出租车计价系统设计与制作.docx
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出租车计价系统设计与制作
1绪论
1.1课题的目的和意义
随着社会的不断发展,人们的生活水平逐渐提高,人们越来越关注生活中方方面面的舒适程度,社会的基本公共设施的建设也尽可能的把这方面的要求提升，所以新时代人们重点关注的主要是衣食住行的问题。
人们在出行期间也注意其方便性和舒适性。
于是，出租车行业便由此孕育而出,出租车行业以低价、高质的服务让人们在出行中感受到了便捷和舒适。
但是在早期出租车行业中,，其收费纠纷很大程度上限制着着行业本身的发展，人们为了解决这一矛盾，想出的最好的方法就是增加出租车的计价功能，用精良的计费器为出行的乘客提供更加方便快捷的服务，司机和乘客之间的冲突也随着计价器的兴起而消失不见。
近些年来出租车计价器都是应用了单片机技术制造出来的。
单片机是微型机的一个主要分支,在结构上的最大特点就是把CPU、存储器、定时器和多种输入、输出接口集成在一块芯片上。
采用单片机作为出租车计价器的核心控制器，就可以用较少的硬件电路和恰当的软件程序相互配合构成计价器，可以实现里程计费、价格调整和显示金额等功能，并且灵活性强、精度高、可靠性好。
1.2国内外现状
我国在80年代开始就出现了出租车，但那时的国民经济水平和科研能力都比较有限，起初的计费系统大都是国外进口的，不但其准确性和便利性不高，价格也十分的昂贵，造成出租车公司的成本升高。
现在全国各个城市的出租车行业都已普及，出租车计价器也随着出租车的普及而被广泛应用，所以计价器技术的发展也越来越好。
而出租车计费器规范了乘客与司机双方的交易准则，是出租车行业的重要组成，具有良好性能的计费器无论是对出租车司机还是乘客来说都是必要的，是更便利交易的。
因此研究出租车计费器也是十分有价值和意义的。
相信未来的出租车计价器会随和科技的进步而更一步发展。
近些年来出租车计价器都是应用了单片机技术制造出来的。
其功能也相比之前越来越多，现在的计价器一般包含显示单价、路程、总金额、实时时间、白天和黑夜两种模式切换、停车等待计费、语音播报以及打印电子发票等等。
这一系列功能使出租车司机和乘客都感觉公平公正，冲突也就自然而然的消失不见。
21世纪，是人类全面进入电子信息的一个重要时间节点。
随着人类探知领域拓展和科学技术的发展，外界信息的采集技术方便了人类的生活方式，改变了人们的生活习惯，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术。
各种敏感元件及传感器如雨后春笋般出现，也是人类探知自然界信息也不需要靠着最古老的观察和触摸来完成。
它们可以将人们需要探知的压力、温度、湿度等非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。
如今，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。
霍尔传感器具有许多优点，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。
近些年科学家们大力研究传感器，各种类型的传感器也越来越多，原理也各有不同。
自1879年美国物理学家EdwinHerbert Hall发现霍尔效应以来，以此为工作原理的磁感应器件霍尔传感器已发展成一个重要的支柱型产业，被越来越多地应用于工业控制的各个领域，霍尔传感器在人类家庭中也越来越常见。
霍尔线性传感器有很多优点，其精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、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）。
其中取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围可以很宽，可达－55℃～150℃[12]。
