基于Proteus的出租车计价及安全系统的研究毕业设计.docx
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基于Proteus的出租车计价及安全系统的研究毕业设计
基于Proteus的出租车计价及安全系统的研究毕业设计
第1章引言
出租车由于它的安全性、舒适性、便利性、快速性等特点，得到越来越多的外出人们的喜爱，这也推进了出租车行业的快速发展[1]。
在社会生活中，人们的旅游出行等很多时候都离不开出租车，因此我们给予出租车各个方面更多的关注，出租车也成为我们生活中必不可少的话题。
在当今社会中有些不和谐的现象给大家带来了很多的困扰。
例如生活中司机和乘客之间由于计价器的不精确而发生争执；出租车司机由于长时间驾驶很容易产生疲倦困乏，甚至出现交通事故；当出租车司机遇到匪徒劫持或者其他危险而不能自己进行报警，生命和财产都会受到威胁等等现象。
因此大家很想解决这些不和谐现象来使人们的生活更加美好安全。
因此对出租车计价及安全检测系统的研究是有必要的。
本设计是以单片机为核心设计了计价器、LED点阵隐式报警和防瞌睡模块，相信会对人们生活中一些不和谐现象能够进行改善。
1.1国内外研究现状及研究意义
随着科学技术和经济的发展，出租车在我们日常生活中已经成为了一种必不可少的交通工具，成为了城市发展的标志。
国内外人们研究计价器已经是很成熟了，但是在安全方面还是有所欠缺。
在我们社会生活中有很多因为长时间驾驶而困乏瞌睡导致交通事故，也有一些司机被劫持或者遇到危险却不能及时报警等现象，导致司机的生命安全受到了威胁。
出租车的发展是一种社会进步、科学发展的标志。
所以对其进行研究是很有必要的。
相信未来的出租车计价器将会更加精确更加人性化，对出租车的安全也会更加重视。
因此针对这些社会现象所研究的出租车计价及安全检测系统是有一定意义性的。
相信会给人们带来更加美好、和谐、安全的生活。
1.2课题主要任务及内容
本课题主要任务是以STC89C52单片机为核心，总体设计三个模块。
第一个模块通过单片机对红外光电传感器ST188发送过来的脉冲进行计数，并经过处理在液晶显示LCD1602显示价钱和里程。
第二个模块通过4个8×8LED点阵组成模拟出租车上方的点阵屏幕，利用滚动屏幕的方式在其屏幕上显示顾客乘坐信息和司机遇到危险时寻求帮助信息。
最后一个模块就是司机防瞌睡模块，若出租车司机感到疲惫瞌睡时候，启动防瞌睡模块后，会在一定的时间后，先是蜂鸣器报警提示，之后通过喷水提醒司机注意。
本文主要介绍了出租车计价器的设计、防瞌睡模块的设计、出租车司机寻求报警模块的设计。
并且对每一个模块进行方案论证，其中包括软件程序流程图设计、硬件原理电路图的设计。
随后扼要的介绍元器件的选择包括单片机的选择、驱动寄存器的选择、传感器的选择、显示器的选择等。
然后阐述了各个模块的软件设计思路和主程序的流程设计思路。
最后进行总结与展望，对在完成本设计时遇到的问题进行分析和处理，并且对该系统最终产品化时所涉及的其他几个主要方面进行了阐述，并通过软件Proteus进行呈现。
1.3任务分析与实现
本设计的任务是：
以STC89C52单片机为核心，实现出租车计价和出租车的安全检测。
首先单片机将从光电传感器接收到的脉冲信号，经过定时/计数器进行计数，并进行处理后，将价钱和里程在液晶显示屏上进行显示。
与此同时，还要将LED点阵进行有效的结合。
当出租车司机被劫持或者其他的危险时，通过单片机定时/计数器和串口将信息通过74HC595串入并出寄存器驱动在LED点阵显示寻求帮助信息。
最后防瞌睡模块通过软件延时，控制蜂鸣器和小型水泵进行喷水使司机清醒。
本系统总体思路如下：
假定在车轮上安装m个反射材料，将车轮的周长设为r，则允许里程值测量的最大误差为2L/m。
本设计中取m=1。
当轮子每转一圈，通过红外传感器采集到一个脉冲信号，并从引脚P3.5定时/计数器1中断输入，此时单片机计数器就会计数。
每次中断代表车轮转动一圈，中断数n×轮圈的周长=L为里程值，并在液晶显示屏LCD1602进行显示。
当没有乘客时LED点阵显示滚动的‘TAXI空车’，此时液晶显示屏LCD1602显示价钱是0元，当有乘客上车时LED点阵显示滚动的‘TAXI有人’，此时液晶显示屏LCD1602显示起始价钱是a元，之后每公里加收b元。
