出租车计价器的设计.docx
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出租车计价器的设计.docx
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出租车计价器的设计
1绪论
1.1课题背景
出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业,随着我国国民经济的高速发展,出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部分。
多年来国内普遍使用的计价器只具备单一的计量功能。
目前全世界的计价器中有90%为台湾所生产。
现今我国生产计价器的企业有上百家,主要是集中在北京,上海,沈阳和广州等地。
出租汽车计价器是一种专用的计量仪器,它安装在出租汽车上,能连续累加,并指示出行程中任一时刻乘客应付费用的总数,其金额值是里程和计时时间的函数。
随着我国经济水平的提高以及汽车技术的发展,出租车也呈现出日益高档化的趋势。
为了配合高档出租车的内饰风格,提升出租车的整体形象。
更重要的目的是提高行业管理水平,减少司机与乘客人员之间的纠纷。
因而性能优良的出租车计价器对本行业来说尤为重要。
现在各大中城市出租车行业都已普及自动计价器,所以计价器技术的发展已成定局。
而部分小城市尚未普及,但随着城市建设的加快,象征着城市面貌的出租车行业也将加速发展,计价器的普及也是毫无疑问的,所以未来计价器的市场还是十分有潜力的。
采用模拟电路和数字电路设计的计价器整体电路的规模较大,用到的器件多,造成故障率高,难调试,对于模式的切换需要用到机械开关,机械开关时间久了会造成接触不良,功能不易实现。
为此我们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。
我们知道,只要乘坐的出租车启动,随着行驶里程的增加,就会看到司机旁边的计价器里程数字显示的读数从零逐渐增大,而当行驶到某一值时(如3km)计费数字显示开始从起步价(如8元)增加。
当中途需要等待,等待时间超过5分钟时按走一公里的里程来计价。
当乘客到站时,按下停止按键,计费数字显示总里程和总金额,它可以很直观的反映乘客使用情况。
1.2设计目的与要求
1.2.1设计目的
毕业设计是将理论与实践相结合的教学环节,通过综合运用教材及其他资料,使所学知识得到进一步加深和扩展,同时还培养设计能力和解决实际问题能力,进行基本技能的训练。
本设计的目的:
(1)进一步熟练Proteus、KeilC等软件的操作。
(2)以AT89S52单片机为中心、采用A44E霍尔传感器测距,实现对出租车里程统计,进行计价。
(3)本电路设计的计价器不但能实现计价功能,而且还能实现中途等待处理功能。
1.2.2主要设计内容及基本要求
(1)设计内容:
本电路以AT89S52单片机为中心、采用A44E霍尔传感器测距,设计简单的出租车计价器。
在出租车计价器的设计过程中,我们设计了出租车计价器的硬件、软件以及在汽车内的安装设计。
其中主要的外围功能电路有:
按键控制电路,时钟电路,复位电路,LCD液晶显示电路,霍尔传感器等。
(2)设计要求:
通过对以上各功能的设计,制作出的出租车计价器应具有以下功能:
设计的计价器不但能实现计价功能,而且还能实现中途等待处理;上电时显示祝福词,通过按下启动按键来开始计价,LCD液晶开始显示消费金额和行驶里程;按下模拟开关按键(相当于霍尔传感器)来产生一个脉冲信号,模拟行驶的里程,LCD液晶数开始显示所走里程和应付的金额,并不断计算;按下停止按键,停止计费,LCD液晶显示所走里程和乘客所需付总金额结束此次服务。
1.3论文主要工作概述
(1)了解题目的背景;
(2)明确系统的方案选择,查阅相关资料明确设计要求;
(3)依据设计要求选择合适的控制器;
(4)学习相关芯片;
(5)设计原理框图;
(6)在Proteus制作对应的硬件系统;
(7)测试每部分硬件系统的正确性;
(8)绘制程序流程图;
(9)编译程序并在KeilC中调试;
(10)在Proteus环境下进行仿真测试直到成功。
2系统硬件设计
2.1方案选择
主控电路的选择
方案一:
采用数字电路控制。
将传感器输出的脉冲信号,经过放大整形作为移位寄存器的脉冲,实现计价,但是考虑到这种电路过于简单,性能不够稳定,而且不能调节单价,电路不够使用。
方案二:
采用单片机控制。
利用单片机丰富的I/O端口,以及控制的灵活性,实现基本的里程计价功能和价格调节。
这种设计价格便宜,可扩展的功能强大,人机界面丰富[1]。
2.2系统框图
如图2.1为出租车计价器的整个设计框图,主要由五部分电路组成:
主控部分、显示部分、传感器部分、输入部分、其他部分。
图2.1出租车计价器系统框图
(1)主控部分
控制器不仅是处理数据的核心部位,而且还是控制各部分如何工作的部件。
这一部分我们选用的是AT89S52单片机。
(2)显示部分
显示器件是直接接触乘客的器件,这一部分的好坏给乘客的印象最深刻,因此这一部分是提升品质的部分。
我们选用的是1602液晶。
(3)传感器部分
传感器部分是公平的源头,如果传感器不稳定直接导致计价的不准。
