出租车计价器设计论文.docx
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出租车计价器设计论文
大连理工大学
本科生毕业设计（论文）
学院：
XXXXXXXXXXXX学院
专业：
电子信息工程
学生：
姓名
指导老师：
姓名
完成日期：
2011年4月20日
大连理工大学本科生毕业设计（论文）
出租车计价器设计
总计毕业设计（论文）49页
表格5个
插图28幅
摘要…………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………II
第一章引言及设计任务要求………………………………………3
1.1设计任务…………………………………………………………3
1.2设计要求…………………………………………………………3
第二章方案论证……………………………………………………4
2.1方案选择…………………………………………………………4
2.2系统框图…………………………………………………………4
2.3系统的工作原理………………………………………………4
第三章硬件系统设计………………………………………………6
3.1总体及控制模块…………………………………………………6
3.2信号采集…………………………………………………………10
3.3按键及显示单元的设计…………………………………………12
3.4掉电存储单元的设计…………………………………………14
3.5显示模块………………………………………………………15
3.6电源模块………………………………………………………16
第四章拓展模块设计………………………………………………19
4.1空车牌模块…………………………………………………………19
4.2时钟模块……………………………………………………20
4.3防作弊模块…………………………………………………21
4.4车轮模拟测速模块…………………………………………………21
4.5电机模块设计………………………………………………22
4.6语音播报模块………………………………………………………23
第五章程序设计…………………………………………………24
5.1主程序模块……………………………………………………26
5.2里程计数中断服务程序………………………………………28
5.3中途等待中断服务程序………………………………………29
5.4键盘服务程序……………………………………………………29
第六章测试验证…………………………………………………45
第七章改进意见…………………………………………………46
结论……………………………………………………………47
致谢……………………………………………………………………48
参考文献…………………………………………………………49
摘要
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。
虽然部分小城市尚未普及，但随着城市化进程日益深化，象征着城市面貌的出租车行业也将飞速发展，计价器普及必将大势所趋，预计未来计价器市场很有前景。
计价器作为出租车的一个重要组成部分，关系着出租车司机和乘客双方利益，起着重要的作用，因此，具有良好性能的计价器对广大出租车司机朋友和乘客来说是很必要的。
但是现阶段出租汽车的计费系统功能有时候并不能满足出租车司机的意愿。
本课题是出租车计价器系统的设计。
重点是设计出租车计价器的实用性，并尽量使最后的成品接近于商品。
整个系统是以89C51单片机为中心，采用A44E霍尔传感器对轮胎转数进行计数，实现对出租车里程的测量，并最终计算出结果。
其中采用寄存器芯片AT24C02使系统在掉电的时候对单价、里程、车轮长度等信息进行存储，采用时钟芯片DS1302来显示时间和在系统需要时进行计时。
人机交换界面采用的是1602液晶屏显示，为减小功耗将液晶屏的背光设为可手调。
在采集信号的同时采用TLP521光耦实现对计价器的作弊保护。
本电路设计的出租车计价器不但能实现计价的功能，同时还能实现根据白天、黑天自动调整计价模式，而且不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便，能自动处理中途等待以及为避免一些作弊行为设计的防作弊功能，最终经检测本设计基本实现了设计要求的基本部分。
关键词：
Atmel51；防作弊；单片机；出租车计价器
Abstract
Automatictaxi-meterhavebeenuniversalamongCitiesfornow,thetaxi-metertechnologyisaforegoneconclusionalready.Butinsomesmallcitiesithavenotbeenuniversalyet,withtheincreasingspeedofsocietydevelopmentandurbanconstruction,citysymbols-thetaxi-meterwhichhasbeenanewstarwillbepopular,sonextgenerationtaximeterofcarsisstillpotential.Asanimportantcomponentofcar,taxi-meterisnotonlytheinterestsoftaxidriversbutalsothepassengers,soithasplayedanimportantrole,therefore,goodperformedtaximeterisnecessaryforthepublic.Thecurrenttaxibillingsystemsdon’tmeetthewishesofpeople.Inthisarticlewetalkaboutvariousdesignsoftaximetersystem.Thepointistodesignthepracticalityofthetaximeterandasfaraspossibletomakethefinalfinishedproductclosetocommodities.Thewholesystemisbasedonsingle-chip89c51anduseahall-sensorA44Etocountthenumberofrevolutions.Inthiswaywecanachievethestatisticsofthetaximileageandgiveoutthefinalresults.InthisdesignweuseAT24C02tostoretheprice,mileage,thelengthofwheelandotherinformationswhenthepowerisdown,useclockchipDS1302todisplaythetimeifnecessary.Theman-machineinterfaceisusingtheLCD1602todisplay,toreducethepowerconsumptionIsettheLCDscreentobehandshape.AtthesametimeweuseaTLP521metertoavoidcheating.Thiscircuitdesignofthetaximetercannotonlyachievethefunctionofpricingbutalsocanadjustpricingmodelautomaticallyaccord-ingtotheday,night.Finallythisdesigncanpassthetesting.