若行驶c公里，则显示屏上显示为a+b×c的总价。
本设计中假设起始价a=5.0元，b=1.2元。
当司机遇到匪徒劫持时或其他危险自己却不能直接寻求帮助时，通过按钮将出租车上的点阵屏幕显示成寻求帮助的信息，本设计里将LED点阵显示滚动的‘HELP打110’的寻求信息。
当司机感到困乏瞌睡时，通过引脚P3.6控制水泵喷水，通过引脚P1.4控制蜂鸣器报警提醒，来实现防瞌睡模块。
功能要求实现方法如下：
实现功能一：
计价器设计精确要有载客和空车之分,具体的实现方法如下：
（1）利用直流电机模拟出租车车轮
（2）利用红外光电传感器检测车轮转数
（3）利用定时/计数器采集脉冲统计车轮转数
（4）将载客和空车处理的里程和总价在液晶显示LCD1602上进行显示
实现功能二：
LED点阵显示向外界寻求帮助信息，具体的实现方法如下：
（1）用4个8×8LED点阵组成LED点阵屏幕模拟出租车身上方的LED点阵广告屏
（2）用按钮来进行检测司机是否被劫持或遇险
（3）采用动态扫描方式进行显示
实现功能三：
防瞌睡模块能够使司机清醒，具体的实现方法如下：
（1）采用向司机喷水方式来使其清醒
（2）用小水泵模拟喷水装置
（3）用蜂鸣器来提醒司机是否喷水
（4）利用软件编程来进行控制蜂鸣器报警和喷水的顺序
1.4本章小结
本章概括地介绍了本次设计的国内外研究现状、选择题目的目的意义、需要完成的任务等，确定了本设计需解决的问题及采取的实现方法。
第2章Proteus的简介
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。
2.1功能特点
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
1．原理布图
2．PCB自动或人工布线
3．SPICE电路仿真
革命性的特点
1．互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
2．仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2.2功能模块
智能原理图设计
丰富的器件库：
超过27000种元器件，可方便地创建新元件；
智能的器件搜索：
通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；
智能化的连线功能：
自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；
支持总线结构：
使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；
可输出高质量图纸：
通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。
完善的电路仿真功能
ProSPICE混合仿真：
基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；
超过27000个仿真器件：
可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；
多样的激励源：
包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；
丰富的虚拟仪器：
13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；
生动的仿真显示：
用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；
高级图形仿真功能（ASF）：
基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；
单片机协同仿真功能
支持主流的CPU类型：
如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；
支持通用外设模型：
如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；
实时仿真：
