单片机出租车计价器的设计.docx

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单片机出租车计价器的设计

出租车计价器微机系统设计

摘要：

随着社会进步，出租车已经越来越贴近生活，成为我们重要的交通工具，影响着我们现在的生活，出租文化已成为一种显著的文化，成为社会生活的组成部分。

出租车计费系统，关系司机和乘客的切身利益，也是问题纠纷的焦点。

本设计通过运用单片机设计的出租车计价器，简单易懂，是学习电子课程的一个综合性实验，有助于提高分析问题能力。

本电路以AT89S51单片机为中心、附加A44E霍尔传感器测距，实现对出租车计价统计，采用AT24C02实现在系统掉电的时候保存单价和系统时间等信息，输出采用8段数码显示管。

本电路设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能根据白天、黑夜、中途等待来调节单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。

关键词：

传感器，AT89S51，中断，单片机，定时器/计数器

ComputersystemsdesignTaximeter

ABSTRACT：

Departmentstrengthensthemanagementinrecentyearsofsixkindofkeymeasurementappliancesalongwiththesocialprogress,therentalcaralreadymoreandmoredrewclosetothelife,becameourimportanttransportationvehicle,affectsourpresent'slife,thehiringculturehasbeenbecomingoneremarkableculture,becamethesociallifetheconstituent.Therentalcarcostsystem,relatesthedriverandpassenger'svitalinterest,isalsothequestiondispute'sfocalpoint.Thisdesignthroughutilizationmonolithicintegratedcircuitdesignrentalcarmileagefaremeter,simpleeasytounderstand,isstudiestheelectroniccurriculumacomprehensiveexperiment,ishelpfulintheenhancementanalysisquestionability.

Thecircuitwith89S51Single-ChipMicrocomputerasthecenter,additionalA44EHallsensorlocation,andtheTaximeterstatistics,AT24C02usedinthesystemtoachievepower-downwhentheunitpricesandsavetime,andotherinformationsystems,digitaloutputbyparagraph8oftheshow.Thecircuitdesignofthemetercannotonlyachievethebasicpricing,butalsobasedontheday,night,waitingforthehalf-waytoregulatetheprice,whilenotpricingthetimeastheclockcanprovideconveniencefordriverscomrades.

Keyword:

Sensor，AT89S51，Interrupt，Single-ChipMicrocomputer，Timer/count

1绪论

1.1概述

出租汽车因其方便、快捷已逐步成为人们生活中不可缺少的代步工具。

近年来，我国出租汽车行业迅猛发展，出租汽车已经成为我国城市公共交通的重要组成部分和现代化城市必备的基础设施，成为人们工作、生活中不可缺少的交通工具。

出租汽车服务行业和出租汽车计价器紧密相关，因为出租汽车必须安装出租汽车计价器才能投入营运。

出租汽车计价器是一种能根据乘客乘坐汽车行驶距离和等候时间的多少进行计价，并直接显示车费值的计量器具。

随着出租汽车行业的迅猛发展,作为结算出租汽车乘客应付费用的计价器已成为人们密切关注的计量仪器。

计价器是出租汽车的经营者和乘坐出租汽车的消费者之间用于公平贸易结算的工具，因而计价器计价准确与否，直接关系到经营者和消费者的经济利益。

依据国家有关法律、法规，出租汽车计价器是列入国家首批强制检定的工作计量器具之一，也是近年来国家质量技术监督部门强化管理的六类重点计量器具之一[1]。

随着社会进步，出租车已经越来越贴近生活，成为我们重要的交通工具，影响着我们现在的生活，出租文化已成为一种显著的文化，成为社会生活的组成部分。

出租车计费系统，关系司机和乘客的切身利益，也是问题纠纷的焦点。

本设计通过运用单片机设计的出租车计价器，简单易懂，是学习电子课程的一个综合性实验，有助于提高分析问题能力[2]。

1.2出租车计价器的发展

出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业，随着出租车的产生，计价器也就应运而生。

但当时在全国还没有一家企业能够生产，因此早期的计价器是由台湾引进得。

台湾是计价器的主要生产场地，目前全世界的计价器中有90%为台湾所生产。

现今我国生产计价器的企业有上百家，重庆市有两家企业在生产。

但由于技术原因，大部分厂家的产品都不能达标。

因此生产厂家主要还是集中在北京、上海，沈阳和广州。

我国第一家生产计价器的企业是重庆市起重机厂，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，可以说，早期的计价器就是一个里程表。

最早投入市场的计价器是2型机（1型机是试验机），两个显示屏,4个按键,数据存储器和程序存储器都较小，没有时钟，功能仅仅是计程和计价。

其集成电路组成：

cpu80c39；e-prom27c64；srom6264，其它有i/o扩展、逻辑运算、光偶隔离、电源芯片,是单板机进入单片机的初级阶段。

3、4型机属过渡产品，因为一方面用户和管理部门对计价器提出了新的要求，另一方面,市场推出了cpu8031，功能更强、使用方便，所以就用cpu8031取代了cpu8039，显示屏由原先的2屏发展为3屏或4屏，显示内容为单价、计程、计时、金额；车次数据存储由原先的几十车次发展到100～300车次；增加实时时钟；能输入较多参数。