这样很容易引起司机与乘客之间的纠纷。
因而传感器的设计选择尤为重要。
(4)输入部分
输入部分较上面两个部分来说较为简单和次要,输入部分主要是完成计价开始与结束的功能。
(5)其他部分
其他部分主要是指器件的连接部分中间环节等。
2.3硬件电路设计
本设计硬件组成主要包括:
AT89S52单片机、显示电路、复位电路、时钟电路、按键电路、A44E霍尔传感器。
2.3.1AT89S52主要性能参数
(1)与MCS-51单片机产品兼容
(2)8K字节在系统可编程Flash闪速存储器
(3)1000次擦写周期
(4)全静态操作:
0Hz~24MHz
(5)三级加密程序存储器
(6)32个可编程I/O口线
(7)三个16位定时器/计数器
(8)八个中断源
(9)全双工UART串行通道
(10)低功耗空闲和掉电模式
(11)掉电后中断可唤醒
(12)看门狗定时器
(13)双数据指针
(14)掉电标识符
2.3.2AT89S52功能特性概述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于党规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
(1)AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线。
如图2.2AT89S52引脚图,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计
图2.2AT89S52引脚图
数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
(2)AT89S52的内部组成
AT89S52内部有8个部件组成,即CPU、时钟电路、数据存储器、串行口、并行口(P0~P3)、定时计数器和中断系统,它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上,即组成了单片微型计算机,AT89S52就是MCS-51系列单片机中的一种。
如图2.3。
图2.3单片机组成框图
1CPU中央处理器
中央处理器是AT89S52的核心,它的功能是产生控制信号,把数据从存储器或输入口送到CPU,或将CPU数据写入存储器或送到输出端口。
还可以对数据进行逻辑和算术的运算。
2时钟电路
AT89S52内部有一个频率最大为33MHz的时钟电路,它为单片机产生时钟序列,但需要外接石英晶体做振荡器和微调电容调整频率。
3内存
内部存储器可分做程序存储器和数据存储器,AT89S52内部集成了8K的ROM和256RAM。
4定时/计数器
AT89S52有两个16位的定时计数器,每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式,但只能用其中的一个功能,以定时或计数结果对计算机进行控制。
5并行I/O口
MCS-51有四个8位的并行I/O口,P0,P1,P2,P3,以实现数据的并行输入输出。
6串行口
它有一个全双工的串行口,它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信,该串行口功能较强,可以作为全双工异步通讯的收发器,也可以作为同步移位器用。
7中断控制系统
AT89S52有六个中断源,既外部中断两个,定时计数器中断三个,另外还有一个串行中断,全部的中断分为高和低的两个输出级。
(3)AT89S52管脚介绍
AT89S52的制作工艺为HMOS,采用40管脚双列直插式DIP封装参见图2.2引脚说明如下:
VCC:
电源。
GND:
接地。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表2.1所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表2.1
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表2.2所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
RET:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(
)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
表2.2
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入)
P3.1
TXD(串行输出)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器写选通)
:
外部程序存储器选通信号(
)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,
在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,
将不被激活。
/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,
必须接GND。
为了执行内部程序指令,
