UART發(fā)送時，立即觸發(fā)單片機的串口 2的數(shù)據(jù)接收中斷，程序跳去執(zhí)行中斷 服務(wù)子函數(shù)，中

30、斷服務(wù)子函數(shù)主要完成 GPS數(shù)據(jù)的接收和存入緩存中。 4.2坐標信息轉(zhuǎn)換 421常用坐標系統(tǒng) GPS默認坐標是 WGS- 84坐標系，WGS-84坐標系是由美國國防部制圖局建立， 它于1987年取代了當時GPS所采用的WGS-72坐標系統(tǒng)，而為GPS目前所通用的坐標 系統(tǒng)。WGS-84坐標系原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH 1984. 0定義的協(xié)議地球極方 向，X軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點，丫軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系 高斯一克呂格投影，是由德國數(shù)學家、物理學家、天文學家高斯于19世紀20年代 擬定，后經(jīng)德國大地測量學家克呂格于1912年對投影公式加以補充，故稱為高斯一克

31、呂格投影。高斯克呂格投影是設(shè)想用一個橢圓柱橫套在地球橢球的外面，并與設(shè)定的 中央經(jīng)線相切。投影后的中央經(jīng)線和赤道為互相垂直的直線，其他經(jīng)線均為凹向并對稱 于中央經(jīng)線的曲線，其他緯線均為以赤道為對稱軸的向兩極彎曲的曲線，經(jīng)緯線成直角 相交，示意如圖8所示。 圖8高斯一克呂格投影示意圖 在這個投影中，角度沒有變形。中央經(jīng)線長度比等于1沒有長度變形，其余經(jīng)線 長度比均大于1，長度變形為正，距中央經(jīng)線愈遠變形愈大，最大變形在邊緣經(jīng)線與赤 道的交點上；面積變形也是距中央經(jīng)線愈遠，變形愈大。 為了保證地圖的精度，采用分帶投影方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其 變形不超過一定的限度，這樣把許多帶結(jié)合起

32、來，可成為整個區(qū)域的投影。 高斯一一克呂格投影的變形特征是：在同一條經(jīng)線上，長度變形隨緯度的降低而增 大，在赤道處為最大；在同一條緯線上，長度變形隨經(jīng)差的增加而增大，且增大速度較 快。在6度帶范圍內(nèi)，長度最大變形不超過 0.14%。 在高斯克呂格投影上，規(guī)定以中央經(jīng)線為X軸，赤道為丫軸，兩軸的交點為坐標 原點。X坐標值在赤道以北為正，以南為負；丫坐標值在中央經(jīng)線以東為正，以西為 負。我國在北半球，X坐標皆為正值。丫坐標在中央經(jīng)線以西為負值，運用起來很不方 便。為了避免丫坐標出現(xiàn)負值，將各帶的坐標縱軸西移500公里，即將所有丫值都加 500公里。如原坐標值為 y=243353.5m,則西移后為y

33、=743353.5。 4.2.3經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為高斯坐標 GPS模塊采集到的坐標都是經(jīng)緯度坐標。即此時采用的是大地坐標系，要求面積， 就要將GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換到空間平面坐標系。對此，要將獲取的WGS- 84坐標 要加以變換，計算出已知點的高斯平面坐標。對于同一空間點，大地坐標系與高斯平面 坐標系有下列轉(zhuǎn)換關(guān)系式 1(2 (3 二 I 式中： X、Y、Z 大地坐標系中的三維直角坐標； B、L 大地經(jīng)緯度；H 大地高程； a大地坐標系對應(yīng)橢球之長軸，a=6378137; 大地坐標系對應(yīng)橢球第一偏心率，=0.00669437999013 f 大地坐標系對應(yīng)橢球之扁率；f= 1/298.257223

34、563 N該點的卯酉圈曲率半徑，且x | 由式1）可知，只有測量到大地坐標值B、L、H，帶入公式可求出三維直角坐標 X、Y、Z。本文要求的是平面面積，故只要有坐標 X、Y即可。因此，根據(jù)測量到的大 地坐標值B、L和高程H，利用高斯投影的正算，在 VC+6.0上編寫程序求解空間直角 坐標X、Y。具體公式如下： (4 (5 424高斯坐標轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度 由高斯平而坐標X和丫換算大地經(jīng)度L和大地緯度B的公式為陳清禮等, 1998): 公式中， _為子午圈曲率半徑，表達式為： 1 X 1 為緯度初始值，可由 按如下公式求得: 再按下式迭代多次可求得J的值為: 4.3 PC機軟件編程 PC機上的編程是基于

