【正文】 .................................................................................................................................. 21 致 謝 ......................................................................................................................................... 34 1 1 課題背景 研究背景 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 人民的生活水平有了很大的改善，旅游已經(jīng)成為一種時(shí)尚，旅游業(yè)的發(fā)展，讓人們對(duì)交通和服務(wù)行業(yè)的要求越來越高，而 出租車 就成為了外出旅游的重要工具之一。 隨著 出租車行業(yè)的迅猛發(fā)展，出租車成為 了日常生活中重要的 交通 工具 ， 只有安裝了計(jì)價(jià)器 的 出租車才可以使用。近年來，依據(jù)國家有關(guān)法律、法規(guī)。 出租車作為重要 的 交通工具， 其行業(yè)的 發(fā)展 也早已備受 關(guān)注， 出租車能否準(zhǔn)確的計(jì)價(jià)，是 乘客與司機(jī) 一直關(guān)注的重點(diǎn)，而 良好性能的計(jì)價(jià)器無論是對(duì)汽車司機(jī)還是對(duì)廣大消費(fèi)者都是很重要的。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，第二代半機(jī)械化、半電子化 的 計(jì)價(jià)器 產(chǎn)生 ， 這時(shí)的計(jì)價(jià)器不但可以計(jì)程，還可計(jì)價(jià)。 研究?jī)?nèi)容 計(jì)價(jià)器是主要負(fù)責(zé)出租車收費(fèi)的職能儀表，它關(guān)系到消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)利益，所以它對(duì)穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性，精確性的要求非常的高。 2 硬件平臺(tái) 單片機(jī) 概述 單片機(jī) 又稱為 單片微型計(jì)算機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit） ，常用英文 縮寫 字母 MCU來 表示單片機(jī)， 單片機(jī) 最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），高性能 CMOS8位微處理器， 單片機(jī)的 可擦 2 除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。 AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 CPU的主要功能是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，以控制存儲(chǔ)器、輸入 /輸出端口的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯預(yù)算以及位操作處 理等。算術(shù)邏輯單元 ALU能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算；“與”、“或”、“異或”等邏輯運(yùn)算以及位操作運(yùn)算。 寄存器 B在乘法指令中用來存放一個(gè)乘數(shù)，在除法指令中用來存放除數(shù)，運(yùn)算后 B中為部分運(yùn)算結(jié)果。 它 將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 圖 21 AT89C51 的 引腳 圖 3 電源引腳 VCC和 VSS VSS：接地端。 時(shí)鐘信號(hào)引腳 XTAL1和 XTAL2 XTAIL XTAL2：當(dāng)使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路時(shí)，用外接石英晶振和微調(diào)電容， XTAL1是內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端， XTAL2是片內(nèi)振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶振的固有頻率。 控制信號(hào)引腳 RST/VPD、 ALE/PROG 、 PSEN 和 EA/VPP RST/VPD： RET是復(fù)位信號(hào)輸入端。 ALE/ PROG ： ALE為地址鎖存允許輸出信號(hào)。在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE也以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6的固定頻率輸出，因而它又可以作對(duì)外輸出時(shí)鐘信號(hào)或其他需要，例如可以示波器查看 ALE是否有脈沖信號(hào)輸出來確定 89C51芯片的好壞；第二功能 PROG是對(duì)內(nèi)部有 EPROM的單片機(jī)的 EPROM編程脈沖輸入端，它和 31號(hào)引腳的第二功能 VPP一起使用。在訪問外部 ROM時(shí)， PSEN產(chǎn)生負(fù)脈沖作為讀外部 ROM的選通信號(hào)。 EA /VPP： EA是訪問外部 ROM的控制信號(hào)。 EA為高電平且 PC值小于 0FFF（ 4K） 時(shí)， CPU執(zhí)行內(nèi)部 ROM的程序，但當(dāng) PC的值超出 4K時(shí)將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外 ROM的程序。 并行 I/O端口 P0、 P P2和 P3 P0口（ ~）： P0口是一個(gè) 8位雙向 I/O端口（無需外接上 拉電阻）。 P0口先輸出片外存儲(chǔ)器的低 8位地址并鎖存在地址鎖存器中，然后再輸入或輸出數(shù)據(jù)。且 P1口只能 4 作為一般 I/O口使用。在訪問外部ROM或外部 RAM時(shí)，輸出高 8位地址，與 P0口提供的低 8位地址一起組成 16位地址總線。 