外形也有了变化,集成电路配置：

cpu80c31；eprom27c64；srom6264；timer146818；其它芯片也作了相应改进。

但有些客户要求还不能满足。

5型机的面世，解决了以上不足，增加了打印机，是其显著标志。

显示屏增加为5屏，新增时钟显示，数据存储器和程序存储器都得到有效增加，行业标准的出台提高了计价器的产品质量和设计精度，新的计量检定停机功能保证了计价器的良好受控状态和公平交易质量。

其集成电路配置为：

cpu80c31；e-prom27c128；srom62256；timer8583；数据通讯接口；语言提示开始进入；其它i/o接口作了相应改进[3-7]。

1.3方案设计

采用单片机控制。

利用单片机丰富的IO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。

其原理如图1.1所示。

图1.1总体框图

单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。

1.4系统原理

出租车计价器是通过记录连接在车辆变速箱的传感器传送的脉冲信号来记录车辆营运里程，并转化为乘客应付费用．其示值是行程和租用时间的函数。

主要原理为：

出租车驱动轮转数与转轴转数的传动比是一定的，而转轴转动时带动一小磁体转动，其传动比也是一定的，小磁体每转动一周就和磁感应传感器正对一次，磁感应传感器就会产生一个大约20ms的低脉冲，所以我们可以通过计算磁感应传感器产生的低脉冲数来计算出租车跑的里程数及相应的车费。

具体检测磁感应传感器和发出计价脉冲的过程为：

编码器的单片机通过一个I／O口来检测磁感应传感器信号，当确定为传感器产生的信号时，就通过另一个I／O口向解码器的单片机发送一组编码，而解码器的单片机则首先判断当前准备接收的数据是编码器发送的编码还是解码写入器发送的解码；当判断是解码写入器发送的解码时，解码器的单片机接收此解码并利用12C总线协议将解码保存到E2PROM中去，当判断是编码器发送的编码时，解码器的单片机先接收此编码，然后读出自己E2PROM中的解码将其与接收到的编码相比较，如果相同则解码器单片机通过一个I／O口向计价装置发出计价脉冲，否则不发出计价脉冲。

注意：

这里每一辆出租车的计价器的编码和解码都是不同的，这样有利于出租车的管理以及防止计价器的盗用，解码器中的解码是使用解码写入器写入其E2PROM中去的；每辆出租车计价器都具有一个编码器和一个解码器，而所有的出租车计价器都共用一个解码写入器，也就是说在计价器卖出之前用同一个解码写入器为所有的计价器的解码器写入不同的初始解码，写入初始解码以后计价器就不再需要解码写入器，除非此计价器坏掉需要更换解码器，此时需再用解码写入器给新的解码器写入初始解码。

我们假定：

汽车驱动轮每旋转一周带动传感器传送一个脉冲信息到计价器主机。

价器主机依据计价器在检定时设置的常数K值，将脉冲信号转化为公里数值，再转金额显示。

这样，我们有下面两式：

（1.1）

（1.2）

其中,S1为车辆理论营运里程；

为传感器传送的脉冲信号数；k为出租车检定时设置的常数；

为车辆营运里程；

为车辆驱动轮转动半径。

由1.1式可知：

当

为一可确定值时，S1也为一确定值。

再由1-2式我们可看出：

当

为定值时，如

变化，则

变化，

与

成正比例关系，S1变化，则产生了误差。

所以，车辆驱动轮转动半径

的变化导致了车辆营运里程s的误差，导致了计价器收费的不同。

在出租车经营过程中，诸如轮胎使用磨损，轮胎气压大小，经营者有意或无意更换轮胎型号等变化，都将造成车辆驱动轮胎转动半径的变化，从而增加误差[9-12]。

2电路的功能单元设计

2.1AT89S51简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

引脚配置如图2.1所示。

图2.1AT89S51引脚配置

AT89S51芯片的40个引脚功能为：

VCC电源电压。

GND接地。

RST复位输入。

当RST变为高电平并保持2个机器周期时，将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISKRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。

XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2来自反向振荡放大器的输出。

P0口一组8位漏极开路型双向I/O口。

也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P1口部分端口引脚及功能如表2.1所示。

表2.1P1口特殊功能

P1口引脚

特殊功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MOSI（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

P2口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低8位地址。

P3口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写“1”时，它们被内部的上拉电阻把拉到高电并可作输入端口。

作输入端口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.2所示。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号。

表2.2P3口特殊功能

P3口引脚

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

PSEN/程序储存允许输出是外部程序存储器的读先通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN/有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN/信号。

EA/VPP外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平，需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

2.2里程计算、计价单元的设计

里程计算是通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，送到单片机，经处理计算,送给显示单元的。

其原理如图2.2所示。

图2.2传感器测距示意图

2.2.1传感器简介

霍尔器件是一种磁传感器。

用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔器件具有许多优点，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。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；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。

取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℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:

直接应用和间接应用。

前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如:

力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

2.2.2A44E集成开关型霍耳传感器

图2.3集成霍耳开关外形及接线

A44E集成霍耳开关由稳压器A、霍耳电势发生器（即硅霍耳片）B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成，如图2.3（a）所示。