35、VC+平臺的進行的，在PC上的編程主要實現(xiàn)兩個功能：一 是計算以給出的某一點的坐標為圓心，給定距離為半徑的圓周上的任意某一點的坐標。 二是對計算面積。 4.3.1計算誤差范圍內(nèi)某點坐標 該部分程序主要實現(xiàn)計算一定誤差范圍內(nèi)，以某一點坐標為圓心的圓周上，輸入包 括基準點的GPS坐標，距離該坐標的高斯平面坐標系內(nèi)的長度，以及角度agnle等條 件。程序主要是通過在在直角坐標系中，以四個象限為分界，分四種情況以此求出各個 點的坐標。程序的流程圖如圖 9所示。該程序的的重點在于坐標的兩次轉(zhuǎn)換，第一次是 將GPS坐標轉(zhuǎn)化到高斯平面，方便進行距離計算，以計算出待求點的高斯平面坐標， 第二次是將高斯平面的坐

36、標轉(zhuǎn)換到 GPS坐標。 圖9計算誤差范圍內(nèi)某點坐標 432面積計算算法及程序設(shè)計 對于規(guī)則形狀的面積，如三角形、矩形等都有固定的球面積的公式。而本系統(tǒng)測量 農(nóng)田的面積，其形狀就不一定是規(guī)則的圖形，多是多邊形。關(guān)于求多邊形的面積，有多 種方法。如三角形分割法與凹凸多邊形分割法 李娜娜，2009）。 （1多邊形面積的公式法。其中一種公式如下：設(shè)有n個點（一，I 、（一 TI 、（ _I ， 、（一 ，11 圍成一個無邊相交的多邊形，則圍成的閉合多 邊形面積|為：II，其中i=1,2, .n，且當i與j除以n的余數(shù) 相同的時候，一，該公式用于凸凹多邊形均可。 （2點的順序不確定的話，面積不是固定的。

37、如果是順序的 順時針或逆時針），設(shè) N邊形第k點的坐標為 ，），可以求1的和，其中i 從1到N,當i=N+1時，i取1。這個和絕對值的一半就是面積。生成多邊形，其實就 是指定這些頂點的順序。在確定了順序后，假定是，I那么多邊形的面積可 以簡單的按照如下程序計算。 void CaculArea_1( float area = 0。 for (int i=0, j=1。i j = j %n。 area+= pi.x*pj.y-pi.y *pj.x。 area = fabs( area * 0.5 (3經(jīng)典的分割法。對于凸多邊形，可以切分成node num-2個三角形，每個三角形 的面積用三角面積公

38、式計算求和。用C語言具體的實現(xiàn)方式如下程序。 void CaculArea_2( area=0。 for(i=1 。 i area+= ComputeAreaSize( no de0, no dei, no dei+1。 要計算三角形的面積S,輸入的三角形三邊長a、b、c，要滿足“任意兩邊長的和大于 第三邊長”。按海倫公式計算：s=(a+b+c/2； x=s*(s-a*(s-b*(s-c，這時若x=0，則 可求面積area=二，并輸出area的值。本程序采用三角形分割法，并通過在VC+6.0 上編程來得到測量的面積，程序流程圖如圖10所示。 圖10面積計算程序流程圖 需要注意的是，由于采用三角

39、形分割法，當采集的坐標點數(shù)超過3個時，要求對多 邊形各個端點的坐標信息采集順序有一定的要求，這是因為每次采集端點數(shù)據(jù)時，都是 以結(jié)構(gòu)體數(shù)組的形式將端點的坐標信息記錄下來的，所以多邊形的形狀也是由數(shù)組下標 來依次決定的?？梢悦子庙槙r針米集，或者是逆時針米集的方式。 5硬件電路及調(diào)試 5.1硬件調(diào)試 在沒通電之前，先用萬用表檢查線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格是否符 合要求。特別注意電源的正負極以及電源之間是否有短路，并重點檢查地址總線、數(shù)據(jù) 總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號線的短路。晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可 能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。

40、對系 統(tǒng)進行了仔細的檢查，所以此步驟不會發(fā)生故障，這一步如果檢查不細通電后可能會造 成不可想象的后果，所以這一步也至關(guān)重要。通電后檢查各器件引腳的電位，重點測試 晶振引腳電壓，及復(fù)位引腳電壓，觀察單片機是否能正常工作。 5.3硬件調(diào)試結(jié)果 首先測試GPS模塊，確保模塊采集到的 GPS報文信息是可用的。測試方法：給 GPS模塊供電，連接好 GPS的天線，并將天線引到室外，然后通過USB串口線連接 GPS模塊和電腦，打開串口調(diào)試助手，鼠標點擊打開串口，串口助手即開始接收GPS 采集到的GPS報文信息。在串口助手的數(shù)據(jù)接收窗口查看GPS報文信息是否完整，完 整即表示GPS模塊工作正常。本次測試的結(jié)果