Keyword：
Atmel51；Anti-Cheating；Single-chip；Taximeter
第一章引言及设计任务要求
随着生活水平的提高，人们已不再满足于衣食住的享受，出行的舒适已受到越来越多人的关注。
于是，出租车行业以低价高质的服务给人们带来了出行的享受。
但是，一直以来存在着的买卖纠纷困扰着行业的发展。
而在出租车行业中解决这一矛盾的最好方法就是改良计价器。
用更加精良的计价器来为乘客提供更加方便快捷的服务。
我国在70年代开始出现出租车，但那时的计费系统大都是国外进口不但不够准确，价格还十分昂贵。
随着改革开放日益深入，出租车行业的发展势头已十分突出，国内各机械厂家纷纷推出国产计价器。
出租车计价器的功能从刚开始的只显示路程（需要司机自己定价，计算后四舍五入），到能够自主计费，以及现在的能够打发票和语音提示、按时间自主变动单价等功能。
随着城市旅游业的发展，出租车行业已成为城市的窗口，象征着一个城市的文明程度。
鉴于目前有关出租车计费又出台了新的政策，在原有政策基础上新增了等待费用[8]，为了与时俱进，设计一个计费功能较全面的系统也已是迫在眉睫。
凡乘过出租车的人都知道，只要汽车开动，随着行驶里程的增加，就会看到汽车前面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5KM）计费数字显示开始从起步价（如10元）增加。
当出租车到达某地需要在那里等候时，系统会自动根据时间进行计时，每等候一定时间，计费显示就增加一个该收的等候费用。
汽车继续行驶时，停止计算等候费，继续增加里程计费。
到达目的地，便可按显示的数字收费。
汽车计价器是乘客与司机双方的交易准则，它是出租车行业发展的重要标志，是出租车中最重要的工具。
它关系着交易双方的利益。
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。
因此，汽车计价器的研究也是十分有应用价值的。
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，例如防作弊系统。
1．1设计任务
设计一个出租车计价器。
要求显示屏显示行驶里程、停车时间和计费值，采用按键切换显示物理量。
出租车的起步价为3元，当里程行驶到1km后，费用为4元；当里程行驶到1.5km后，费用为5元；，当里程行驶到2km后，费用为6元；当里程行驶到2.5km后，费用为7元；当里程行驶到3km后，费用为8元；此后每公里计费为0.7元/0.5km。
停车每达3分钟，增加0.7元。
③具有秒、分为60进制计数功能，能显示分、秒停车状态的计时结果，格式为：
00:
00min。
。
按照轮胎转动1圈为1m计算，计算并显示行驶的里程结果，格式为：
000.0km。
能显示乘车费用，格式为：
000.0元。
④确定设计方案，按功能模块的划分选择元器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
1．2设计要求
（1）能灵活设置单价、起步价等信息；
（2）能实时显示单价、时间及金额；
（3）掉电情况下能保护单价、起步价等设置信息；
（4）采用液晶或者数码管显示。
第二章方案论证
2.1方案选择
2.1.1由设计要求设计出一款出租车计价器，通过调查研究发现出租车计价器要实现以下功能：
1、显示时间，日期，单价，里程，总金额；
2、能让司机调整单价，起步价，时间，日期等基本信息；
3、能自动进行停车等待计时、计费；
4、应该具有防止作弊的系统，以保护乘客的利益；
5、能根据时间自动改变计费标准；
6、能打印收据；
7、具有语音播报的功能，提示乘客。
2.1.2通过需求分析可以初步对系统的设计方案进行三种构架：
1、GPS全球定位系统，两点一线，计算距离方案。
2、基于DSP的油箱计量器系统，通过使用油量计算距离。
3、基于单片机的霍尔传感器系统。
4、基于MAX+PLUSII的PLD计价器系统[3]。
出于对所学知识了解程度、成品制作难易、成本因素、传感方式精确程度等因素的综合考虑，最终我选择了第三种方式来实现这样一个系统。
此次设计的计价器由主控器控制，能根据时间自动切换模式，例如6：
00-22：
00为白天模式（起步价为7元）、22：
00-6：
00为晚上计价模式（起步价为7.8元）、中途等待处理（在进入计价界面后，车轮没有转动的时候自动开始计时，如果超过1分钟，总金额自动增加1元），可由按键手动控制单价、时间调整、背光灯亮度、两种模式下的起步价等设置。
由传感器来来检测发动机主轴的转数，以此推算行走里程。
由掉电储存保护单价以及时间等基本设置。
时间控制由时钟模块进行控制，当断电的时候有专门的电池对时钟模块进行供电，以保证时间的准确性。
2.2系统框图
为了实现上述功能，列出系统框图[6]，如图2-1所示。
图2-1系统框图
2.3系统的工作原理
通常计价器采用,在主机模块中预先已写入了有关程序和数据的信息,如基本距离、续程距离、候时时间的规定值,与收费标准规定相应的收费价格值,不同出租条件下收费的变化比率,附加车费值计费方式等数据和与收费办法相应的车费计算与控制程序等,并且在计价器安装前已根据不同车型选定好K值。
在工作过程中其主要的功能都是由单片机中的定时器/计数器来实现。