霍尔传感器可以更加简单快捷的应用在出租车领域。
现今的出租车计价系统可以完美的实现出租车在不同情况下的计费。
单片机、外围芯片、传感器和各种元器件的不断发展促进了出租车计价系统的发展。
出租车计费系统也不会滞步不前，原地踏步。
它将朝着功能多元化、体积小型化、寿命长、精度高，等方面前进。
1.3课题主要的研究内容及研究方法
此次课题以STC89C52为核心，霍尔传感器为里程计算的主要器件。
通过按键电路、蜂鸣器电路、传感器电路和显示电路等完成硬件部分，按键电路用来设置参数，显示电路用来显示所需数据。
最后通过keil烧成可执行文件，再和proteus进行联调完成设计要求。
2设计方案与论证
2.1设计方案
基于单片机的出租车计费系统由以下几个模块构成：
（1）传感器电路：
为此次设计的里程计算提供服务；
（2）最小系统：
包含时钟电路和复位电路；
（3）串口显示电路：
用于显示单价、路程、金额等此次设计所需的信息；
（4）单片机模块：
核心控制器单片机将输入的信号进行处理和转换，再将处理后的信号传送给串口显示电路。
（5）电源模块：
为单片机、液晶显示屏、车轮上的霍尔传感器和电机供电。
图2.1计价器的总体结构框图
这个设计的核心是利用A44E霍尔传感器计算里程，每当车轮转一圈的时候，霍尔传感器和安装在车轮上的小磁铁发生感应从而会给STC89C52单片机一个低电平信号以供识别。
在实际情况下是通过车轮的周长和车轮的转数相乘来计算里程，但在实物的制作方面不可能把车轮做的很大，就必须要在程序中做单位换算从而实现里程数的计算。
再通过按键电路转换白天黑夜两种模式和单价的调节，再通过程序运行之后把结果输送给LCD液晶显示屏，从而显示出里程数、单价、总价、运行时间这些参数。
2.2单片机的选择
方案一：
使用STC89C51为核心控制器。
方案二：
使用STC89C52为核心控制器。
在本设计中由于需要编写的程序代码多，且STC89C52是STC89C51的升级版，这个单片机芯片具有自带8K字节只读存储器。
价钱也不贵，学生可以接受其价位，如今它也是市场上主流的控制器，所以此次设计应选用方案二。
2.3里程计数元件的选择
方案一：
采用光敏电阻模块进行里程计数测量。
方案二：
用霍尔传感器完成里程计算的目的。
方案三：
利用按键模拟设计中的车轮转动从而计算里程。
由于光敏电阻对于光信号极其敏感，当处于强光环境中行驶时或者光敏电阻上灰尘过多时，光敏电阻会发出错误的信号从而影响里程计数的精确度。
另外光敏电阻传感器需要占用单片机更多I/O口,焊接比较复杂也极易损坏。
通过霍尔传感器进行的里程计数则不然，这种设计利用安置在车轮上的霍尔传感器，检测信号并送到单片机，这个布局和安装也不复杂，只需在车轮上附着一个磁铁，把霍尔传感器固定在车的轴承上，当车轮每转一圈，霍尔传感器就会接近磁铁一次，此时霍尔传感器就会获得连续的脉冲信号，这个连续的脉冲信号经过单片机的运行，就会算出相应的里程数，再经过软件中的计算公式算出总金额然后显示，电路就会显示相应的一系列结果。
利用按键模拟车轮转动从而计算里程的方法在精度上不是很好，因为按键的机械构造，按键每一次按下松开的时候提供给单片机不是一个规范的脉冲信号，在其提供的高低电平之间存在电压毛刺，使单片机不能准确检测。
上述分析阐述了把三种方案的可行性，经过比较，在此次设计中选择方案二。
用霍尔传感器进行里程测量。
2.4显示模块的选择
显示模块主要是显示里程、总价、运行时间等。
考虑有以下两种显示方案。
方案一：
选用数码管。
数码管是由发光二极管组成的一种半导体发光器件，它是由7个发光二级管组成的，有的加上小数点就是8个放光二极管。
外部环境的变化对数码管的工作无较大影响，数码管也具有价格便宜，操作简单的优点。
方案二：
选用字符型LCD1602液晶显示屏。
液晶显示屏是以液晶材料为基本组件。
液晶显示屏在接收到信号后就会保持恒定的亮度，不影响数据的显示。
但是极少情况下也会产生鬼影。
另外液晶显示屏的轻薄短小、低耗电量、无辐射，分辨率高，抗干扰能力强的特点也受到了使用者的喜爱。