P3口 （ ~）： P3口是一個(gè)內(nèi)部帶有上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O端口，在系統(tǒng)中 8個(gè)引腳都有各自的第二功能。無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位 。 圖 22 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) AT89C51系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè) 可控制的反相放大器，引腳 XTAL XTAL2為反相放大器的輸入端和輸出端，在 XTAL XTAL2上外接晶振和電容便組成振蕩器。振蕩器頻率主要取 決與晶振的頻率，但小于器件所允許的最高頻率。 圖 23 時(shí)鐘電路 5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。 它們 是 AT89C51工作所需的最簡(jiǎn)外圍電路。 圖 24 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 A44E 霍爾傳感器 A44E 霍爾傳感器簡(jiǎn)介 A44E霍爾傳感器 是一種磁傳感器。以 霍爾 效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。這種霍爾元件大量用于直流無刷電機(jī)和測(cè)磁儀表。 （ a） 1—VCC 2—GND （ b） 3—OUT 圖 25 集成霍爾開關(guān)外形及引線 6 在輸入端 輸入電壓 VCC，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢(shì)發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差 VH輸出，該 VH信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成 為方波輸送到 OC門輸出。這樣兩次電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動(dòng)作。 圖 26 集成開關(guān)霍爾傳感器原理 里程計(jì)算、計(jì)價(jià)單元設(shè)計(jì) 里程計(jì)算是通過安裝在車輪上的霍爾傳感器 A44E 檢測(cè)到的信號(hào)，送到單片機(jī)，經(jīng)處理計(jì)算，送給顯示單元的，其原理如圖 27 所示。 我們選擇了 口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷 0（這樣可以減少程序設(shè)計(jì)的麻煩），車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾開關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)的中斷，對(duì)脈 沖 計(jì)數(shù)， 7 當(dāng) 計(jì)數(shù) 達(dá)到 1000 次時(shí)，也就是 1 公里，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)的增加，其計(jì)算公 式 :當(dāng)前單價(jià) 公里數(shù) =金額。 仿真時(shí)共用了四個(gè)不同頻率的脈沖模擬傳感器脈沖。通常有 16條引腳線，其中有 8位數(shù)據(jù)總線 D0D7，和 RS、R/W、 EN三個(gè)控制端口， 還有兩個(gè)腳為背光源正負(fù)極， 工作電壓為 5V。液晶顯示具有厚度薄，使用于大規(guī)模集成電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，目前已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如便攜式電腦，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)， PDA移動(dòng)通信工具等。 第 5腳： RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6腳： E端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15～ 16腳： 背光源正負(fù)極 。采用三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 的 管腳如圖 28 所示 。當(dāng)主電源關(guān)閉時(shí)，后背電源 同樣能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 RST 的輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。如果在傳送過程中 RST 置為低電平，就會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST 置為高電平。位 5至位 1 指示操作單元的地址 。 1 RAN/CK A4 A3 A2 A1 A0 RAN/K 圖 210 DS1302 的控制字節(jié) 9 3 軟件平臺(tái) Proteus ISIS 仿真軟件簡(jiǎn)介 Proteus ISIS 是一種操作簡(jiǎn)便而又功能強(qiáng)大的原理圖編輯工具，它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)有： (1)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī) 仿真和 SPICE 電路仿真的結(jié)合 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真等功能 。 (3)提供軟件調(diào)試功能 在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須 具有這些功能 。 Proteus ISIS 的仿真步驟 Proteus 仿真時(shí)，單片機(jī)需要加載程序，加載程序?yàn)?.HEX 文件。 Proteus ISIS仿真界面如 圖 31 所示。