基于单片机的出租车计费器设计.docx
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基于单片机的出租车计费器设计
自动化学院
本科毕业设计(论文)
题目:
基于单片机的出租车计费器设计
专业:
自动化
班级:
自动化061学号:
学生姓名:
指导教师:
起迄日期:
设计地点:
实验楼_
GraduationDesign(Thesis)
DesignoftheTemperatureControlSystembasedonSingleChipMicrocomputer
摘要
出租车计费器是一个智能化仪表,其人机对话、每公里单价、总里程价格、等候时间计费等功能完全可由单片机应用系统实现。
汽车计价器是乘客与司机双方的交易准则,它是出租车行业发展的重要标志,是出租车中最重要的工具。
它关系着交易双方的利益。
具有良好性能的计价器无论是对广大出租车司机朋友还是乘客来说都是很必要的。
因此,进行出租车计价器的研究和设计也是十分有一个应用价值的。
系统采用单片机AT89C51对液晶屏进行驱动,实现要求的功能。
(要具体写是如何进行设计的,该系统具有哪些功能。
)
关键词:
单片机;液晶屏
ABSTRACT
TheMCUhasgotawideuseintheindustrialproductionprocess,inwhichthetemperatureisaprocessvariablethatoftenrequiresmeasuring,controllingandmaintaining.ThispaperdescribesthetemperaturecontrolsystemdesignusingtheAT89C51asthecorechip,analyzesitssoftware,hardwaredesignmethodsandgivesthesystemblockdiagramofthehardwareandflowchartofthesoftware.Thebasictheoryandapplicationtechnologyusedinthemarealsopresentedcomprehensively.
Thispaperdescribesthedesignofthetemperaturecontrolsystembasedonrawsupplysystemmoduleintheactualproductionprocesswhichacquiresconstanttemperatureofliquidrawmaterial.ThissystemisdesignedonthebasisofAT89C51,andwiththetemperaturesensor,A/Dconverters,digitalcontrolshows,D/Aconvertersandothermaterialstoachievetheautomatictemperaturecontrolofliquid(watertemperatureasthecontrolobject),alsowiththekeyboardanddisplaycircuit,whichcanbeusedfortemperaturesettings,resetanddisplayingthecurrenttemperaturevalue.
Inthispaper,thecontrolsystemiscomposedoftwoparts.,hardwareandsoftware.Thehardwarepartiscomposedofsignalacquisitionandconvertercircuit,A/Dconvertercircuit,microcontrollercircuit,D/Aconvertercircuit,keyboardandexpansionoftheLEDcircuit.Thesoftwarepartismainlyfortemperaturecontrolwhichincludesdisplayingsubroutine,keyboardtestingandscanningsubroutines,PIDalgorithmsubroutine,andsignalconversionsubroutinesandsoon.
Keywords:
Temperaturecontrol;SCM;PID
4.1.1字符的获取
4.1.2各种显示方式的分析比较
4.1.3LCD显示模块设计
第一章绪论
1.1单片机控制系统的概念(不要写与本课题不相关的内容,并且不能两个人抄成同样的内容!
)
1.1.1单片机的组成和特点[1]
单片机(singlechipmicrocomputer)就是将微计算机的结构安置于同一个芯片而成的微计算机。
换句话说,单片机就是把微计算机的结构制造在同一个IC内而形成的微计算机。
一、单片机的组成
基本的微型计算机由以下几部分组成:
(1)中央处理器(CPU),包括运算器、控制器和内部寄存组;
(2)存储器,包括ROM和RAM;
(3)输入输出(I/O)接口,用以连接外部输入输出设备。
随着计算机微型化的需要,人们将上述微型计算机的基本功能部件全部集成在一块半导体芯片上,使得一块集成电路芯片就是一个单片机。
单片机除了具备一般微型计算机的功能外,为了提高实时控制能力,绝大部分单片机的芯片上还集成有定时器/计数器,某些单片机还带有A/D转换器等功能部件。
单片机的设计主要是面向控制,因此,它的硬件结构、指令系统和I/O接口能力等方面均有其独特之处,其特点之一就是具有非常强的控制功能。
所以,单片机不但是一个数据处理机,而且还是一个过程控制机。
只要加上所需要的输入/输出设备,就可以构成一个实用的系统,满足各种应用领域的需要。
二、单片机的特点
