基于单片机的出租车计价器设计Word文档格式.docx
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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。
传统机械式和半机械式出租车计价器主要依靠传感器接收的脉冲进行计数，依靠齿轮比进行计价，不可避免的造成计价器易损耗，精度低，不易调整价格，容易作弊等问题。
从加强出租车行业管理及服务质量并且节约成本出发，考虑到单片机已经再各个领域成熟的应用了几十年，其技术可靠，参考资料丰富，价格低廉，因此本文选取了AT89S52这一单片机做为计价器的核心。
运用霍尔传感器检测车轮转数，读取掉电存储单元里面的价格信息，经单片机处理之后显示到LED数码管上。
用单片机进行的设计，相对来说功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合很容易实现设计要求，且灵活性强，可以通过软件编程来完成更多的附加功能。
通过软件就可以轻易的实现计费模式的切换。
本设计采用LED数码管提供了友好易读的界面，数据信息一目了然，极大的方便了司机朋友的使用。
关键词:
出租车计价器；
AT89S52；
单价调节；
软硬件设计
ADESIGNOFTAXIMETERBASEDONSINGLECHIPDESIGN
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmoderndomesticcities,thetaxiindustrybyleapsandbounds，andtherentalcarmileagefaremeter'
smarketdemandisalsogreatlyincreasing.Taximeterisbothpassengersanddriversofthetransactioncriteria,ataxiisthemostimportanttools.Itrelatestotheinterestsofbothtransactions.Hasagoodperformanceregardlessofthemeterisavastnumberoftaxidriversorpassengersareverynecessary.
Traditionalmechanicalandsemi-mechanicalTaximeterrelymainlyonthesensortoreceivethepulsecount,relyingonthepricingofgearratio,theinevitableresultofthemetereasytowearandtear,lowprecision,easytoadjusttheprice,easytocheatandotherissues.Inordertostrengthentherentalcartrademanagementandthegradeofservice，andsavesthecosttoembark，Thesingle-chipcircuitrytoAT89S52asthecenter,anadditionalHallsensorA44Eranging,torealizeTaximeterstatistics,usingAT24C02realizewhenthesystempower-downunitpricesandsaveinformationsuchassystemtime.MCUusedforthedesign,arelativelypowerful,withlesshardwareandappropriatesoftwarecaneasilycoordinatewitheachothertoachievethedesignrequirements,flexibilityandstrong,canbeprogrammedbysoftwaretocompletemoreoftheadditionalFunction.Pricingmodelfortheswitch,softwareprogrammingandcaneasilycitetheachievement.Alsointhisprogrammethattheuseofa8digitaldisplaytube,canbemorefriendlytouseinterface.ThisdesignusesLEDdigitaltubetoprovideafriendlyandeasytoreadinterfaceanddatainformationataglance,whichgreatlyfacilitatestheuseofthedriverfriends。
Keywords:
Rentalcarmileagefaremeter；
AT89S52；
unitpriceadjustment；
softwareandhardwaredesign
附件
附件1开题报告（文献综述）
附件2译文及原文影印件
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，随着出租车行业的迅速发展，出租车已经成为了城市交通不可分割的部分，出租车计价器是乘客与司机之间的一把秤，它关系着交易双方的利益，是出租车中最具标志性的工具。