应该接VCC。
在flash编程期间,
也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持
管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89S52设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
经过计算和考虑,51系列的AT89S52即可满足我们所设计的产品。
AT89S52不用像8031一样外接存储器,节约了空间,提高了稳写性能,而且其内部资源正好可以满足存储要求,再高级的单片机一般多是用在比较精密麻烦的电器设计上,我们这里所设计的计价器是一个较为简单的控制系统,使用AT89S52就完全可以达到我们设计的要求,如果使用更高性能的单片机就会造成资源的浪费,所以我们选AT89S52作为我们的主机电路核心器件。
2.3.3霍尔传感器
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2.4所示。
图2.4霍尔传感器计数原理框图
霍尔传感器的工作原理
霍尔传感器选用A44E集成传感器如图2.5所示。
A44E集成霍尔开关由稳压管A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E这五个基本部分组成。
在输入端施加输入电压Vcc,经稳压管施加后加在霍尔电势发生
器的两端,根据霍尔效应原理,当霍尔处在磁场中时,在垂直于磁场的方向通以电流,则在于这两者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差HV输出,该HV信号经放大器放
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
图2.5霍尔传感器A44E结构
达到工作点时,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,通常这种状态为“开”。
当施加的磁场达到释放点时,触发器输出低电压,三极管截止,使OC门输出高电压,这种状态为“关”[2]。
这样通过两次电压变换,使霍尔开关完成一次开关动作见图2.6。
集成霍尔开关A44E的外形及接线如图2.7,图2.8所示。
系统中选择P3.2口作为信号的输入端,采用外部中断0,车轮每转一圈(设车轮的周长是1米),霍尔开关就检测并输出信号,引起单片机的中断,对脉冲计数,当计数达到1000次时,也就是1公里,单片机就控制将金额增加。
图2.6霍尔传感器A44E结构
图2.7外形
图2.8接线
2.3.4显示电路的设计
(1)1602简介
1602上的液晶板上排着若干5×7点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符,每行16位,有两行。
其控制器内部有80×8位的RAM缓冲区。
模块内部的控制器常用的有11条控制指令,丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式设置和数据显示等。
(2)1602引脚说明:
VSS为地电源
VDD接5V正电源
VO为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高。
RS为寄存器选择,高电平选择数据寄存器、低电平选择指令寄存器。
R/W为读写信号线,高电平进行读操作,低电平进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时(00)可以写入指令或者显示地址;当RS为低电平RW为高电平时(01)可以读入忙信号;当RS为高电平RW为低电平时(10)可以写入数据。
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
D0-D7为8位双向数据线。
1602液晶能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行)
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如’A’。
(3)1602液晶指令
1602通过D0-D7的8位数据端传输数据和指令。
①显示模式设置:
(初始化)
00111000[0x38]设置16×2显示,5×7点阵,8位数据接口;
②显示开关及光标设置:
(初始化)详见表2.3
表2.3
指令码
功能
00001DCB
D=1开显示
D=0关显示
C=1显示光标
C=0不显示光标
B=1光标闪烁
B=0光标不闪烁
000001NS
N=1当读或写一个字符后地址指针加一,且光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针减一,且光标减一
S=1当写一个字符,整屏显示左移(N=1)或右移,以得到光标不移动而屏幕移动的效果
S=0当写一个字符,整屏显示不移动
③数据指针设置:
数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码(0-27H,40-67H)
④其他设置:
详见表2.4
(4)初始化过程(复位过程)
延时15ms
写指令38H(不检测忙信号)
延时15ms
写指令38H(不检测忙信号)
延时15ms
写指令38H(不检测忙信号)
(以后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号)
写指令38H:
显示模式设置
写指令08H:
显示关闭
写指令01H:
清屏
写指令06H:
显示光标移动设置
写指令0CH:
显示开及光标设置
表2.4
地址码
功能
01H
显示清屏,数据指针=0,所有显示=0
02H
显示回车,数据指针=0
(6)读操作时序图见图2.9
图2.9读操作时序图
(7)写操作时序图见图2.10
图2.10写操作时序图
2.3.5复位电路的设计
通过某种方式,使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。
单片机的复位是由外部的复位电路电路实现的,复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
除了上电复位外还需要按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。
当需要外部复位时,按下复位按钮即可达到复位目的。
单片机的复位速度比外围I/O接口电路快。
为了能够保证系统可靠的复位,在初始化程序中应安排一定的复位延时时间。
图2.11上电复位
2.3.6时钟电路的设计
MCS-51系列的单片机的各功能部件都是以时钟控制信号为基准,内部电路在时
钟信号的控制下,严格地按时序执行指令进行工作,单片机本身如同一个复杂的同步时序电路,为了保证其各个部分同步工作,电路要在唯一的时钟信号控制下,严格地按照时序进行工作。
其实只需在时钟引脚连接上外围的定时控制元件,就可以构成一个稳定的自激振荡器。
为更好地保证振荡器稳定可靠地工作,谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。
本设计中使用的振荡电路,由12MHZ晶体振荡器和两个约30PF的电容组成,在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体[4],电容的大小不会影响振荡频率的高低。
在整个系统中为系统各个部分提供基准频率,以防因其工作频率不稳定而造成相关设备的工作频率不稳定,晶振可以在电路中产生振荡电流,发出时钟信号。
图2.12时钟电路
2.3.7按键电路的设计
按键控制电路中,单片机的P2.7管脚接启动/停止按键,通过软件编程,上电时显示祝福词,通过按下启动按键来开始计价,LCD液晶开始显示消费金额和行驶里程;按下模拟开关按键(相当于霍尔传感器)来产生一个脉冲信号,模拟行驶的里程,LCD液晶数开始显示所走里程和应付的金额,并不断计算;按下停止按键,停止计费,LCD液晶显示所走里程和乘客所需付总金额结束此次服务。
2.3.8硬件设计说明
单片机是单片机微型计算机的简称,单片机以其卓越的性能,得到广泛的应用,已经深入到各个领域。
对单片机的控制,其实就是对I/O口的控制,无论单片机对外界进行何种控制,或接受外部的何种控制,都是通过I/O口进行的。
51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口,每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。
4个I/O端口都能作输入输出口用,其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。
图2.13按键电路
(1)单片机的31引脚/EA接高电平,使用内部ROM。
(2)C1,S1和R1是复位电路,形成一阶电路中的RC电路。
(3)C2,C3和X1(晶振)构成振荡电路,提供时钟信号。
(4)P2.7接开始停止按钮。
(5)P3.2接霍尔开关输出。
在这次设计中,我用到P0口、P2口和P3口,P0口为8位三态I/O口,此口为地址总线及数据总线分时复用;P2口为8位准双向口,与地址总线高八位复用;P0口和P2口都有一定的驱动能力,P0口得驱动能力较强。
并用霍尔传感器产生脉冲信号[8]。
我们还设计了控制按键,能够很好的对出租车计价器控制,如启动/停止按键等。
当按下计价按键时,显示行驶里程和应付金额。
我们可以方便地设计起步价格,单价,多少次脉冲加一次里程数,等待时间设置,等待时间加钱多少设置等。
这是本次设计的优点,只要能看懂汉字就可以更改各项设置。
本次设计是依据山西省物价局最新出版的《太原市城市客运出租车运价调整》标准:
当乘客的行驶里程小于三公里时总价等于起步价;行驶里程等于或大于三公里后,总计与行驶里程的关系式为:
总价=起步价+单价×(总里程—起步里程),进行计价。
本设计中,起步价为8元,起步里程为3公里,当然这些数据可以在程序中很方便地改写,以满足不同时期价格调整的需要。
3系统软件设计
3.1编程工具-C51语言
AT89S52单片机的应用程序设计,使用C
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- 出租车 计价器 设计