41、表明 GPS模塊工作正常。 其次調(diào)試液晶顯示，以方便觀看其他各項調(diào)試結(jié)果。主要先調(diào)試看是液晶是否能夠 實現(xiàn)清屏操作，成功后，在液晶上顯示出字符、漢字和顯示各種顏色的彩條，剛開始調(diào) 試時，發(fā)現(xiàn)液晶始終不能正常工作，后經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)是液晶的 RST復(fù)位引腳電平不正 常，液晶上電成功后，RST引腳需要處于高電平狀態(tài)，但由于接觸不良，RST引腳一直 處于低電平，導(dǎo)致液晶一直處于復(fù)位狀態(tài)，改正后，液晶顯示正常。 然后，調(diào)試單片機的串口電路，觀察單片機的串口是否工作正常。調(diào)試方法：編寫 簡單的單片機串口調(diào)試程序，程序的功能主要是實現(xiàn)在串口助手上發(fā)送字符到單片機， 單片機接收到字符后，將字符發(fā)送回到電腦的串口

42、調(diào)試助手。調(diào)試結(jié)果表明單片機的串 口能正常工作。 AU 使用衛(wèi)星勺顆 6PS信尋強 系統(tǒng) 緯度寸匕緯乃昶78 經(jīng)度東經(jīng)U3 20弭 占年眄月2日 圖11系統(tǒng)顯示界面 |&0734 最后，調(diào)試單片機能否將GPS模塊通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。首 先單片機對GPS報文進行解讀。單片機接收到的報文是字符串，必須將接收到的字符 串轉(zhuǎn)換為數(shù)字并存儲起來，才能進行相應(yīng)的數(shù)學計算。單片機將解讀后的每一個有用的 信息， 比如經(jīng)緯度、速度等信息存儲到結(jié)構(gòu)體數(shù)組當中去，然后通過調(diào)用相應(yīng)的信息顯示子函 數(shù)來顯示經(jīng)緯度等信息。調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外，GPS的信號強度，以及報文信息的完整 性有很大區(qū)別，在室外時，

43、單片機能迅速顯示和更該GPS模塊采集到的信息，在室外 時, 單片機能迅速顯示和更行 GPS模塊采集到的信息，而在室內(nèi)，信號強度大大減低，信 號基本接近于零。系統(tǒng)信息顯示界面如圖 11所示。 6軟件測試 6.1 GPS數(shù)據(jù)采集測試 實驗測試了華南農(nóng)業(yè)大學華山區(qū)運動場的GPS地理坐標數(shù)據(jù)，操場的形狀大致如 下圖10所示，四個端點分別為 A、B、C、D，通過對這四個端點的坐標信息的多次采 集求平均值后，與 GPS EM615板采集到的數(shù)據(jù)進行對比，得出誤差，目的是檢測用 XC-GPS開發(fā)板采集的信息是否準確。測試數(shù)據(jù)如下表 2所示。 圖12操場形狀示意圖 表2測試經(jīng)度與參考標準 GPS EM615板

44、數(shù)據(jù)對比 測試點 測試值/度 參考值/度 絕對誤差/度 相對誤差/% A 113.203534 113.203733 0.001414 1.75 X 23.097862 23.097873 0.003145 4.69 X B 113.203913 113.203914 0.001565 8.83 X 23.097830 23.097843 0.003132 5.53 X C 113.203867 113.203863 0.001547 3.43 X 23.097280 23.097288 0.002912 3.58 X D 113.203478 113.203480 0.001391 1.15

45、 X 23.097321 23.097318 0.002928 1.6 X 測試數(shù)據(jù)中，參考數(shù)據(jù)是采用 OEM615 GPS板測得的，該板卡具有高精度、高可靠性等 特點，該板卡采用NovAtel新一代技術(shù)，擁有120個動態(tài)通道，能夠跟蹤GPS+GLONASS 的雙頻衛(wèi)星信號，其測試靜態(tài)精度可達 0.6M，故其采集到的數(shù)據(jù)可作為參考標準。 分析表2各組數(shù)據(jù)，可知采用XG-GPS開發(fā)板設(shè)計的GPS信息采集系統(tǒng)所采集到的 經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)是相對準確的，可作為農(nóng)田邊界坐標信息采集系統(tǒng)的坐標信息采集端。 6.2坐標計算程序測試 6.2.1坐標轉(zhuǎn)換程序測試 該部分測試主要是對華山區(qū)足球運動場 A、B、C、D四個端點的GPS地理坐標進 行反算，具體的程序轉(zhuǎn)換方法在上文第 4節(jié)有詳細的說明，此處不再贅述。測試結(jié)果如 下。 表3經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化結(jié)果 測試點 計算結(jié)果/度 參考值/度 絕對誤差/度 相對誤差 A 113.202120 113.203534 0.001414 0.00125%