本设计重点是设计主机模块，并将各个硬件的功能显示在选定的显示器上。
其中硬件和显示部分是由主机模块控制，各种功能的显示由显示电路来完成。
设计中选用时钟模块来保证基本的时间和日期显示的正确性，掉电存储来存储基础设置信息，显示电路作为基本的输出设备。
在出租车转轴上加装传感器，以便获得“行驶里程信号”。
利用单主机模块行计数，从而计算出里程及所需要的金额。
然后传送给显示电路显示所有的信息。
本系统可以实现单价、里程及金额，并能对所有的基础数据进行设置。
第三章硬件系统设计
3.1总体及控制模块设计
主机主要是用来实现信号采集的处理、计算，以及控制显示、存储和实现按键功能的模块，它可以有两种选择方案：
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，也不能根据天气调节计费标准，电路不够实用。
方案二：
采用单片机控制。
利用单片机丰富的I/O端口，及其控制的灵活性，实现基本的里程计价功能和价格调节、时钟显示功能。
综合考虑采用方案二比较好。
单片机实现小系统的PCB制版图及原理全景图如图3-1，3-2所示。
图3-1PCB制版图
图3-2电路原理全景图
单片机可分为4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机。
在这里选择的是8位单片机89SC51。
8051芯片的引脚分为三部分：
I/O口线、控制口线盒电源及时钟[2]。
单片机控制部分如图3-3所示。
由于这里是通过轮胎转数计算里程及金额，所以需要计数。
本设计在这里是通过中断INT1来计数的，当每接收到一个中断，自动在里程中增加19（常用出租车轮胎周长为1.9米，可以根据情况改变）。
利用Price=BasiKPrice+（（MileAge*UnitPrice）/10/1000）+InterVal可以得出金额，通过LCD1602进行显示。
图3-3控制器电路
3.2信号采集单元设计
信号采集主要是通过传感器对采集车轴转数，通过主机模块进行计算，从而得出里程，金额等信息。
通过对传感器的工作方法研究发现，传感器A44E是比较符合条件。
霍尔传感器以霍尔效应为原理，以霍尔器件为基础。
霍尔器件具有诸多优点，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），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等污染或腐蚀。
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。
采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-55℃—150℃。
霍尔传感器A44E工作原理，在输入端输入电压Vcc，经过稳压器A稳压或加在霍尔电势发生器B两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，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尔电势差输出，该信号经过差分放大器C放大后送至施密特触发器D整形，使其成为方波输送到OC门中输出。
当施密特加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压使三极管导通，此时OC门输出低电压，通常称这种状态为开[1]。
当施加磁场未达到工作点时，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。
A44E集成结构及工作点如图3-4所示。
图3-4A44E集成结构图（a）及工作点图（b）
A44E型霍尔传感器属于霍尔开关器件，输出的是数字量。
其工作电压范围比较宽（4.5—18V）。
集成霍尔传感器外形图[4]如图3-5所示。
图3-5集成霍尔传感器外形
霍尔传感器在出租车计价器中的工作原理示意如图3-6所示。
图3-6霍尔传感器工作原理图
霍尔传感器电路原理如图3-7所示。
图3-7霍尔传感器路程检测电路
用霍尔传感器集成芯片A44E检测并输出脉冲，其工作原理如图3-6所示。
霍尔传感器集成芯片A44E有信号转换、电压放大、整形输出等功能，为增加其抗干扰的能力，在A44E转换、放大、整形后再通过光偶送入P3.3引脚。
A44E外部引脚说明：
（1）Vcc外接供电电源输入端
（2）GND外接电源地
（3）OUT数字信号输出端
在霍尔电势发生器的两端加上电压VCC后，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，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。
此次设计选择了P3.3口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，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。
3.3按键单元的设计
方案比较：
1、使用触摸屏作为控制输入。
2、使用矩阵或独立按键作为控制输入。
分析：
