基于单片机的出租车计费器系统设计 毕业设计.docx

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基于单片机的出租车计费器系统设计毕业设计

基于AT80C51单片机的出租车计费系统设计

【摘要】

随着出租车行业的发展，出租车行业已经是城市交通的重要组成部分，对出租车的开发变得尤为重要。

本文阐述了以单片机为基础的出租车计费系统的设计，该系统采用80C51单片机为核心控制器，利用A44E霍尔传感器测车辆行驶距离，输出车辆行驶距离和车费到数码显示管。

文章中还介绍了霍尔传感器的工作原理,霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础,当霍尔传感器在变化的磁场中时就会产生脉冲波,单片机接收脉冲波从而计算出车辆的行驶距离,然后算出总车费。

显示电路中运用了8位数码显示管，其中4位用来显示距离，4位用来显示总车费。

该系统不但能实现出租车基本的测距和计价，还能计算中途等待时间来调节车价，同时在空车状态下可对起步价进行设置。

文章中不仅详细地介绍了电路各个模块的硬件结构，还对软件设计进行了详细说明。

关键词：

出租车，80C51，霍尔传感器

Abstract:

Asthetaxidevelopment,urbantaxiindustryisanimportantcomponentofthetraffic,developingthetaxibecomesmoreandmoreimportant.

Inthispaper,itshowsthedesignofmicrocontroller-basedtaxibillingsystem,thesystemuses80C51microcontrollercore,usesA44EHallsensormeasuringvehicledistanceandmakethevehicleandthefareoutputtothedigitaldisplaytube.ThearticlealsodescribestheworkingprincipleoftheHallsensor,HallsensorbasesitsworkontheHalleffect,whentheHallsensorisinachangingmagneticfileditcangeneratetheplusewhichisreceivedbymicrocontrollertocalculatethevehicledistance,andthencalculatethetotalfare.Theshowcircuitusesthe8-bitdigitaldisplaytubes,ofwhich4usedtoshowdistance,4todisplaythetotalfare.Thesystemcannotonlyachievethebasictaxidistanceandfare,butalsocancalculatetheintermediatewaittimetoadjusttheprices,whenthetaxiisemptythestartingcanbeset.Thearticlenotonlydescribesthehardwarestructureofeachmoduleinthecircuitindetail,butalsodescribethesoftwaredesignindetail.

Keywords:

Taxi80C51Hallsensor

1绪论

1.1单片机应用的发展及现状

1.1.1单片机概述

自从1946年美国宾夕法尼亚大学研制了世界上第一台电子计算机以来，计算机的发展经历了4个时代（电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模及超大规模集成电路时代），现代的计算机都是大规模集成电路计算机，他们具有功能强、结构紧凑、系统可靠等特点，其发展趋势是巨型化、微型化、网络化及智能化。

微型化是计算机发展的重要方向，把计算机的运算器、控制器、存储器、输入/输出（I/O）接口4个组成部分集成在一个硅片内，于是就出现了以下一个大规模集成电路为主组成的微型计算机——单片微型计算机，简称为单片机，由于单片机的重要领域为智能化电子产品，一般需要嵌入仪器设备内，故又称嵌入式微控制器。

目前生产单片机的产商主要有Intel公司、Motoroala公司、Philips公司、ATMEL公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司、WinBond公司，产品型号种类众多，性能各具特色。

1.1.2单片机的应用

近几十年来，单片机因其具有体积小、重量轻、耗能省、可靠性高和通用灵活等优点，可广泛地嵌入到诸如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

尤其是近几年，单片机以面向对象的实时控制及信息家电为己任，不断增强控制能力和信息处理能力，降低成本、减小体积，改善开发环境，从而迅速取代经典电子系统，改造传统电气控制系统，嵌入到各产品或设备之中。