单片机与一般的微型机(它们由微处理器、存储器和I/O接口电路芯片组成,称之为多片微机)相比,具有以下特点。
(1)集成度高、体积小
在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的CPU、ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器等部件,能满足很多应用领域对硬件的功能要求,因而由单片机组成的应用系统结构简单,体积特别。
(2)面向控制、功能强
单片机面向控制,它的实时控制功能特别强,CPU可以直接对I/O接口进行各种操作,能针对性地完成从简单到复杂的各类控制任务。
(3)抗干扰能力强
单片机内CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线(即总线)大多数在芯片内部,因而不易受外界的干扰,另外,由于单片机体积小,适应温度范围宽,在应用环境比较差的情况下,容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施,在各种恶劣的环境下都能可靠地工作,所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高很多。
(4)使用方便
由于单片机内部功能强,系统扩展方便,因此应用系统的硬件设计非常简单,再加上国内外提供了多种多样的单片机开发工具,它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的手段,这样使单片机的应用极为方便,大大地缩短了系统研制的周期,还可方便地实现多机和分布式控制,使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
(5)性能价格比高
由于单片机功能强、价格便宜,其应用系统的印板小,接插件少,安装调试简单等一系列原因,使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。
(6)容易产品化
单片机上述特性,缩短了单片机应用系统自样机至正式产品的过渡过程,使科研成果迅速转化为生产力。
1.1.2单片机控制系统的组成[2]
单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成,如图1.1所示。
单片机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件是指单片机本身及外围设备实体,软件是指管理单片机的程序以及过程控制的应用程序。
工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电气开关等装置。
1.硬件
硬件包括单片机、错成输入/输出通道及接口、人机联系设备及接口、外部存储器等。
单片机是单片机控制系统的核心,其关键部件是CPU。
CPU通过接口接收
人的指令和各类工业对象的参数,向系统各部分发送各种命令数据,完成巡回检测、数据处理、控制计算、逻辑判断等工作。
图1.1单片机控制系统的组成
过程输入/输出通道及接口分为模拟量和数字量两种。
数字量包括开关量、脉冲量和数据数码,它们负责单片机与工业对象的信息传递和变换。
过程输入通道及接口把工业对象的参数转换成微机可接受的数字代码。
过程输出通道及接口把单片机处理结果转换成可对被控对象进行控制的信号。
人机联系设备及接口包括显示操作台、屏幕显示器(CRT)或数字显示器、键盘、打印机、记录仪等,它们是操作人员和单片机系统进行联系的工具。
外部存储器(外存)包括磁盘、光盘、磁带,主要用于存储系统中大量的程序和数据。
外存是内存储容量的扩充,而其选用要根据要求来决定。
2.软件
软件由系统软件和应用软件组成。
系统软件通常包括程序设计软件、操作系统、语言处理程序等,具有一定的通用性,一般由计算机生产厂家提供。
应用软件通常指根据用户要解决的实际问题所配置的各种程序,包括完成系统内各种控制任务的要求。
1.1.3单片机控制系统的结构和原理[2]
对于按偏差进行调节的常规模拟闭环负反馈控制系统,如果把控制器用单片机和转换接口来代替,就构成了单片机控制系统,如图1.2所示。
图1.2单片机闭环控制系统结构图
单片机把通过测量元件、变送单元和A/D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较,然后,对其偏差按某种控制算法进行计算,所得数字量输出信号经D/A转换接口直接驱动执行装置,对控制对象进行调节,使其保持在设定值上。
这种控制结构一般被称为闭环控制结构。
从本质上讲,单片机控制系统的工作可归纳为以下3个步骤:
(1)实时数据采集对来自测量元件和变送单元的被控量的瞬时值进行检测和输入。
(2)实时数据处理对采集到的被控量进行分析和处理,按一定的控制规律运算,进行控制决策。
(3)实时控制输出根据控制决策,实时地对执行装置发出控制信号,完成工作任务。
在实际工程中,上述过程不断重复。
所谓“实时”,是指信号的输入、运算处理和输出能在一定的时间内完成,即要求单片机对输入信号以足够快的速度进行测量和处理,并在一定的时间内作出反应或产生相应的控制。
超过这个时间,就会失去控制时机。
实时概念不能脱离具体过程,如炼钢的炉温控制,由于时间惯性很大,输出延迟几秒仍然是实时的;而轧钢机的拖动电机控制,一般需要在几毫秒或更短的时间内完成对电流的调节,否则电流失控将造成事故。
不同的生产过程所需的控制结构形式是不同的,有的场合开环控制即可满足要求,如计算机巡回检测及数据处理系统、顺序控制等均属于开环控制。
其特点是:
对控制对象的状态参数不进行检测,或检测后不直接参与控制。
这类系统的结构如图1.3所示。
图1.3单片机顺序控制系统结构图
单片机数据采集及处理系统只对被控对象的各物理量经单片机处理后进行显示和打印,给操作者提供一个参考值,而不是直接驱动执行器去参与控制。