因为数码管的显示数据量单一，如果显示的参数比较多，需要焊接很多数码管，而且数目较多的数码管占用更多的I/O口，需要更强的驱动能力，而增强驱动能力就需要再焊接译码器，但是焊接过程太过繁琐。
而液晶屏不需要占用单片机过多的外部接口且它的机身轻薄，节省空间，只需焊接一个上拉电阻提升它的驱动能力，所以焊接过程方案二比方案一简单，因此本设计选用LCD1602作为输出显示。
综合考虑两种方案的优缺点，此次设计采用方案二。
2.5按键电路的选择
方案一：
采用独立按键电路。
方案二：
采用薄膜式矩阵按键电路。
由于本次设计是出租车计价系统，在实际生活中不同城市、不同城区有着不一样的收费额度，并且在本次设计中有白天、夜间两种计价模式，这就需要手动切换，而且在设计中还包括起步价和单价的调节，因此我们就需要按键电路来进行切换模式和计价费用。
按键电路分为两种，包括独立按键电路和薄膜式矩阵按键电路。
独立的按键电路，其一个按键开关需要连接单片机的一个I/O口，且键盘中各按键独立工作互相不发生任何联系和冲突。
因此可以根据想要实现的目的和按键对应的键值灵活的编写程序。
对于这样编码的独立按键电路，CPU可以通过直接读取I/O口的状态来获取按键的状态，这样的键盘在焊接和观察时比较简单，按键识别容易。
但如果在需要独立按键数目比较多的设计要求下就会造成I/O口不够用的情况。
薄膜式矩阵按键电路只需要一个I/O口就可以构成4*4的按键电路，满足此次设计的按键数目要求，并且不需要焊接，只需把八个排针接口与单片机的I/O口连接即可，不需要考虑焊接过程中的跳线等一系列问题。
综合考虑以上的论述，所以此次设计选用方案二，即薄膜式矩阵按键电路。
2.6电源电路的选择
方案一：
采用降压模块。
方案二：
采用USB转TTL模块。
由于单片机的工作电压为5V，而现实中出租车的电源为24V或36V，此时就需要一个合适的模块把电压降低到单片机的工作电压。
若采用方案一就能给单片机提供一个稳定的5V电压，但是这个降压模块由一个降压芯片和4个电容构成，造成了成本的升高和焊接难度的提升，也不能给单片机传输数据。
又考虑到车载的24V或36V电压在实物制作中不容易提供，只能考虑现有条件下的220V电压。
而方案二恰恰实现了方案一所不能达到的要求，只需这个模块的USB接口与电脑相连，就能实现通信传输和单片机供电的问题。
所以方案二是此次设计的最佳选择。
2.7本章总结
这一章介绍了此次设计中硬件的论证方案以及模块的选型的问题，通过方案的论证选择最适合的元器件，使此次设计的性价比达到最好。
3硬件设计
3.1单片机最小系统
STC89C52单片机是本次设计的核心控制器件，该单片机为51系列升级版。
STC89C52单片机可以完成设计任务的要求，其最小系统主要包括：
复位电路、时钟电路以及存储器选择模式，这是单片机正常工作的重要组成模块，缺一不可。
1.单片机最小系统的概念：
能使单片机正常工作的的最小硬件单元电路。
2.单片机的最小系统的组成电路：
（1）复位电路
图3.1复位电路
此处复位电路的焊接方式是上电复位。
上电复位是通过电容的充电放电特性完成的，电容充电时，RST引脚为高电平，电容充满电会放电，此时RST引脚为低电平。
此处为了省去按键的焊接，用上电复位即可。
（2）时钟电路（一般是20-30pf）
图3.2时钟电路
单片机外部电路的运行都受到时钟信号的控制。
单片机的运行速度和稳定性也受到时钟频率的影响。
在51单片机内有两个接口，分别为XTAL1和XTAL2，这两个接口为单片机内部反相放大器的输入、输出端。
内部时钟方式和外部时钟方式为单片机的两种时钟方式可。
因为外部时钟方式是把外部独立的时钟源接到XTAL1上，而XTAL2不接入任何电路，只有多片单片机共同工作才会选择这种时钟方式。
因为本次设计只需要一个单片机作为控制器就可达到目的，所以这里用内部时钟方式。
内部方式的时钟电路的接法就是在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接晶振和两个电容，这三个元器件构成了振荡电路。