支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；
编译及调试：
支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；
实用的PCB设计平台
原理图到PCB的快速通道：
原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；
先进的自动布局/布线功能：
支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；
完整的PCB设计功能：
最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览；
多种输出格式的支持：
可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。
2.3电路仿真
在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台
随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。
使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。
实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。
因此，Proteus有较高的推广利用价值。
2.4本章小结
本章主要简单介绍了Proteus的功能，特点，在专业领域中的运用优势，以及运用的范围。
第3章系统分析与硬件电路设计
3.1硬件的选择
硬件的选取是个至关重要的环节，决定着设计能否成功实现，合适的硬件选取除了满足设计的成功之外，也将极大的减少资源的浪费和经费成本。
3.1.1主控制器的选择
单片机广泛应用于各个领域，主要由于它有卓越的性能。
单片机种类不一样，其功能也有所不同，在选用单片机的时候，我们要根据自己的需求进行选择。
方案一：
51单片机，具有“三总线”构架，40脚封装，在内部含有4KB以上的可编程Flash程序存储器，同时单片机内部含有丰富的资源，而且体积小、可靠性高、价格低廉及数据处理速度快等特点，并且单片机最小系统电路外还包括有复位电路、电源电路等[4]。
方案二：
PIC单片机，是一种两级指令流水线结构的高性价比的8位微处理器，采用哈佛双总线结构和精简指令集，并且具有体积小、一次性编程OTP、高速、I/O口驱动能强、低功耗等特点。
PIC单片机应用在工业控制、智能仪器仪表、办公自动化设备等不同领域[2]，但是价钱要比51单片机贵。
方案三：
AVR单片机。
AVR是集合了PIC和51的优点，相对于PIC单片机，性价比要高，指令周期要快，它是以Flash技术和电可擦除技术为主导，有高标准的质量检测，有多种封装形式和高质量[3]，AVR的学习方法和PIC相似，主要麻烦就是用C语言开发置位，位操作不如PIC和51方便，在工业控制应用范围不广，多用于仪器仪表、通信上[18]。
在本次设计中，对运算能力速度、存储结构、I/O口功能等要求不是很高，51单片机可以满足要求，而且价格低廉。
所以选择方案一51单片机。
3.1.2数据显示模块方案选择
在当今社会，经常可以看到各种各样的数据显示模块。
显示模块选择是否恰当会给人的视觉一种不一样的感觉。
方案一：
LED数码管，具有颜色种类繁多、反应速度快、体积小、寿命长、工作电压低等特点[5]。
每一个LED数码管可以显示带小数点和不带小数点的0~9数字。
并且清晰度高。
方案二：
LED点阵，具有颜色丰富、耐冷热、耐腐蚀、亮度高、低功耗、寿命长、视角广等特点[5]。
LED点阵可以显示图形、汉字、字母和数字等[7]。
可以通过控制实现屏幕闪动和滚动等各种效果，常应用于广告荧幕屏等[6]。
方案三：
LCD1602液晶显示，具有较强的抗干扰能力、寿命长、低功耗等特点[3]。
可以显示两行，每行可以显示16个字符，显示容量最大为16×2个字符[16]。
带有背光源，采用时分割驱动方式。
不能显示汉字、图形。
显示信息量一般。
方案四：
LCD12864液晶显示，具有抗干扰能力强、寿命长、显示信息量大和低功耗和等特点[3]。
