完整版基于51单片机的出租车计价器设计毕业论文设计.docx
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完整版基于51单片机的出租车计价器设计毕业论文设计
第一章绪论
1.1出租车计价器的研究背景及意义
1.1.1研究背景
当今社会，随着生活水平的日益提高，衣食住的享受已不能满足人们的需求，出行的舒适度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，所以越来越受到广大群众的欢迎。
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。
重庆市起重机厂是我国的第一家生产计价器企业，最早的计价器全部采用机械齿轮结构，只能完成简单的计程功能。
可以这么说，早期的计价器就是一个里程表，并且，总存在着买卖纠纷等各种问题困扰着行业的发展。
而改良出租车计价器是在出租车行业中解决这一矛盾的最好方法，用更加精良的计价器来为乘客提供更加优质的服务。
随着改革开放日益深入，出租车行业的迅猛发展，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。
出租车行业已成为象征着城市文明的窗口，现在各大中城市出租车行业都已普及自动计价器，计价器技术的发展已成定局，所以未来汽车计价器的市场还是十分有潜力的。
1.1.2研究意义
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3KM）计费数字显示开始从起步价（如7元）增加。
当出租车到达某地需要在那里等候时，司机只要按一下“计时”键，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。
出租车计价的的原理简单的概括为以下几个方面：
●里程传感器：
采集车速信号,（也可以自己做车速传感器,采用霍尔效应做），车速信号为脉冲信号,采集脉冲信号的频率就可以得到车速，可以用到芯片的定时器捕获。
如果车速大于一定的值，采用公里数计算价格,如果车速小于这个值,就可以用时间计算。
●计算公里数：
应用芯片计算其公里数。
●计算时间：
用到芯片定时器确定时间，或者用RTC中断采集到更精确的时间。
●显示：
用数码管或液晶显示公里数，时间，以及价格，可以用芯片驱动数码管或者用芯片驱动液晶空车牌来提供计价器计价的信号。
●打印机：
打印机来打印所需要的票据，通过排线连接计价器主机。
随着科学技术的发展，产生了第二代计价器。
它采用了手摇计算机与机械结构相结合的方式，实现了半机械半电子化。
此时它在计程的同时还可以完成计价的工作。
大规模集成电路的发展又产生了第三代计价器，也就是全电子化的计价器。
它的功能也在不断完善.当单片机出现并应用于计价器后，现代出租车计价器的模型也就基本具备了，它可以完成计程，计价，显示等基本工作。
本次设计的目的在于现在各大中城市出租车行业都已普及自动计价器，通过学习与实验设计，将所学的知识更好的与生活相联系，做到“学有所用，学以致用”。
通过前面的介绍，我们可以非常清楚的了解道到出租车计价器是出租车行业发展的重要标志，是出租车中最重要的工具，并且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。
所以，我们在设计的过程中为们必须做到，简单、精确、实用、耐用。
由于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，不利于推广。
为此在各种利弊权衡之后，最终决定采用单片机进行设计。
单片机相对来说功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合就可以很容易的实现设计要求，对于初学者来说简单易上手，且灵活性强，可以通过软件编程来完成更多的附加功能。
1.2单片机概览
1.2.1单片机的含义
单片机（SingleChipMicrocomputer，SCMC）亦称单片微电脑或单片微型计算机，国际上统称为微控制器（Microcontrollor,MCU,μC），是一类内部集成了计算机核心技术的智能芯片。
当今世界把计算机分为嵌入式计算机和通用计算机两大类，二单片机正是属于后者。
嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。
如果说把人看成是一个系统，人脑就是一台典型的嵌入式计算机。
嵌入式系统的核心部件有以下3类：
嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器和微控制器。
顾名思义，微控制器主要用于控制领域，用于实现各种控制测试和控制功能。
虽然微控制器只是一块芯片，但是从组成和和功能上来看，它已经具备了计算机系统的属性，因此可以称之为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer，SCMC）,简称单片机。
如果说单片机是国人给该类芯片定义的一个俗名或土名，那么微控制器则是国际上公认的一个学名。
单片机的称呼是从它的外观形态、外部表现、存在形式定名的，而微控制器的称谓则是从它的内在本质、功能特点、应用方向确定的。
与单片机一词成并列关系的有单片机、计算机系统，与微控制器一词成并列关系的有未处理器、数字信号处理器等。