目前，以单片机和嵌入系统为核心的新型电子技术和信息控制技术已经形成了一个欣欣向荣的市场，因此单片机应用技术具有极其广泛的工程应用价值和市场前景。

1.2现今对出租车计费系统的有关研究

近几年，有关出租车计费系统的设计有不少国内人士都做了相关的研究和讨论。

1.秦浩华发表的“具有区域识别功能出租车计价器车载定位模块的研制”学位论文中根据交通需求理论，对出租车实行不同区域不同计价标准，即将城市中心地区价格上浮，在远离城市的中心地区价格下浮，通过经济杠杆的作用来调节人们的出行方式，达到抑制出租车在城市中心地区的数量的目的，从而解决交通拥挤的状况。

实行出租车区域计价制度需要出租车的计价器具有区域识别功能。

在确定总体设计方案的基础上，该文采用GPS技术研制具有区域识别功能出租车计价器中的关键部件——定位模块，编制了相应的运行软件，并进行了调试和试运行试验；对区域识别算法进行了深入研究，提出了区域识别的算法——改进弧长法，并运用MATLAB软件进行了算法验证；为了保证通信的可靠性和工作的稳定性，从软、硬件两个方面采取了抗干扰措施。

具有区域识别功能出租车计价器车载定位模块采用通信技术、电子技术和计算机技术，应用大规模集成电路设计，性能稳定，可靠性高。

经试验表明所研制的定位模块能够为出租车计价器根据不同的区域提供不同的计价标准，并且运行可靠，具有广泛的应用前景和使用价值。

2.期刊论文“出租车计价器加密传感器的设计”上描述了为了对出租车计价进行有效的管理，在分析现有出租车计价传感器漏洞的基础上，采用PIC12C508A和PIC12CE518A单片机提出了出租车计价加密传感器的加密模型和系统结构模型，完成了密码传感器系统中加密器和解密器软硬件系统设计。

加密后的密码传感器提高了出租车计价器计费的标准性和安全性，解决了现有出租车计价器可靠性不高和难以实现统一管理的难题。

3.陈伟宏在期刊论文“基于单片机的多功能出租车计价器的设计“中介绍了一种以单片机AT89S52为核心的多功能出租车计价器的设计，阐述软硬件设计过程中关键技术的处理。

仿真结果表明该计价器具有集计程、计时、计费、存储、查看、统计等多种计量功能，并且具有超速提醒、防止司机作弊、语音、打印和显示等多种功能。

与已有的系统相比，该系统具有超速提醒等更强的功能。

2出租车计费系统设计目标

2.1出租车计费系统原理概述

出租车计费系统的运作过程是由一个微控制器进行控制，软硬件结合最后直观地将数据显示给乘客看到。

一般的出租车计费标准中的起步价，每公里价格都是默认地在程序中预先设定好并存储到主控制器中，而这种主控制器具备了掉电储存功能，即使突然掉电数据依然存在。

在出租车启动运行过程中，系统将出租车车轮转动的速度送入到主控制器中，主控制器的运算模块根据车轮转速转化为对应时间的行程，再结合起步价及每公里价格就可以计算出目前的车费，而这些数据会由主控制器的显示模块送入到显示屏上。

怎样获取到车轮的即使转速是最关键的问题，一般的出租车在车轮上都会附有一块磁铁，在靠近车轮附近的车轴上附上一块霍尔传感器，当车轮转动时，车轮上的磁铁就会不断地靠近和远离霍尔传感器，这时霍尔传感器受磁场感应产生脉冲，当车轮转动一圈时霍尔便产生一个脉冲送入主控制器，主控制器对接收到的脉冲进行计数，由于车轮的周长已知，便可根据脉冲个数以及车轮周长算出一定时间内行驶里程数。

2.2出租车计费系统实现的功能

本设计以80C51单片机为核心微控制器，控制实现行驶里程的计算；行驶车价的计算；遇红灯或赌车时计等待时间，超过一定的等待时间则增加车价；能够对起步价进行设定；显示数据至显示屏。