晶振的频率取值一般为12MHZ，两个电容约为30PF。
（3）存储器访问路径控制：
EA/VPP=+5V，一般接高电平+5V。
图3.3存储访问路径控制
下图是最小系统的总图，此处电路是必须要有的，否则单片机不会工作，在焊接的过程中也要考虑晶振的取值问题。
图3.4最小系统总图
3.2霍尔传感器
霍尔传感器可以检测和识别出磁场的细微变化，所以它是一个磁传感器。
霍尔传感器利用霍尔效应作为它的工作原理，它结构简单、体积小、灵敏度高、精确度高、输出电压变化大，工作时对外部的环境要求不高。
能很好的完成本次设计中测量里程的目的。
霍尔传感器有线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
开关型霍尔传感器A44E是此次设计中的选择。
A44E其价格便宜，应用广泛，所以就选用A44E开关型霍尔传感器来完成此次的实物制作。
图3.4霍尔传感器A44E
A44E霍尔传感器属于开关型的霍尔器件，其输出的信号符合TTL电平标准，单片机的I/O口可以直接识别其输出信号。
A44E霍尔传感器由电压发生器、差分放大器、施密特触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级组成，磁场的变化为其输入，数字电压信号是其输出。
霍尔传感器A44E是一个三引脚的元器件，这三个引脚分别是电源VCC、接地端GND、输出端OUT。
引脚说明如表所示。
表3.1霍尔传感器A44E引脚功能介绍
引脚编号
引脚说明
1
电源VCC
2
数字地GND
3
OC门输出
因为此传感器输出端是集电极开路（OC门）输出，所以输出应接适当的负载电阻，只要数值选取合适就能够做到既能保证输出的高低电平符合要求又能保证三极管的负载电流不过大。
其工作原理为：
当输入端输入电压VCC时经过内部的稳压器将稳压后的电压信号加在霍尔电势发生器的两端，当霍尔片处于磁场中就会产生电流，形成霍尔电势差，这个压差信号经过差分放大器放大之后送至施密特触发器，再由施密特触发器整形成方波信号输送至OC门输出。
根据霍尔传感器的输出特性，当施加的磁场达到A44E的工作点，施密特触发器输出为高电压，则OC门中的三极管导通，使OC门输出为低电平，这种状态为开，当施密特触发器输出低电压，三极管截止，输出为高电平，这种状态为关。
图3.5霍尔传感器工作示意图
因为霍尔传感器A44E的输入为磁输入，其工作方式是看车轮上的小磁铁和轴承上的霍尔传感器A44E之间是否有磁感应。
当车轮转动时，小磁铁每经过霍尔传感器A44E时，霍尔传感器的OC门就会输出一个低电平，因为霍尔传感器A44E的输出接在了单片机的内部中断接口1上，所以每输出一个低电平就会被单片机识别从而引起一次中断，单片机对自身检测到的脉冲信号进行计数，就会知道车轮转了多少圈，然后根据程序中的里程计算公式得出车子的运行距离。
因为在仿真中无法实现霍尔传感器的工作方式，也不能绘出其芯片的电路原理图，所以在仿真中考虑给单片机内部中断1口接入一个连续的脉冲信号去实现此次设计的功能。
3.3蜂鸣器
图3.6蜂鸣器
此处的Q1三极管器起到控制蜂鸣器状态和增大驱动的作用。
P3.2口为高电平时，三极管Q1截止，蜂鸣器不工作，没有声音发出。
P3.2口为低电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器开始工作。
蜂鸣器能否直接连到单片机引脚上要看蜂鸣器本身的功率（需要的额定电
流），一般来说单片机是无法直接驱动蜂鸣器的，所以要接三极管增加驱动能力和控制蜂鸣器工作。
3.4LCD1602液晶显示硬件电路设计
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线，此次设计采用的是14引脚无背光的LCD。
其外围电路设计和焊接比较简单，价格便宜，具有很高的性价比。
它的主要技术参数为：
显示容量：
16*2个字符