可以显示四行，每行8个。
显示信息量较大，可以显示图形和汉字等。
价格比LCD1602贵。
在本设计中需要两种显示模块。
一种是出租车计价器，可以显示总价和里程即可，显示信息量一般，所以选用LCD1602即可。
另外一种是模拟出租车上方的点阵屏幕，可以显示有无乘客信息，所以选择方案二LED点阵。
3.1.3传感器的选择
选择测量里程的传感器，要根据外界环境灵敏度等各个方面进行考虑，有以下几种方案进行对比。
方案一：
红外传感器，它具有吸收、折射、干涉、反射等特点。
红外传感器的检测原理主要是通过红外线自身的性质来实施的。
只要自身有一定温度的任何物质，都会有红外线辐射。
在进行红外线传感器测量时，该传感器可以不与被测物体直接接触，并且有反应迅速、灵敏度高等优点[18]。
方案二：
霍尔元件型，受外界天气的影响不大，如果被泥土或灰尘覆盖也对其灵敏度影响也不大，而且安装方便。
但是采用霍尔元件结合齿轮测速时，由于齿轮很小，造成磁通的变化量很小，且对磁钢与齿轮的距离非常敏感，这使开关霍尔元件在空间上的位置难于控制[18]。
方案三：
光敏电阻，对外界环境要求比较高。
将其安装在车轮附近，当白天行驶时，由于外界光源的影响光敏电阻会发出不正确的信号，如果发光或光敏二极管被灰尘或泥土所覆盖，光敏电阻的测量就会不准确18]。
综上所述，从受到外界环境影响程度、灵敏度和性价比等各个方面考虑，采用方案一红外测里程才是最佳选择，本设计中采用的是ST188红外光电传感器。
3.1.4LED点阵驱动寄存器的选择
方案一：
移位寄存器：
可以减少对单片机的资源需求，也可以扩展单片机的I/O口，而且安装芯片的方法繁多，可以使系统的具有高可靠性，可以减少各个元器件的连接导线的数量，降低了成本[9]。
同时具有操作简单、低功耗,高速度等特点,在单片机接口进行驱动LED的操作时比较很方便[8]。
方案二：
译码器：
可以用来扩展单片机的I/O口。
使用地址译码器可以对片外地址进行译码，用它的译码输出作为存储器芯片的片选信号。
这样一来可以有效利用存储空间，适用于扩展大量的芯片存储器[10]。
由于LED点阵构成的LED点阵屏幕管脚众多，单片机I/O口不够用，选用方案一可以节省更多的管脚，而且方便驱动LED点阵。
在本设计里选用了串入并出的8位移位寄存器74HC595可以达到速度快、操作简单等效果。
3.2硬件电路设计
3.2.1概述
硬件电路的设计包括液晶显示模块、点阵显示模块、司机防瞌睡模块等，具体的硬件电路框图如图3-1所示。
图3-1硬件电路框图
3.2.2单片机简介
STC89C52是一个低功耗、高性能的单片机，采用CHMOS工艺及高密度、非易失存储技术制造，与80C51引脚和指令系统完全兼容，其内部所含功能部件如下：
（1）1个可编程全双工串行口；
（2）8个中断源；
（3）1个8位CPU；
（4）8KBPEROM；
（5）低功耗空闲和掉电模式；
（6）3个16位定时/计数器；
（7）21个特殊功能寄存器；
（8）1个片内振荡器及时钟电路；
（9）4个8位并行I/O口共32条可编程I/O端线；[19]
具体STC89C52内部结构如图3-2所示。
图3-2STC89C52内部结构
3.2.3LCD1602液晶显示介绍
在我们生活中，经常可以看到仪器仪表、电子屏幕、便携产品的液晶显示器（LCD）。
主要由于液晶显示器具有低功耗和较强抗干扰能力等优点，使它逐渐的成为我们生活中的必需品。
LCD具有很多种类，按显示形式排列形状可分为点阵图形型、点阵型、字段型[11]。
其中LCD1602属于点阵字符型液晶显示器。
液晶显示LCD1602的外形图如图3-3所示。
图3-3LCD1602的外形图
3.2.48×8LED点阵介绍
当今社会，LED点阵显示器应用非常广泛，如活动布告栏、车站显示屏、广告活动荧幕等。
LED点阵显示器发光体是LED，它是由一串不发光或者发光的点状（或其它形状）显示器按矩阵的方式排列组成[7]。
LED点阵显示器按阵列点数可分为4×4、4×8、5×7、5×8、6×8、8×8等；按发光颜色可分为单色、双色、三色三种；按极性排列方式有可分为共阳极和共阴极两种[12]。
8×8LED点阵实际上是由64个发光二极管组成的一个阵列，其实际外观形状如图3-4所示。