出于成本，和专用性的考虑本系统选用独立按键作为输入。
矩阵键盘扫描时需要较长的时间，因此利用两个独立按键作为系统开始与结束的按键，运用比较方便。
具体电路如图3-8和图3-9所示。
图3-8独立按键
图3-9矩阵按键
整个系统独立按键二个，一个“启动/停止”，一个“复位”；本模块功能：
扫描按键功能，返回扫描结果。
3.4掉电存储单元设计
当用户每次通过出租车计价器更改数据的时候，应该把更改后的数据保存，这样不用断电时候都要重新进行基本信息的设置，这就是掉电保护模块的作用。
可以进行存储的芯片有很多种，在这个设计中采用了AT24C02这款芯片。
AT24C02是一个2K串行CMOSEPROM，内部有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，AT24C02还有一个16字节页写缓冲器。
当司机每次按下计价键的时候，通过程序每次都会自动从AT24C02中读取信息，这样就达到了对起步价、单价等设置信息的保护。
AT24C02管脚描述见表3-1。
表3-1AT24C02管脚描述
管脚名称
功能
A0、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据/地址
SCL
串行时钟
WP
写保护
Vcc
+1.8V~6.0V工作电压
Vss
接地
AT24C02管脚图[9]如图3-10所示。
图3-10AT24C02管脚图图3-11AT24C02接口
所有引脚中只需要将SCL和SDA加到单片机的数据端，其它引脚接地就可以了，如图3-11所示。
3.5显示模块设计
显示部分要求显示单价、里程、总金额和另外扩展的时钟显示等各种信息。
在应用系统中，使用的显示器主要有LED（发光二极管）和LCD（液晶显示器）。
这两种显示器成本低廉，配置灵活。
LED是发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写，是由发光二极管显示字段的显示器件。
LCD显示器的原文是Liquid Crystal Display，其工作原理就是利用液晶的物理特性：
通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
因此有下面两种方案可以选择：
方案一：
采用液晶显示器（LCD）显示。
液晶屏功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，显示内容也较丰富；方便操作者读取信息及一些扩展功能的实现。
占用系统IO口较少，有效地节约系统资源，使整个系统更加人性化。
方案二：
采用LED数码管显示。
数码管具有编程简单，夜间显示效果好，但只能显示有限的符号和数码字，而且显示内容有限。
能完成题目中的基本要求，如果还要增加具体功能的提示，则比较难实现。
根据上述分析选用方案一。
3.5.1液晶显示原理及特点
液晶显示是一种极低功耗的显示器件。
在袖珍式仪表或低功耗应用系统中使用较大。
它是在上、下玻璃电极之间封入向列型液晶材料，根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。
液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动方式两种。
各种的显示模块可以用于不同的地方，如：
笔端型可以用来显示汉字。
LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等，而且液晶的功耗和LED比起来要小的多。
由于在这里需要在第一界面显示日期，时间，星期等信息，本来可以选择带有字库，可以显示汉字的MzLH01-12864。
但是最后由于定元件以及价位的原因最终选择了LCD1602这款液晶显示芯片。
3.5.2LCD1602主参数及接口信号
下面是LCD1602的基本参数和各个引脚的功能，必须根据下面的参数来设计显示电路的原理图。
LCD1602的基本参数及各引脚功能见表3-2和3-3。
表3-2LCD1602主参数
LCD1602显示容量：
16X2个字符
芯片工作电压：
4.5-5.5V
工作电流：
2.0mA（5V）
最佳工作电压：
5V
字符尺寸：
2.95X4.35（WXH）mm
表3-3LCD1602接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DATAI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DATAI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DATAI/O
4
RS
数据命令选择端（H/L）
12
D5
DATAI/O
5
R/W
读写数据端（H/L）
13
D6
DATAI/O
6
E
使能信号
14
D7
DATAI/O
7
D0
DATAI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DATAI/O
16
BLK
背光
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