芯片工作电压：
4.5——5.5V
工作电流：
2.0mA
模块最佳工作电压：
5.0V
字符尺寸：
2.95*4.35（W*H）mm
液晶显示模块LCD1602是2行16字符的显示器件，在其执行一条指令之前必须要确认模块在什么状态，不忙状态开始执行指令，否则其指令执行就会失效。
在其显示字符之前要输入其地址信息，LCD1602的内部显示地址如图3.7所示。
图3.7LCD1602地址和屏幕的对应关系
此次设计需要用到LCD1602作为显示模块，就必须要考虑其引脚功能，管脚功能如表3.1所示：
表3.2LCD1602引脚功能介绍
引脚编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极（+5V）
3
VL
液晶显示器对比度调整端，接地时对比度最高，接正电源时对比度最弱，对比度过高时会影响显示效果。
4
RS
数据/指令选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
5
R/W
读/写选择，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
6
E
E端为使能端，下降沿使能。
7—14
D0—D7
双向数据线
3.5上拉电阻
图3.8上拉电阻
因为单片机不能直接驱动LCD，所以它是需要驱动电路的，此次设计是P0口连接的液晶显示屏，P0口作为I/O口输出的时候，若不接上拉电阻，P0口是不能工作的，所以就要接上拉电阻以提高单片机的拉电流增大驱动能力。
另外单片机工作时应遵守TTL逻辑电平规则，接上拉电阻能使I/O口上的电压钳位在5V，供单片机识别。
设计时应在液晶显示屏和单片机的I/O口之间接上拉电阻，根据实际情况每个电阻取值约为10K左右，考虑到焊接和布线的情况，此处用排阻代替8个上拉的电阻。
3.6单片机通信传输与供电
根据单片机的内部构造，单片机上的串行通信口应遵守TTL电平逻辑原则，单片机若想与电脑的USB口相连，这时就需要USB转TTL模块，此次设计采用的是HW597模块,其内部核心芯片为CH340。
这个USB转TTL模块有6个以排针拉出的接口，分别为5V、VCC、3.3V、TXD、RXD、GND。
因为单片机的工作电压为5V，所以VCC与3.3V以短路帽相连，剩下的4个接口分别与单片机上对应的引脚连接。
既能传输数据又能给单片机供电，此次设计方法省去了降压模块，缩小了电路的复杂程度。
3.7硬件设计总体图
图3.9仿真演示总图
3.8本章小结
这个章节对此次设计的硬件电路分模块做了系统的分析，细致的阐述了各个模块在总电路图中起到的作用，也涉及了各自的工作原理。
本次设计的霍尔传感器给单片机提供的脉冲信号，经过单片机的计算在LCD上显示设计所需的数据。
4软件设计
4.1主程序设计
主程序流程图如下图4.1所示：
图4.1主程序流程图
程序开始运行，先进行LCD1602液晶显示屏和单片机端口、变量的初始化。
初始化完成之后进入循环，先扫描按键电路，并根据按键电路中不同的按键进入其独立的子程序来完成各自子程序的功能，其中包括起步价的设置、单价的设置、白天黑夜模式的转换。
程序根据安装在轴承上的小磁铁和车轮上的霍尔传感器工作时所提供的脉冲信号来计算里程数并得到相应的总金额。
通过单片机的内部时钟电路来计算运行时间。
最后通过液晶显示屏LCD1602显示单价、白天/夜间模式、总金额和运行时间。
主程序流程图如上图所示。
4.2计费管理子程序
这个程序的核心是霍尔传感器对单片机STC89C52的INT1口输入的连续脉冲信号进行计数，并根据程序转换为公里数，进而根据起步价、单价和白天/黑夜模式的设置来计算行驶费用，
里程计量程序和总金额计算程序是计价管理程序主要的部分。
这两个部分各有分工，完成此次设计的核心计费功能。
此处程序如下所示：
voidShowData（void）
{uintMoney=0;
intMMh;
intMMq;
MMq=Mileage/1000;
MMh=Mileage%1000;