采用型号为A44E的霍尔传感器创造出脉冲波，将霍尔传感器的输出端与单片机的定时/计数中断0端口相连，把定时/计数中断0的工作方式设置为计数方式，这样单片机就可以接收霍尔传感器输出的脉冲并计数。

为了方便从数码显示管上看出里程的变化，这里假设计一个脉冲代表车子行驶了20m，计满5个脉冲时行驶了100m，由于显示里程数时安排最低位显示百米数，则当计数器计满5个数时数码管显示加1。

规定行驶里程在3km以内时起步价为10元，当超过3km时车价按3元/公里来计算。

在显示车价时，3km以内都显示为起步价，当超过3km时每行驶0.5公里车价显示加1.5元。

设计中还另外增加了等待时间加费的功能，利用单片机定时器1来定时，每定时1秒则显示等待时间加1。

当按下按键2时，系统切换到等待时间加费功能，等待时间显示按秒数增加，当等待超过60秒时车价增加0.5元同时等待时间清0重新计时。

再次按下按键后系统重新正常行驶计费。

为了使设计更加人性化，在系统中还设计了起步价可人工设置的功能，通过按键可对该系统的起步价进行设置。

3系统硬件设计

3.1系统设计框图

系统设计的大体框图如图3.1所示

整个系统以80C51单片机为主控制器。

电源电路为80C51单片机及其他电路模块提供5V的电压；程序下载模块可将需要的程序写入单片机中，执行不同的功能；脉冲形成电路采用了A44E霍尔传感器形成所需脉冲供单片机计数；在实际应用中，80C51单片机的I/O口有时不够使用，这时就需要I/O扩展电路将单片机的I/O口进行扩展，满足各种功能的实现；在实现出租车计费系统时，显示电路是必不可少的，由于显示的需要，本设计中我采用了8位数码管。

I/O扩展

80C51

单片机

电源电路

程序下载电路

显示电路

脉冲形成电路

图3.1系统设计总框图

3.2主控单元电路

3.2.180C51单片机的内部逻辑结构

80C51是8位单片机中一个最基本、最典型的芯片型号，其逻辑结构如图3.2所示。

图3.2单片机内部逻辑结构

单片机仍保持着经典计算机的体系结构，由5大基本部分所组成。

下面结合80C51的具体结构做说明。

1.中央处理器CPU

中央处理器简称CPU（CentralProcessingUnit），是单片机的核心，用于完成运算和控制操作。

中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。

（1）运算电路

运算电路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。

图3.2中的算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、累加器（ACC）、B寄存器、程序状态字和两个暂存寄存器等都属于运算器电路。

运算电路以ALU为核心，基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算，“与”、“或”、“异或”等逻辑运算，左、右移位和半字节交换等操作。

操作结果的状态由程序状态字（PSW）保存。

（2）控制电路

控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。

图3.2中的程序计数器（PC）、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时控制电路以及振荡电路等均属于控制电路。

单片机执行程序就是在控制电路的控制下进行的。

首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存；然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号；再送到系统的各个部件去控制相应的操作。

这就是执行一条指令的全过程，而执行程序就是不断重复这一过程。

2.内部数据存储器

内部数据存储器包括RAM和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。

实际上80C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后128个单元为专用寄存器，能作为普通RAM存储器供用户使用的只是前128个单元。

因此，通常所说的内部数据存储器是指前128个单元，简称“内部RAM”。

3.内部程序存储器

内部程序存储器包括ROM和程序地址寄存器等。

80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据，因此称之为程序存储器，简称“内部ROM”。

4.定时器/计数器

由于控制应用的需要，80C51共有两个16位的定时器/计数器，用定时器/计数器0和定时器/计数器1表示，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。

（1）并行I/O口

80C51共有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出.

（2）串行口

80C51单片机有一个全双工串行口，以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。

5.中断控制电路

80C51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。

它共有5个中段源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。

3.2.2单片机的引脚

单片机的引脚图及实物图如图3.3所示

图3.3单片机引脚图和实物图

在本设计中，我采用了80C51单片机，共有40个引脚，下面对各个引脚进行介绍。

1.I/O口

80C51单片机中共有4类8位I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口.