单片机就是把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入输出端口IO等主要的计算机功能部件，都集成在一块集成电路芯片上，从而形成一部概念上完整的微型计算机。
换言之，把微型计算机的所有功能部件都集成并封装在一块芯片之内而构成一部超微型计算机，称其为单片机。
单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。
因此，它在硬件结构、指令系统、IO端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特长之一就是具有非常有效的控制功能。
尽管单片机主要是为控制目的而设计的，他仍然具备通用型计算机的全部特征，“麻雀虽小，五脏俱全”。
既然单片机是一部概念上完整的微型计算机，那么单片机的功能部件和工作原理与微型计算机也是基本相同的。
如图1-1所示，一台微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备、和输出设备和若干集成电路组成的。
虽然微型计算机技术得到了充分的发展，但是微型计算机在系统结构上仍然属于经典计算机结构。
这种结构是由计算机的开拓者——数学家约翰·冯·诺依曼最先提出的，所以称之为冯·诺依曼计算机体系结构。
而8051系列单片机用的是哈佛结构。
图1-1微型计算机的基本结构
1.2.2单片机的发展史
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
1.2.3单片机的特点及应用范围
●高集成度，体积小，高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
●控制功能强
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力，IO口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
●低电压，低功耗，便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
●易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
●优异的性能价格比
单片机的性能极高，为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。
单片机自20世纪70年代问世以来，以其鲜明的特点得到迅猛发展，已广泛应用于家用电器、智能玩具、智能仪器仪表、工业控制、航空航天等领域，经过30多年的发展，性能不断提高，品种不断丰富，已经形成自动控制的一支中坚力量。
据统计，我国的单片机年容量已达1～3亿片，且每年以大约16％的速度增长，但相对于国际市场我国的占有率还不到1％。
这说明单片机应用在我国有着广阔的前景。
对于从事自动控制的技术人员来讲，掌握单片机原理及其应用已经成为必不可少的学习任务。
提到单片机的应用，有人这样说，“凡是能想到的地方，单片机都可以用的上”，这样说并不夸张。
因此，单片机的应用十分广泛，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备，特别是机电一体化产品中，都有重要的用途。
其主要的用途可以分为以下几个领域。
●电信
●家用电器
●计算机外围设备
●办公自动化
●工业控制
●商用电子
●电子玩具
●仪器仪表
●汽车电子
●军用电子
1.2.451系列单片机
51系列单片机是在美国Intel公司于20世纪80年代推出的MCS-51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的，它在单一芯片内集成了并行IO口、异步串行口、16位定时器计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM,以及其他一些功能部件。
现在51系列单片机已经有了很大的发展，除了Intel公司之外，Philips、Siemens、Fujutsu、OKI、Atmel、SST、Winbond等公司都推出了以8051为核心的新一代8位单片机。
不同公司推出的51具有各自的功能和特点，但它们的内核都是以Intel公司的MCS-51为基础的，并且指令系统兼容，从而给用户带来了广阔的选择范围，同时又可以采用相同的开发工具。
51系列单片机在存储器上的配置上采用所谓“哈佛”结构，即在物理上具有独立的程序存储器和数据存储器，而在逻辑上采用相同的地址空间，利用不同的指令和寻址方式进行访问，可分别寻址64KB的程序存储空间和64KB的数据存储空间，充分满足工业测量控制的需要。
80C51系列单片机指的是MCS-51系列和其他公司的衍生产品、变异产品、派生产品的总称。
有些衍生产品是再标准MCS-51基础上精简部分一觉和缩减产品功能二形成的（例如AT89C1051、AT89C2051、51LPC系列、LPC900系列等）。
而越来越多的衍生产品是在标准MCS-51的基础上增加了一些片内外设模块，还增强了一些实用功能而形成的（例如，Flash程序存储器、EEPROM数据存储器、模拟数字转换器模块ADC、数字模拟转换器模块DAC、可编程计数器阵列PCA、双数据指针、看门狗功能WDT、模拟比较器、SPI串口、I2C串口、CAN串口、I-Wire串口、USB串口、双串行通信接口UART、在系统内编程ISP、在应用中编程IAP、融入可编程逻辑器件PLD、增加并行端口、无线收发接口、红外线收发接受扣等功能）。