L1602_int（2,1,MMq,4）;//显示里程
L1602_int（2,6,MMh,3）;
L1602_char（2,5,'.'）;
L1602_char（2,9,'k'）;
L1602_char（2,10,'m'）;
Money=StartAt[DayNight]+UnitPrice[DayNight]*MMq;//起步价+单价*里程
L1602_char（2,11,'$'）;
L1602_char（2,12,':
'）;
L1602_int（2,13,Money,4）;//显示价格
此处MMq为小数点前的数值，MMh为小数点后的数值，Mileage一直增加，当增加到一千米时，小数点前的显示就除以1000取整，小数点后的数值就对1000取余，这样编写程序就完成了计算里程和计费的操作，在精度上和正常的出租车也相差不多。
4.3里程数算法
图4.2里程计数流程图
此程序中采用了单片机上的外部中断1来实时检测在P3^3口输入的脉冲信号。
单片机在外部中断程序中对中断次数进行计数，就可以计算出输入脉冲的数量。
因为里程计数模块采用的是霍尔传感器实现功能，即车轮每转一圈单片机将获得一个脉冲信号，所以将该变量的数值，乘以车轮的周长就可以得到相应的里程数。
但考虑制作实物时不能将车轮做到现实中出租车车轮的大小，因此在这个里程计算程序中就需要考虑把车轮周长的参数适当的加以改变。
所以在此次设计中当车轮每转一圈时，就设置车子走了一米，即车轮的周长为一米，以方便实物功能的演示。
4.4按键输入
图4.3按键部分流程图
按键电路输入：
首先先判断矩阵按键电路是否按下，没有按下不会对整个系统有任何的影响，单片机还是执行里程和总金额的计算，若按下，根据矩阵电路对应的按键和程序的编写来判定单片机执行的功能。
4.4.1矩阵键盘的设置
case119:
val=1;break;
case123:
val=2;break;
case125:
val=3;break;
case126:
val='A';break;
case183:
val=4;break;
case187:
val=5;break;
case189:
val=6;break;
case190:
val='B';break;
case215:
val=7;break;
case219:
val=8;break;
case221:
val=9;break;
case222:
val='C';break;
case231:
val='*';break;
case235:
val=0;break;
case237:
val='#';break;
case238:
val='D';break;
这个程序是使键盘上具体的按键和键值相对应。
键值为119对应键盘上的1，键值为123对应键盘上的2，以下以此类推。
其中119、123、125、126、183、187、189、190、215、219、221、222、231、235、237、238为此次设计矩阵键盘所设计的键值。
4.4.2参数设置程序
当按下按键电路中的A键时对应的是设置起步价，LCD第一行显示SetStartAt。
第二行显示其对应的白天和黑夜的起步价的设置，用0到9键设置其数值。
当按下按键电路中的B键时对应的是设置单价，SetPricet这个标识在LCD第一行上显示。
第二行显示对其应白天和黑夜的单价设置，用0到9键设置其数值。
当按下案件电路中的C键时对应的时白天和黑夜模式的转换，每按下一次，模式就会转换一次。
此时LCD第一行显示的是SETDAYNIGHT,第二行在白天时显示的是DAY_MODE,在黑夜时显示的是EVENING_MODE。
当按下按键电路中的D键会退出一系列的设置，LCD上显示需要的参数。
当按下按键电路中的*键会将液晶显示屏上的计时清零。
当按下案件电路中的#键时，此系统不发生任何改变，即#键无作用。
4.4.3按键去抖动程
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