单片机顺序控制则根据实现设计的逻辑关系,按某种控制规律去顺序驱动执行机构,完成一定的工序。
两者不形成回路,所以成开环控制。
在常规模拟控制系统中,系统的控制规律是用硬件电路实现的,因此改变控制规律需要改变硬件;而在单片机控制系统中,控制规律已经程序化了,若想改变控制规律和被控参数,只须改变程序即可。
受控对象和单片机系统直接连接的方式称为在线方式或联机方式;受控对象不和单片机系统相连,靠人操作的方式称为离线方式或脱机方式。
在线系统不一定是实时系统,但实时系统必定是在线系统。
1.1.4单片机控制系统的特点[2]
单片机控制系统和一般常规模拟系统相比,有如下突出特点:
(1)技术集成和系统复杂度高单片机控制系统是计算机、控制、通信、电子等多种高新技术集成的,是理论方法和应用技术的结合。
由于信息量大、速度快和精度高,它能实现复杂的控制规律,从而满足较高的控制质量要求。
单片机控制系统实现了常规系统难以实现的多变量控制、智能控制、参数自整等。
(2)可靠性高和可维护性好这两个因素决定系统的可用程度。
由于采取有效的抗干扰、冗余、可靠性技术和系统的自诊断,单片机控制系统的可靠性高且可维护性好。
若单片机系统一旦出现故障,则能迅速指出故障点和处理办法,便于立即修复。
(3)抗干扰能力强由于单片机的各种功能部件都集成在一个芯片上,特别是存储器也集成在芯片内部,布线短,数据大都在芯片内部传送,不易受外界干扰,增加了抗干扰能力,使系统运行更可靠。
(4)控制的多功能性单片机控制系统具有集中操作、实时控制、控制管理、生产管理等功能。
(5)应用的灵活性软件功能丰富和编程方便,硬件体积小和重量轻,以及结构设计上的模块化、标准化,使系统配置具有很强的灵活性。
此外,技术更新快,信息综合性强,内涵丰富,操作便利等也是单片机控制系统的特点。
1.2选题背景与意义(本章中此节的内容需要重点些,要扩充一些)
出租车计费器是一个智能化仪表,其人机对话、每公里单价、总里程价格、等候时间计费等功能完全可由单片机应用系统实现。
汽车计价器是乘客与司机双方的交易准则,它是出租车行业发展的重要标志,是出租车中最重要的工具。
它关系着交易双方的利益。
具有良好性能的计价器无论是对广大出租车司机朋友还是乘客来说都是很必要的。
因此,进行出租车计价器的研究和设计也是十分有一个应用价值的。
采用了单片机进行设计,相对来说功能强大,用较少的硬件和适当的软件相互配合可以很容易的实现设计要求,且灵活性强,可以通过软件编程来完成更多的附加功能。
针对计费模式的切换,通过软件编程就可以轻易而举的实现。
1.3本文的结构
本文以单片机控制系统的研发工程项目作为应用背景,对单片机应用技术进行了研究。
全文共分为六章,各章的主要内容如下:
第一章扼要地介绍了单片机控制系统的概念、特点与相关研究背景;
第二章对单片机控制系统进行了相应的研究,给出了总体设计方案,并对模块进行了分析
第三章介绍了系统的硬件设计,对各模块作了详尽的介绍;
第四章介绍了系统的软件设计,并分别对主程序和各子程序作了说明;
第五章介绍了系统的调试状况,对结果作了分析和说明;
第六章总结了全文的研究工作,给出了存在的问题和进一步研究的方向。
第二章出租车计费器的方案设计
2.1计费器功能分析
2.2系统总体方案设计
出租车计费器结构框图如图2.1所示。
本设计主要以微控制器为控制核心,利用单片机对输入脉冲进行换算得到最终的总价。
图2.1系统的总体框图
系统的工作过程如下所示:
霍尔传感器安装在车轮上,主要检测汽车行进的公里数,并产生一系列相应的脉冲输出,脉冲送到单片机进行处理,单片机根据程序设定通过计算脉冲数换算出行驶公里数,再根据从单片机中读取的价格等相关数据进行金额的计算,计算好的金额、里程和单价都实时地显示在液晶屏上。
键盘可以调节价格等相关数据,按下相应的按钮,产生信号交由单片机处理并实时显示出来。
2.3系统设计
设计要求
在分析出租车计费器原理及方法的基础上,以单片机为核心,实现出租车计费功能。
主要完成的工作如下:
1、要求根据所给定的出租车计费的形式,基于单片机设计出租车计费器,要求能够根;
据行驶的里程进行计费,具有显示里程数、总费用等功能和打印及报价功能要求里程数精确到0.1公里,总价显示范围Z~999.9元。
2、软件采用基于单片机的c语言进行设计。
根据计费器系统的设计任务,本课题设计的单片机系统采用AT89C51单片机,由主电路、键盘模块、显示模块、电源模块及脉冲输入模块组成:
1.主电路
系统中单片机需要完成扫描、显示、以及数据计算处理等功能。
2.键盘模块
只需要设计4个按键,考虑单片机芯片AT89C51有足够多的I/O口线,不采用矩阵式键盘,而采用4个独立按键。
定义4个按键功能分别为复位键、极佳启动键、单价增加键、单价减少键。
3.显示模块
系统需要显示的内容有:
里程(XXX.X),单位为km;单价(X.X),单位为元;总费用显示(XXX.X),单位为元。
显示电路采用液晶屏lcd128x64,对单价、里程、总价同时进行显示。
4.电源模块
该模块为一开关电源,将输入的12V直流电源变为稳定的5V电源。
由于12V电源由出租车上的电瓶提供,其电压有一定的离散性,当电瓶质量不好时12V电源较低。
而开关电源的适用范围较广,且驱动能力较强,使用开关电源可有效防止因输入电压过低而产生的各种故障现象。
设计电源模块应注意电源的抗干扰能力。
5.脉冲输入模块
里程计算是通过安装在车轮上的霍尔传感器检测到的脉冲信号,送到单片机产生中断,单片机再根据程序设定,计算出里程。
第三章出租车计费系统的硬件设计
3.1系统主要芯片简介
3.1.1AT89C51简介
AT89C51单片机是Atmel公司制造的采用4KBFlash存储器为内部程序存储器的单片微机。