一个性能良好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非常重要的[1]。
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，能连续累加计算，并指示出行程中任一时刻乘客应付费用的总数，其金额值是计程和计时时间的函数。
出租车计价器在最初使用时具备的主要功能是根据行驶里程计价，要求精度高，可靠性好。
要将出租车计价系统产品化，应该根据客户不同的需求进行不同的设计，在程序中增加一些可以人为改变但又不是可以在运行中随意改变的参数，以便客户根据不同的需要随时调节单价以及计价方式。
多年来国内普遍使用的车租车计价器计量功能少，操作不便，而且目前世界上90%的计价器产自台湾。
现今国内生产计价器的企业仅有数百家，主要是集中在珠江三角和江苏等地。
这些企业也大都是一些中小型的企业，研发水平有限，技术水平不高，国际竞争力也不强[2]。
我国最早的计价器几乎都采用机械齿轮构成，只能完成简单的测量功能，从某种程度上说，早期的计价器就只是个特殊的里程表。
随着科学技术的发展，产生了采用了手摇计算机与机械结构相结合的新一代的计价器。
它在计程的同时还可完成计价的工作。
大规模集成电路的发展带来了第三代计价器，也就是现在常见的功能也在不断完善的全电子化的计价器。
现在各大中城市出租车行业都必备出租车计价器，甚至于没有正规的出租车计价器的出租车几乎不再有人相信是真的，所以计价器市场的发展已成为了不可阻挡的趋势[3]。
而部分小城市出租车行业尚不发达，但随着城镇城市化进程的日益加快，象征着城市面貌的出租车行业也将加速发展，计价器市场的不断扩张也是毫无疑问的，所以未来出租车计价器的市场潜力还是巨大的。
1.2本文研究目的
目前的出租车计价器种类繁多，采用的方案也各不相同。
从传统简单的逻辑电路方案到高性能的FPGA方案，极大地丰富了计价器市场。
但是各个方案又都有其难以避免的缺点，例如逻辑电路，由于主要依靠传感器接收的脉冲进行计数，依靠齿轮比进行计价，不可避免的造成计价器易损耗，精度低，不易调整价格，容易作弊等问题[4]。
因此本文拟采用一个简单易行，且价格低廉的方案来取代当前的出租车计价器。
考虑到单片机已经再各个领域成熟的应用了几十年，其技术可靠，参考资料丰富，价格低廉，因此本文选取了AT89S52这一单片机做为计价器的核心。
运用霍尔传感器检测车轮转数，读取掉电存储单元里面的价格信息，经单片机处理之后显示到LED显示屏上。
相信这种计价器能够成功的取代当前的出租车计价器给乘客和出租车司机带来方便和实惠。
1.3本文主要内容
本文第一章主要介绍了出租车计价器的一些相关信息，简要的叙述了本设计存在的意义。
第二章对当前的各种方案进行了比较论证，最后选取其中综合性能最好的方案，并且对这一方案里面所采用的各种芯片进行了简要的减少和说明。
第三章则详细的叙述了各个芯片的硬件电路，各部分的功能构成，以及周边电路的设计。
第四章则介绍了各个软件模块的设计方案，软件流程。
也简单介绍了本文模拟用的软件Proteus和Proteus的仿真的结果。
2总体方案设计
2.1方案论证与比较
出租车计价器是出租车营运收费的专用计量仪表，随着电子技术的发展也给出租车计价器的发展带来了春天，日渐丰富的功能，完善的周边电路，更加人性化的操作也让出租车计价器技术日新月异，国内出租车计价器的发展从传统的齿轮传动组成的机械式到用手摇式计算机代替部分机械元器件的半电子化出租车计价器[5]。
出租车计价器的发展从未有过停止，各种新的解决方案也层出不穷。
面对众多可选择的方案，出租车计价器计费是否能够公平公正准确的计费、是否能够让乘客信任是才是广大客户最关心的问题，而计价器营运数据是否方便管理，是否能够实现燃油附加费、税收的方便管理才是出租车司机最关注的[6]。
在查阅了大量的资料和文献之后，本文最终筛选出了以下的两种较为简单易行又常见的方案：
方案一：
采用单片机技术。
单片机有着丰富的I/O端口，可实现基本的里程计价功能和价格调节、时钟显示功能。
其原理如图2.1所示。
图2.1单片机控制方案
方案二：
采用EDA技术，根据层次化设计理论，该设计问题自顶向下可分为分频模块，控制模块、计量模块、译码和动态扫描显示模块，其系统框图如图2.2所示：
图2.2FPGA控制方案
通过比较以上两种方案，FPGA设计虽然也能满足要求，但是考虑到成本和扩展性上不如单片机，而且维修不方便，在中小规模生产的情况下没有明显的性价比。
而相比来说单片机有较大的活动空间，利用单片机丰富的IO端口，及其控制的灵活性，不但能实现基本的里程计价功能和价格调节、时钟显示功能，而且能在很大的程度上扩展功能，还可以方便的对系统进行升级。
为此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。
2.2单片机系统总体设计
本次设计我们利用单片机AT89S52芯片作为设计的核心，利用霍尔传感器测距，实现对出租车计价统计，采用AT24C02实现在系统掉电的时候保存单价和系统时间等信息，显示采用8位LED数码管，分屏显示单价、路程、总金额以及时间.