P0口地址为80H，位地址为80H~87H，可以作为通用I/O口进行数据输入/输出，又可以作为单片机系统的地址/数据线使用。

P1口地址为90H，位地址为90H~97H，P1口只能作为通用数据I/O口使用。

P2口地址为A0H，位地址为A0H~A7H，既可以作为通用I/O口进行数据输入/输出，又可以作为单片机系统的高位地址线使用。

P3口地址为B0H，位地址为B0H~B7H，可以作为通用I/O口使用，但是其重要作用是它的第二功能。

80C51的引脚复用主要集中在P3口线。

P3.0用于串行数据的接收，P3.1用于串行数据的发送，P3.2和P3.3分别作为外部中断0及外部中断1的申请端，P3.4和P3.5分别用作定时器/计数器0及定时器/计数器1的计数输入端，P3.6作为外部RAM写选通，P3.7作为外部RAM读选通。

2.ALE地址锁存控制信号

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低八位地址锁存起来，用于实现数据和地址的分时传送，另外其正脉冲输出频率为晶振频率的1/6，所以可以作为外部时钟或则外部定时脉冲使用。

3.XTAL1和XTAL2

XTAL1和XTAL2为时钟信号的输入引脚，当需要使用芯片内部时钟时，外接石英晶振和微调电容；当需要外部时钟时则接外部时钟信号。

4.EA访问程序存储器控制信号

EA可用于外部程序存储器扩展，确定对ROM的读操作是针对哪个存储器的，当EA为高电平时，针对的是外部程序存储器，当EA为低电平时对ROM的读操作针对的是内部和外部程序存储器，并且从内部程序存储器开始读。