（1）、

（2）、（3）代表集成霍耳开关的三个引出端点。

在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后，在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，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耳电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。

当施加的磁场达到工作点（即BOP）时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开。

当施加的磁场达到释放点（即BrP）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。

这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。

BOP与BrP的差值一定，此差值称为磁滞，在此差值内，V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍耳开关传感器优良特性之一。

集成霍耳开关传感器输出特性如图2.3（b）。

A44E集成霍耳开关由稳压器A、霍耳电势发生器B、差分放大器C施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。

在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，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耳电势差HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。

当施加的磁场达到.工作点时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为.开.。

当施加的磁场达到.释放点时，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.。

这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。

集成霍耳开关外形及接线如图2.4所示。

图2.4集成开关型霍耳传感器原理图

我们选择了P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0（这样可以减少程序设计的麻烦），车轮每转一圈（我们设车轮的周长是1米），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉计数，当计数达到1000次时，也就是1公里，单片机就控制将金额自动的加增加，其计算公式：

当前单价×公里数=金额。

2.3数据显示单元的设计

显示器的种类很多，从液晶显示器、发光二极管显示器到CRT显示器，都可以与微机配接。

在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器（简称LED显示器）和液晶显示器（简称LCD显示器）。

LED显示器具有耗电少成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点。

但是显示内容有限，而且不能显示图形，因而其应用有局限性；由于在出租车计价器上只需要显示数字，要求较为简单，所以我们采用LED显示器就足够实现其功能了。

我们有两种LED数码管可以选择，一种是共阴极一种是共阳极。

7段LED由7个发光二极管按“日”字形列，所有发光二极管的阳极连在一起成为共阳极接法，阴极连在一起成为共阴极接法。

当采用专用芯片驱动时不需要外加限流电阻，其他情况下一般应外接限流电阻。

当选用共阴极LED显示器时，所有发光二极管的阴极在一起接地，当某个发光二极管的阳极加入高电平时，对应的二极管点亮。

因此需要显示某字形就应使此字形的相应段的二极管点亮，实际上就是送一个用不同点评组合代表的数据字来控制LED显示，此数据称为字符的段码或称为字型码。

如图2.5、2.6所示。

图2.5LED数码管图2.6集成数码管

LED显示分为静态显示和动态显示。

静态屏是指LED显示屏在显示文字、图像、视频时，LED显示屏的上的灯点在显示时是同时点亮发光的；而不是象扫描屏一样利用人眼的视觉暂留特性，在很短的时间周期内将LED显示屏的各行分别点亮。

众所周知，LED显示屏是利用占空比来驱动的，所以，显示的亮度与点亮的时间周期有很大的关系。

所以，在同样的发光管亮度相同的情况下，静态屏要比扫描屏的亮度高，所以静态屏常用在户外需要高亮度显示的情况下，而扫描屏常用在室内对亮度要求不高的情况下，以节省驱动成本。

该计价系统的显示电路采用静态显示,由6片串行出入/8位并行输出移位寄存器芯片74LS245个共阳极数码管以及48个120欧姆的限流电阻组成。

74LS245位串行输入/并行输出移位寄存器,特征是:

1）门控制串行输入,

2）全缓冲时钟脉冲和串行输入,

3）异步方式,

4）典型34MHz时钟频率,

5）典型80毫瓦电源功率消耗。

图2.7驱动芯片管脚图

Vcc是电源端,A,B是串行输入端,QA2QH是8个并行输出端,CLOK是时钟脉冲端。

清零端置低电平禁止A,B端工作,并在下一个时钟脉冲来临后复位已跳变的脉冲,高电平驱动输入端正常工作。

串行数据在时钟下脉冲为高或为低时而改变,仅符合设置及其控制时间才能进入,时钟脉冲由低电平跳至高电平的一瞬间开始计数。

如图2.8a~d所示。

       图2.8a时钟显示

          图2.8b总金额和单价显示

     图2.8c路程和单价显示

图2.8d单价调整显示

数据的分屏的显示是通过按键S1来实现切换的，如图2.9示。

 图2.9切换显示屏

在出租车不走的时候，按下S1，可以实现数据的分屏显示；车在行走的时候只有总金额和单价显示屏在显示，当到达目的地的时候，客户要求查看总的里程的时候，就可以按下S1切换到里程和单价显示屏，供客户查询。

显示电路的电路原理图如图2.10。

图2.10显示器原理图

从单片机串口输出的信号先送到左边的移位寄存器（74HC164）,由于移位脉冲的作用，使数据向右移，达到显示的目的。

移位寄存器74HC164还兼作数码管的驱动，插头1（header1）接电源，插头2（header2）接数据和脉冲输出端。

电路中的三个整流管D1~D3的作用是降低数码管的工作电压，增加其使用寿命。

2.4掉电存储单元的设计

AT24C02芯片引脚配置如图2.11所示。

图2.11AT24C02引脚配置图

◆AT24C02芯片DIP封装，共有8个引脚，其中：

◆A2~A0地址引脚；

◆SDA、SCLI2C总