图3-48×8LED点阵实际外观形状
8×8LED点阵有8根行线和8根列线引出共16个引脚，8×8LED点阵外观及引脚图如图3-5所示。
图3-58×8LED点阵外观及引脚图
3.2.5ST188红外光电传感器的介绍
红外传感器ST188在红外检测方面应用非常广泛，它属于ST系列反射式光电传感器。
这个系列的传感器质量可靠、使用方便、体积小、价格便宜、种类繁多。
其实物及结构图如图3-6所示，其含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。
通过发射红外信号，再根据接收到的脉冲信号变化情况判断检测物体状态的变化。
A、K之间是发光二极管，C、E之间是光敏三极管[13]。
图3-6ST188管脚图及实物图
3.2.674HC595芯片介绍
74HC595内含8位三态输出锁存器和8位串入并出移位寄存器。
锁存器和寄存器分别有独自的时钟输入（SH_CP和ST_CP），并且都是上升沿有效。
当SH_CP从低电平到高电平跳变时,串行输入数据移入寄存器；当ST_CP从低电平到高电平跳变时，寄存器的数据进入锁存器。
当输出允许控制（EN）为高电平时,并行输出（Q0~Q7）为高阻态,而串行输出（QS）不受影响。
清除端（CLR）的低电平只对寄存器复位（QS为低电平），而对锁存器无影响[14]。
74HC595芯片管脚排列如图3-7所示。
图3-774HC595的管脚排列图
3.2.7LM324芯片介绍
LM324被广泛应用于控制和一般信号放大处理之中，是由于他具有使用方便、价格低廉、可单电源使用、静态功耗小等优点。
LM324有相位补偿电路，内部有4个运算放大器。
工作电压范围比较大，可用±1.5～+15V的正负双电源，或者3～30V的正电源。
它有0～Vcc输出电压范围，可以达到地电位输入电压[15]。
LM324的引脚排列图如图3-8所示。
图3-8LM324引脚排列图
LM324电路符号如图3-9所示．它有5个引出脚，其中两个信号输入端分别为“+”、“一”，正、负电源端分别为“V+”、“V-"，输出端为“Vo”[15]。
图3-9LM324电路符号
3.3单片机外围电路的设计
本设计是以单片机为核心的，所有的外围电路都以单片机结构能够满足其要求而进行可实施设计。
单片机外围电路主要包括液晶显示电路设计、LED点阵显示电路设计、防瞌睡模块电路设计、转数检测模块电路设计等。
3.3.1液晶显示电路的设计
LCD液晶显示模块是通过脉冲检测进行在LCD1602上显示计价信息的，LCD1602的数据口与单片机的P1口进行连接，LCD1602的RS、R/W、E管脚分别与单片机P2.0、P2.1、P2.2相连接。
在这里定时/计数器1是通过检测红外传感器ST188发送过来的脉冲进行计数，所以用脉冲信号源代替即可具体的液晶显示模块电路设计如图3-10所示。
图3-10液晶显示模块的电路设计
3.3.2点阵显示电路的设计
LED点阵设计是通过4个8×8LED点阵组合成点阵屏来进行显示有无乘客和报警信息。
在这里用5个74HC595进行驱动LED点阵电路，只占用了单片机的P3.0、P3.1、P3.2口节省了单片机管脚资源。
具体点阵显示电路设计如图3-11所示。
图3-11点阵显示电路设计
3.3.3防瞌睡模块的电路设计
防瞌睡模块具体使用小水泵进行实施的，而小水泵的实质就是直流电机，所以在Proteus仿真中采用直流电机仿真。
同时用蜂鸣器进行防瞌睡模块的报警。
在这里蜂鸣器用单片机P1.4口进行控制，小水泵的通电用P3.6口进行控制。
利用软件编程将小水泵和蜂鸣器进行整合，便可以达到防瞌睡的效果。
具体的防瞌睡模块的电路设计如图3-12所示。
图3-12防瞌睡模块的电路设计
3.3.4红外线传感器检测电路设计
ST188的内部结构组成是高灵敏度光电晶体管和高发射功率红外光电二极管，采用非接触方式，具有4—13mm的检测距离可调整范围。
主要应用于检测传真机纸张采集，集中抄表系统数据，采样IC卡电度表脉冲数据等领域。
由于其具有信号稳定、反应快和高灵敏度等特点，固本次设计采用了红外传感器
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