这些增强的51兼容产品，给传统的80C51单片机注入了新的活力，也拓展了更广泛的应用开发前景。
一个单片机芯片包括：
●中央处理器CPU，它是单片机的核心，用于产生各种控制信号，并完成对数据的算术逻辑运算与传送；
●内部数据存储器RAM，用于存放可以读写的数据；
●内部程序存储器ROM，用于存放程序指令或某些常数表格；
●21个特殊功能寄存器；
●4个8位的并行IO接口P0、P1、P2、和P3，每个口都可以用做输入或者输出；
●2个（8051）或3个（8052）定时器计数器，用来作外部事件计数器，也可以用来定时；
●内部中断系统具有5个中断源，2个优先级的嵌套中断结构，可以实现二级中断服务程序嵌套，每一个中断源都可以用软件程序规定为高优先级中断或低优先级中断；
●一个可编程全双工串行接口，可以用于异步接受发生器；
●内部时钟，单晶体和微调电容需要外接，振荡频率可以高达40MHZ。
●一个具有位寻址功能、适于逻辑运算的位处理器。
80C51单片机的内部结构如图1-2所示，其核心部件为中央处理单元或中中央处理器（CPU），它包括运算电路和控电路两大部分。
运算电路以算术逻辑单元为核心，包括累加器（ACC）、寄存器（B）、程序状态字（PSW）和两个暂存寄存器（TMP）等。
算术逻辑单元是一个8位的全加器，它通过各部分的共同作用可以实现各种算术运算逻辑运算、数据传输和程序转移等功能。
控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送和运算操作，是保证单片机各部分能在程序运行过程中自动而协调工作的指挥枢纽。
P0.0～P0.7P2.0～P2.7
图1-280C51单片机内部结构图
1.2.5单片机的学习方法
知识上，其实不需要多少东西，会简单的C语言，知道51单片机的基本结构就可以了。
一般的大学毕业生都可以了，自学过这2门课程的高中生也够条件。
设备上，一般是建议购买一个仿真器，单片机的学习分两方面，一方面是单片机的原理及内部结构，另一方面是单片机的接口技术。
这些都是需要平时多积累，多动手，多思考，这样才能学好单片机技术。
单片机学习的4个阶段
●整体了解
要知道单片机是什么，单片机有何用，如何系统学习单片机，单片机系统设计的流程是怎样的，需要掌握哪些辅助软件。
了解这些之后，我们的学习就有了目标和方法。
●揭秘
单片机很难学，是因为其内部结构、编程语言抽象，且实际应用中与其他电子技术和元器件知识相互关联，需结合起来一起设计开发产品。
所以，第二阶段要了解单片机的内部结构是怎样的，单片机开发经常会用到哪些电子技术和元器件知识，如何将一条条编程指令组合成一段段有效的程序。
●解密
之所以单片机能成为控制核心，设计出包罗万象的应用系统来，是因为开发者利用了单片机提供的种种功能及各种外设。
所以，第三阶段我们要掌握单片机的各种功能，再加上诸如传感器、模数转换、扫描显示、串行、中断的应用思维，结合更多的元器件、电子电路知识，逐个学习、体会实际的单片机系统的秘密。
●远航
通过以上三个阶段，读者基本就可掌握单片机的应用了。
但要设计出丰富的单片机系统，解决复杂的实际问题，还需要了解更多的外设知识及其与单片机的联系（如电动机、各类存储器、继电器、红外管等）。
这些需要不断的学习和积累。
有时候，接到一些开发任务，就需要你针对这个任务自觉地去搜集、学习相关知识，在实践中不断载学习和提高。
第二章计价器的功能设计与方案
2.1功能设计
此次出租车计价器的设计内容主要包括：
起步价，白天晚上不同收费，拼车收费3个部分。
根据调查，烟台地区的出租车计价器收费情况如下：
●起步价为7元，不超过3公里不额外收费；
●超过3公里但不超过10公里时，白天每公里2元，晚上每公里2.5元；拼车时白天每公里1元，晚上1.5元；
●超过10公里时，白天每公里2.5元，晚上每公里3.5元；拼车时白天每公里2元，晚上每公里3元。
显示部分才用LED液晶显示屏，分为6位。
里程显示3位，精确到公里；价格显示3位，精确到元。
2.2设计方案
图2-1总体设计方案图
AT89C51单片机有较大的活动空间，利用其丰富的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。
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。
●按键控制：
通过按键控制行驶里程数，白天晚上，拼车计价方式的转换。
●脉冲输入：
用计数脉冲代替车轮上的霍尔元件，给单片机里程信号，进行里程计数。
●AT89C51单片机：
计价器的核心，完成控制，运算等工作。
●LED显示单元：
采用动态显示的方法，显示金额与里程。
●译码器单元：
选用74LS138译码器进行片选译码，同时对P1口地址进行拓展实现显示部分的选择
●串行口驱动单元：
由于单片机的P0口及P1口的驱动电路较小，不足以驱动LED显示单元的显示，因此需要外接驱动将电流增大。
第三章硬件设计
3.1控制核心芯片AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.1.1AT89C51的主要特性