当出租车启动时，单片机检测到霍尔传感器的脉冲信号并进行里程计算。
当无乘客时，单片机调用芯片DS1302程序和74LS138串口显示驱动程序，用LED进行时钟显示。
当空车灯掰下乘客上车时：
通过DS1302获取时间信息分辨白天/晚上，然后调用AT24C02程序获取白天、晚上的单价及起始价，便开始计价并显示时间、里程和金额等信息。
当空车灯打上乘客下车时，等待出租车再次启动后单次金额与里程等信息清零复位，就此完成一次计价。
总体框图如2.3：
图2.3总体设计框图
2.3芯片简介
根据任务书的功能要求和现在所具备的条件，本设计拟采用5个芯片，分别为：
AT89S52、AT24C02、74LS138、DS1302、霍尔传感器A44E。
2.3.1AT89S52
本文所选用的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，亦适于常规编程器。
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[7]。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，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[8]。
AT89S52引脚图如图2.4：
图2.4单片机引脚图
2.3.4DS1302
设计考虑到计价器的实用性，拟在没有乘客的情况想显示实时时钟，也是作为各个时段单价自动转换的标准。
采用一个可靠的计时芯片是必不可少的。
DS1302一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，工作性能稳定可靠，采用SPI三线接口与CPU进行通信；
并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天可以自动调整，并且具有闰年补偿功能。
通过设DS1302的控制/状态寄存器选择日历，时钟方式经过初始校准后即可工作使用；
工作电压宽达2.5～5.5V。
可采用多电源供电[9]。
如图2.5为DS1302的引脚功能图。
图2.5DS1302引脚功能图
由于采用了备用电池供电，所以在汽车电源关闭的情况下，也能保持时钟的正常运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2中电压较高的一端供电。
X1和X2是外接32.768kHz晶振的振荡源。
RST是复位/片选线，通过把RST输入置高电平来启动所有的数据传送。
RST有两种输入功能：
第一，RST接通控制逻辑，允许将地址/命令序列输入到移位寄存器中；
第二，RST提供了停止单字节和多字节数据的发送方法。
当RST被置为高电平时，初始化所有的数据传送，允许操作DS1302。
在传送过程中如果RST置为低电平，数据传送则会被立即停止，芯片的I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向），SCLK则是输入端[10]。
2.3.5A44E
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，而且其最高测频率可达到1MHZ。
集成开关型霍尔传感器原理如图2.6所示。
图2.6集成开关型霍耳传感器原理图
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[11]。
在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，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耳电势差HV输出，该HV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OPB）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，通常称这种状态为“开”。
当施加的磁场达到释放点（即rPB）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”。
这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作[12]。
2.3.6AT24C02
掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设定的单价信息。
AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。
其引脚功能：
串行时钟信号引脚（SCL）：
在SCL输入时钟信号的上升沿将数据送入EEPROM器件,并在时钟的下降沿将数据读出。
串行数据输入/输出引脚（SDA）：
SDA引脚可实现双向串行数据传输。
该引脚为开漏输出，可与其它多个开漏输出器件或开集电极器件线或连接。
器件/页地址脚（A2,A1,A0）：
A2、A1和A0引脚为24C01与24C02的硬件连接的器件地址输入引脚。
24C01在一个总线上最多可寻址八个1K器件，24C02在一个总线上最多可寻址八个2K器件，A2、A1和A0内部必须连接。
24C04仅使用A2、A1作为硬件连接的器件地址输入引脚，在一个总线上最多可寻址四个4K器件。
A0引脚内部未连接。
其电路如图2.7所示。