5.PSEN外部程序储存器读选通信号

PSEN为读外部ROM时的使能端，高电平有效。

6.RST复位端

用于单片机的复位操作，2个机器周期以上持续高电平有效。

7.VCC\VSS电源和接地端

VCC为电源输入端，接+5V直流电源，VSS接地。

3.2.3单片机的中断系统

1.单片机的中断源

80C51的中断系统具有6个中断源，即2个外部中断、2个定时中断和2个串行中断。

中断源及其对应的中断向量如表3.1所示

表3.180C51的中断

中断名称

中断向量

外部中断0

0003H

定时器中断0

000BH

外部中断1

0013H

定时器中断1

001BH

串行发送中断

0023H

串行接收中断

0023H

在80C51的中断系统中，外部中断是由外部原因引起的，共有两个中断源，即外部中断0和外部中断1。

它们的中断请求信号分别由引脚INT0（P3.2）和INT1（P3.3）引入。

外部中断请求有两种信号方式：

电平方式和脉冲方式。

两种信号方式可通过有关控制位进行定义。

电平方式的中断请求是低电平有效。

只要单片机在中断请求引入端（INT0或INT1）上采样到有效的低电平信号，即为中断请求。

脉冲方式的中断请求则是脉冲的下降沿有效。

在两个相邻机器周期所进行的两次采样中，若前一次为高，后一次为低，即为中断请求信号。

为此，脉冲方式的中断请求信号的高、低电平状态都应至少维持一个机器周期，才能确保负脉冲的跳变能被采样到。

定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。

在单片机芯片内部有2个定时器/计数器T0和T1，所以定时器中断也有2个：

定时器1中断和定时器0中断。

当计数器溢出时，表明定时时间到或计数时间满，这时内部电路就产生中断请求。

由于这种中断请求是在芯片内部发生的，因此，在芯片上没有对应的中断请求引入端。

2.中断控制

具体到80C51，中断控制的内容共有4项：

中断允许控制、中断请求标志、中断优先控制和外中断触发方式控制。

（1）中断允许控制寄存器IE

该寄存器用于控制是否允许使用中断。

中断允许寄存器地址为A8H，位地址为AFH-A8H。

寄存器位定义及位地址如表3.2所示。

表3.2寄存器IE

位地址

AFH

AEH

ADH

ACH

ABH

AAH

A9H

A8H

位符号

EA

---

-----

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

其中EA是中断允许总控制位；

EX0和EX1是外部中断允许控制位；

ET0和ET1是定时器中断允许控制位；

ES是串行中断允许控制位。

（2）定时器控制寄存器TCON

寄存器地址为88H，位地址为8FH-88H。

虽然该寄存器名称为定时器控制寄存器，但多数位都是为中断控制而设置的。

位定义及位地址如表3.3所示

表3.3寄存器TCON

位地址

8FH

8EH

8DH

8CH

8BH

8AH

89H

88H

位符号

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

TF0和TF1是定时器（T0和T1）计数溢出标志位。

当计数器产生计数溢出时，相应的溢出标志位由硬件置1，并自动产生定时中断请求。

此外，这两位也可以作为状态位供查询使用。

IE0和IE1是外部中断请求标志位。

当CPU采样到INT0（或INT1）端出现中断请求信号时，对应位由硬件置1，即保存外部中断请求。

在中断响应完成后转向中断服务时，再由硬件自动清0。

IT0和IT1是外部中断触发方式控制位。

（3）中断优先级控制寄存器IP

各中断的优先级通过中断优先级控制寄存器IP设定。

该寄存器地址为B8H,位地址为BFH-B8H，其位定义及位地址如表3.4所示

表3.4寄存器IP

位地址

BFH

BEH

BDH

BCH

BBH

BAH

B9H

B8H

位符号

----

----

----

PS

PT1

PX1

PT0

PX0

PX0是外部中断0优先级设定位；

PT0是定时器0中断优先级设定位；

PX1是外部中断1优先级设定位；

PT1是定时器1中断优先级设定位；

PS是串行中断优先级设定位。

通过中断优先级控制寄存器可把80C51的全部中断分为高、低两个优先级，对应位为0表示低优先级，为1表示高优先级。

3.2.4单片机最小系统

单片机的最小系统由单片机，时钟电路，复位电路共同组成。

1.振荡电路

80C51芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容器。

石英晶体为一感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，从而为单片机提供时钟电路。

80C51的时钟振荡电路如图3.4所示

图3.4单片机振荡电路

2.复位电路

复位是单片机的硬件初始化操作。

经复位操作后，单片机系统才能开始正常工作。

80C51有复位信号引脚RST，用于从外界引入复位信号。

复位操作比较简单，只有两种复位方式，即加电复位和手动复位。

（1）加电复位

加电复位是指通过专用的复位电路产生复位信号。

它是系统的原始复位方式，发生在开机加电时，是系统自动完成的。

加电复位是基本的、任何单片机系统都具有的功能。

（2）手动复位

手动复位也应通过专用的复位电路实现。

在单片机系统中，手动复位是必须具有的功能。

在调试或运行程序时，若遇到死机、死循环或程序跑飞等情况，手动复位是摆脱这种尴尬局面的最常用的方法。

这时，手动复位所完成的是一次重新启动操作。

在实际系统中，总是把加电复位电路和手动复位电路结合在一起，形成一个既能加电复位，又能手动复位的公用复位电路。

在本次设计中加给80C51单片机的复位电路如图3.5所示

图3.5单片机复位电路

3.单片机的最小系统

单片机的最小系统如图3.6所示

图3.6单片机的最小系统

3.3脉冲形成电路

3.3.1霍尔传感器介绍

脉冲形成电路即采用霍尔装置组合形成的电路。

应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现出租车转速的测量。

霍尔器件是一种磁传感器。

用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-5℃～150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:

直接应用和间接应用。

前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

3.3.2霍尔效应

如图3.7所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图3.7中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。

VH称为霍尔电压。

图3.7霍尔效应

这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场