通過左側(cè)工具欄中的 P(從庫中選擇元件命令 )命令，在 Pick Devices 左側(cè)窗口中選擇所需元件的關(guān)鍵字，然后放置元件并調(diào)整方向和位置以及參數(shù)設(shè)置。 圖 32 元件選取界面 Keil uVision2 調(diào)試軟件 Keil uVision2 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng) C 語言 的語法來開發(fā)， 提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具， 與 匯編 相比， C 語言在功能 性 、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有 明顯的優(yōu)勢(shì) 。 圖 33 Keil的基本使用流程 11 Keil uVision 軟件的調(diào)試界面如圖 34 所示 。 此文件的選取界面如圖 35 所示 。此外，當(dāng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)模式切換時(shí)所 用的按鍵是機(jī)械按鍵，而機(jī)械按鍵用久了很容易老化，會(huì)造成接觸不良，容易導(dǎo)致功能不易實(shí)現(xiàn)。 因此本電路以 AT89C51 單片機(jī)為中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車路程的統(tǒng)計(jì)，輸出采用液晶顯示器 LM016L。 當(dāng)選擇低于 10Hz 的頻率的時(shí)候，所表示的是出租車停止行駛，此時(shí)采用的 是 計(jì) 時(shí) 收費(fèi)模式，即 100s 按照 1km收費(fèi)， 1km收費(fèi) 元，起步價(jià)為 6 元（含 3km）。 時(shí)間顯示部分是用 DS1302 為時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)時(shí)的， N 鍵和 P 鍵是調(diào)整時(shí)間的導(dǎo)航鍵， N鍵是順序， P 鍵是倒序， + 鍵和 鍵是調(diào)節(jié)時(shí)間和日期的， E/C 鍵是選擇時(shí)間顯示還是計(jì)費(fèi)顯示的按鍵。 4. 2 計(jì)價(jià)器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 4. 主程序模塊 在主程序模塊設(shè)計(jì)中，要設(shè)置啟動(dòng) /清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器，然后對(duì)它們進(jìn)行初始化，這時(shí)，主程序就會(huì)根據(jù)需要完 成啟動(dòng)、清除、計(jì)程等各種操作。 14 4. 定時(shí)中斷服務(wù)程序 在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，每 1ms 就會(huì)產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)產(chǎn)生 1000 次中斷的時(shí)候，也就是一秒，然后把數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的顯示緩沖單元，并調(diào)用顯示子程序即可顯示。 4. 計(jì)價(jià)管理程序 計(jì)價(jià)管理程序主要 作用 是對(duì) 脈沖的計(jì)量 并 轉(zhuǎn)換為公里數(shù)， 計(jì)算出所需費(fèi)用，同時(shí)， 測(cè)出 出租車的行駛速度，統(tǒng)計(jì)低速行駛的時(shí)間 和費(fèi)用，并把檢測(cè)到的結(jié)果傳送給液晶顯示器，及時(shí)的更新函數(shù)，以便 主函數(shù)可以及時(shí)的控制用戶界面，計(jì)時(shí)費(fèi)用，行駛路程等信息。 4. 3 主程序設(shè)計(jì)及程序流程圖 程序開始運(yùn)行后，首先初始化各個(gè)硬件部分，同時(shí)打開時(shí)基中斷，準(zhǔn)備好為鍵盤掃描和時(shí)間管理做好服務(wù)工作， 程序進(jìn)入主循環(huán)之后會(huì)不斷的對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，隨時(shí)準(zhǔn)備根據(jù)按鍵的啟動(dòng)、停止里程計(jì)量，或者是轉(zhuǎn)換顯示模式和進(jìn)入設(shè)置模式，主循環(huán)時(shí)，時(shí)間也會(huì)及時(shí)更新。 出租車行駛時(shí) 圖 52 出租車行駛時(shí) 17 當(dāng)頻率選擇在 50Hz， 150Hz， 211Hz 的情況下時(shí)，出租車中速、高速、超高速行駛，按 一下按鍵 E/C，切換至計(jì)費(fèi)模式， RUN 燈點(diǎn)亮，采用計(jì)價(jià)收費(fèi)，每行駛 1 公里收費(fèi) 元，起步價(jià)為 6 元（含 3 公里） 。 顯示時(shí)間和日期 圖 54 顯示時(shí)間和日期 18 出租車不計(jì)費(fèi)時(shí)，按下 E/C 鍵，就會(huì)切換顯示模式，同時(shí)還可根據(jù)需要，按下 N 鍵或P 鍵選中要調(diào)整的日期或者時(shí)間，然后按 + 或 鍵就可以隨意修改時(shí)間和日期了。本設(shè)計(jì)中用 虛擬的儀表發(fā)生頻率 模擬了四個(gè) 霍爾 傳感器脈沖，共用了四個(gè)頻率開關(guān)的 ON 和 OFF 來選擇頻率，不同的頻率模擬了汽車不同的行駛情況， 10Hz 以下時(shí)模擬汽車停止行駛，計(jì)價(jià)方式為按時(shí)計(jì)費(fèi)，每過 100s 收費(fèi) 元； 50Hz， 150Hz， 211Hz 分別模擬汽車中速，高速，超高速的行駛狀態(tài)，計(jì)價(jià)方式為計(jì)程計(jì)費(fèi)，每行駛 1km 收費(fèi) 元，起步價(jià)為 6 元（含 3km）。 本設(shè)計(jì)雖然成功通過仿真，但還是有很多需要改進(jìn)的地方，對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的一些環(huán)境因素考慮不周，應(yīng)增加此方面的處理，更好的提高計(jì)價(jià)器的準(zhǔn)確性和精確