Flash存储器是一种可电擦除式EPROM,使用烧录器,可立即将内部程序清除完毕,且可重复清除、烧录1000次以上,因其省时、方便、性能价格比高,一经推出,即得到广泛应用。
AT89C51单片机与Intel80C51单片机在引脚排列、工作特性、硬件组成、指令系统等方面完全兼容。
其主要工作特性是:
·内含4KB的Flash存储器,擦写次数1000次;
·内含128字节的RAM;
·具有32根可编程I/O线;
·具有2个16位可编程定时器;
·具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构;
·具有1个全双工的可编程串行通信接口;
·具有1个数据指针DPTR;
·两种低功耗工作模式,即空闲模式和掉电模式;
·具有可编程的3级程序锁定位;
·工作电源电压为5(1±0.2)V且典型值为5V,是低电压单片机;
·最高工作频率为24HMz[6];
图3.1为PDIP封装的引脚排列图。
图3.1AT89C51引脚排列图
3.1.2A44E简介
A44E属于开关型的霍尔器件,其工作电压范围比较宽(4.5~18V),其输出的信号符合TTL电平标准,可以直接接到单片机的IO端口上,而且其最高检测频率可达到1MHZ。
A44E集成霍耳开关由稳压器A、霍耳电势发生器(即硅霍耳片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。
在输入端输入电压Vcc,经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端,根据霍尔效应原理,当霍尔片处在磁场中时,在垂直于磁场的方向通以电流,则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差VH输出,该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形,使其成为方波输送到OC门输出。
当施加的磁场达到工作点(即Bop)时,触发器输出高电压(相对于地电位),使三极管导通,此时OC门输出端输出低电压,三极管截止,使OC门输出高电压,这种状态为关。
这样两次电压变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。
A44E霍尔传感器原理如图3所示。
图3 A44E霍尔传感器原理
里程计算是通过安装在车轮上的霍尔传感器检测到的脉冲信号,送到单片机产生中断,单片机再根据程序设定,计算出里程。
其原理如图4所示。
图4传感器测距示意图
3.1.3LCD128x64简介
LCD12864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128×64,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8×4行16×16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。
基本特性:
●● 低电源电压(VDD:
+3.0--+5.5V)
●● 显示分辨率:
128×64点
●● 内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)
●● 内置128个16×8点阵字符
●● 2MHZ时钟频率
●● 显示方式:
STN、半透、正显
●● 驱动方式:
1/32DUTY,1/5BIAS
●● 视角方向:
6点
●● 背光方式:
侧部高亮白色LED,功耗仅为普通LED的1/5—1/10
●● 通讯方式:
串行、并口可选
●● 内置DC-DC转换电路,无需外加负压
●● 无需片选信号,简化软件设计
●● 工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃-+60℃
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0
-
对比度(亮度)调整
4
RS(CS)
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W(SID)
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E(SCLK)
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H:
8位或4位并口方式,L:
串口方式(见注释1)
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端,低电平有效(见注释2)
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端(+5V)(见注释3)
20
K
VSS
背光源负端(见注释3)
*注释1:
如在实际应用中仅使用并口通讯模式,可将PSB接固定高电平,也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。
*注释2:
模块内部接有上电复位电路,因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。
*注释3:
如背光和模块共用一个电源,可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。
四.模块主要硬件构成说明
控制器接口信号说明:
1、1、RS,R/W的配合选择决定控制界面的4种模式:
RS
R/W
功能说明
L
L
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
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- 基于 单片机 出租车 计费 设计