●与MCS-51系列单片机产品兼容；
●4K字节在系统可编程Flash存储器（片内具有4K字节闪速存储器）；
●1000次擦写周期；
●128Bytes的内部RAM单元；
●4个8位IO口，即32位可编程IO口线；
●2个16位定时器计数器；
●6个中断源；
●可编程全双工串行口；
●低功耗空闲和掉电模式；
●掉电后中断可唤醒；
●看门狗定时器
●双数据指针
●灵活的ISP在线编程功能（字或字节模式）；
●宽范围的工作电压，VCC的允许变化范围为了2.7～6.0V；
●可设置为待机状态和掉电状态；
●振荡器及时钟电路，全静态工作方式，时钟频率可为0Hz~24MHz。
具有全静态的工作方式，表明它不一定要求连续的工作时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0；
●AT89C51芯片在出厂时，闪存处于可擦除状态，各地址单元内容为FFH，可随时进行编程。
编程是按字节进行的。
编程电压VPP有高压12V的，也有低压5V的。
3.1.2AT89C51单片机的引脚图：
图3-1AT89C51单片机引脚图
下面对其主要引脚进行简介：
●VCC：
供电电压。
●GND：
接地
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向IO口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向IO口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
●P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向IO口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故,P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口，可接收输出4个TTL门电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
●RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALEPROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的16。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
●PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EAVPP：
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
●XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.1.3中断服务系统简介
由于在设计的过程中主要用到单片机的中断服务系统，所以下面对中断服务系统进行简介：
●中断的基本概念：
可以举例说明，例如：
你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。
这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。
●中断源及中断请求：
向单片机发出中断请求的来源称为中断源。
AT89C51单片机的中断源共有5个，分别是两个外部中断源、两个定时中断源和一个串行中断源。
●中断系统结构：
为了保证系统安全可靠，使用灵活，51系列单片机的中断系统采用多级管理的机制。
为了为了解决多级嵌套问题，51单片机还设置了两级中断优先级。
51系列单片机的中断系统由中断源、中断请求标志位、中断允许寄存器IE，中断优先级寄存器IP及其他辅助电路。
●中断优先级的控制原则和逻辑：
低优先级的请求不能打断高优先级的中断服务；同级中断之间不能嵌套；如果同级的多个中断请求同时出现，其中断响应次序按单片机查询次序确定，查询次序为：
外部中断0定时器0外部中断1
定时中断1串行中断。
●中断处理过程：
要满足单片机的中断响应条件（有中断源发出中断请求；中断源对应的中断允许位为1；中断总允许位EA=1），在满足中断响应的条件下，CPU响应中断，硬件自动将断点地址压入堆栈保护，在中断服务完成后，先撤销该中断请求，CP然后返回原程序的断点（既原来中断的位置），继续原来的程序。
3.1.4硬件图：
图3-2AT89C51单片机
3.2LED显示部分
LED（LightEmitlingDiode）是发光二极管的缩写,LED显示器是由发光二极管显示字段的单片机输出设备。
LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。
单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。
通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果。
单片机应用系常采用7段LED数码管作为显示器，这种显示器具有耗电低、配置灵活、线路简单、
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