图2.7AT24C02引脚图
由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。
每当设定一次单价，系统就自动调用存储程序，将单价信息保存在芯片内；
当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的单价等信息，读到缓存单元中，供主程序使用[13]。
AT24C02的存储容量为2Kb，内容分成32页，每页8B，共256B，操作时有两种寻址方式：
芯片寻址和片内子地址寻址。
（1）芯片寻址：
AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010A2A1A0R/W。
其中A2，A1，A0可编程地址选择位。
A2，A1，A0引脚接高、低电平后得到确定的三位编码，与1010形成7位编码，即为该器件的地址码。
R/W为芯片读写控制位，该位为0，表示芯片进行写操作。
（2）片内子地址寻址：
芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。
2.3.774LS138
74LS138芯片是常用的3-8线译码器，LS是TTL的，他的COMS版本叫74HC138。
常用在单片机和数字电路的译码电路中。
其封装如图2.9：
图2.974LS138引脚图
74LS138有3个附加控制端S1,S2’和S3’。
当S1=1，S2’+S3’=0时，Gs输出为高电平，译码器处于工作状态。
否则译码器被禁止，所有的输出端被锁存在高电平，如表2.1：
表2.174LS138真值表
三八译码器真值表
输入端
输出端
A0
A1
A2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
1
这三个控制端也被称为“片选”输入端，利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能。
3硬件电路设计
3.1CPU模块
该模块主要包括系统初始化、里程的识别和费率的计算及各种功能模块的的组织和管理等。
主程序模块在系统中起着重要的作用。
鉴于单片机的端口特性不同，拟将P0口、P2口作为数据输出口，接到数码管；
P1用作存储器数据读写端口；
P3口作为控制和霍尔传感器信号输入端口。
最小系统如图3.1：
图3.1AT89S5最小系统模块
由于单片机采用经过整流滤波之后的汽车用12V电源，外接的12M晶振来为单片机提供时钟源。
由于计价器的工作环境比较差，它要求有抗振动、抗高低温、抗潮湿、抗电磁干扰等能力，特别是电源方面的干扰，如出租车启动时，发动机打火、电瓶充电等造成输入计价器的+12V电源不稳定。
因此采用+12V电瓶电源经过滤波和电源稳压管理芯片7805后得到+5V的稳定电压输出，保证整个系统能够正常工作，电路如图3.2所示。
图3.2电源电路
3.2路程测量部分
里程测量是通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，由单片机处理之后显示到LED上的。
其原理如图3.3所示。
图3.3A44E传感器工作原理图
在霍尔电势发生器的两端加上电压VCC后，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，霍尔传感器的输出端输出低电平。
当车轮转动一圈时小磁铁提供一个磁场，则霍尔传感器输出一次低电平完成一次数据采集。
车轮每转一圈，霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉计数。
通过计算将脉冲增加体现在金额和里程上。
出租车中从霍尔传感器中得到标准的脉冲信号送入单片机的P3.3引脚，利用单片机的T1的计数功能完成1000次的计数后产生一中断来完成路程的测量[14]。
费用计算功能：
费用计算包括两部分：
起步费、行使费。
（1）起步费用白天6元晚上7元；
（2）行使费用1.6/公里；
设车轮周长为1m，则霍尔传感器每产生1000个脉冲便表示车已行程1km。
我们选择了P3.3口作为信号的输入端，内部采用外部中断1，车轮每转一圈（我们设车轮的周长是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自动的增加，其计算公式：
当前单价×
公里数=金额。
3.3数据显示部分
设计要求有单价（2位）、总金额（4位）显示输出，时钟显示（包含时分秒的显示），若是采用LCD液晶显示，则在光线较强时不能看清数据，也就不能满足要求。
考虑到共阴数码管较为常见，因此我们采用8位LED数码管来显示。
单片机的P0口不能输出高电平，因此需在P0口接8个上拉电阻，以满足数码管的工作条件。
数码管显示电路如图3.4：
图3.4显示原理图
3.5时钟部分
DS1302控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取时钟数据，为1表示存取RAM数据；
位5至位1指示操作单元的地址；
最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
采用双电源供电，在断电的情况下由干电池组供电，可维持芯片的正常工作[15]。
电路如图3.5所示。
图3.5时钟芯片电路图
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