数字电路出租车计费器课程设计.docx
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数字电路出租车计费器课程设计
课程设计说明书
课程名称：
电子技术课程设计
题目：
出租车计费器
学院：
电气信息学院
专业：
电气工程与自动化
年级：
2010级
学生：
袁方龄
学号：
312010*********
指导教师：
雷雨
完成日期：
2012年6月25日
日
出租车计费器
摘要：
出租车计价器是加强行业管理、减少司机与乘客纠纷的重要系统设备。
本文采用以计数器为核心,将行车里程、等候时间按相同的比价转换成脉冲信号,然后对这些脉冲进行计数的方法,实现对出租车的多功能计价,输出采用4段数码显示管。
该计价器能实现基本的计价,还可以根据白天,黑夜,中途等待来调节单价,同时在不计价的时候作为时钟为司机和乘客提供方便。
本设计主要用74LS160,555数字计数器,译码电路构成数字系统的设计思想。
关键词：
出租车，计数器，译码器，555,显示管。
Abstract：
Taximeterisasystemdevicetoenhancetheindustrymanagementandreducethedisputebetweentaxidriverandpassengers.Inthepaper,itusesthemethodthattakesthecountererascoretotransfermileage,waitingtime
topulsesignalsattheidenticalratioandthencountsthesepulsesinals
torealizethegoalofmulti-functionvaluation,outputin8-segmentLED.The
taximetercanvaluebasicallyandadjusttheunitpriceaccordingtothedifferenceamongday,nighandmidwaywaiting.Meanwhile,itworksasclockfor
taxidriverandpassagenerswhenitsleisure.Thisdesignismainlyused74LS160,555digitalcounter,decodercircuitdesignofdigitalsystemsthinking.
Keywords：
Taxicounter,decoder,555,displaytubes.
1前言1
1.1设计背景1
1.2设计目标1
1.3设计计划2
1.4必备条件2
2总体方案设计3
2.1方案一3
2.2方案二4
2.3方案比较与选择5
3单元模块设计6
3.1各单元模块功能介绍及电路设计6
3.1.1译码显示模块设计6
3.1.2计数器模块设计7
3.1.3等车时间显示电路模块设计8
3.2电路参数的计算及元器件的选择10
3.3特殊元器件的介绍10
3.3.1555定时器10
3.3.2RS触发器11
3.3.374LS160计数器12
3.4总体模块连接电路13
4系统调试15
4.1调试环境15
5系统功能与参数16
5.1系统能实现的功能16
5.2系统的参数16
5.3系统调试方法与内容16
6结论18
7总结与体会19
8谢辞20
9参考文献21
10目录22
1前言
随着出租车行业的快速发展，出租车已经成为城市交通的重要组成部分，从加强行业管理以及减少司机与顾客之间的纠纷出发，具有良好的性能的计费器对于出租车司机和乘客来说都是很必要的。
通过已经学过的数电和模电只是并查阅课外辅导资料，运用TINA仿真软件等的设计和仿真测试，设计一定要求的出租车计费器。
1.1设计背景
随着出租车行业的发展，对出租车计费器的要求也越来越高，用户不仅要求计费器性能稳定，计费准确，有防作弊功能；同时还要求其具有车票资料打印、IC卡付费、语音报话、和电脑串行通信等功能，而这些与电子技术的发展是分不开的。
二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得到了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。
同时为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专业集成电路（ASIC）逐渐取代了通用全硬件LSI电路，而ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。
目前，业界大量可编程逻辑器件（PLD），尤其是现场可编程逻辑器件（FPLD）被大量地应用在ASIC的制作当中。
在可编程集成电路的开发过程中，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果的电子设计自动化（EDA）技术主要能辅助进行三方面的设计工作：
IC设计,电子电路设计以及PCB设计理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求：
它能够支持不同结构的器件，在多种平台运行，提供易于使用的界面，并且有广泛的特征。
此外，一个设计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。
随着城市建设日益加快，象征着城市面貌的出租车行业也将加速发展，计费器的普及也是毫无疑问的，所以未来汽车计费器的市场是十分有潜力的。
1.2设计目标
（1）计费包括起步价、行车里程计费、等待时间计费3部分；
（2）位数码管显示金额，最大值为99.9元，最小计价单元为0.1元；
（3）行程3公里内，且等待累计时间3分钟内，起步费为8元，超过3公里，以每公里1.6元计费，等待时间单价为每分钟1元；
（4）用两位数码管显示等待时间，最大值为59min；
1.3实施计划
（1）查阅参考资料，画出草稿图；
（2）单元电路的功能介绍与设计；
（3）电路参数的计算及器件选择；
（4）用Tina软件做出电路图；
（5）运行仿真，观察输出结果：
（6）绘制电路原理图；
（7）心得体会总结。
1.4必备条件
电子计算机、Tina软件（8.0版）
.2总体方案设计
2.1方案一
（1）设计类容具体如下：
汽车在行驶时，里程传感器将里程数转换成与之成正比的脉冲个数，然后由计数译码电路变成收费金额。
里程传感器由磁铁和干簧管组成，磁铁置于变速器涡轮上，每行驶100米，磁铁与干簧重合一次，即输出一个脉冲信号。
则10个脉冲/公里（设为P3）。
里程单价可由（B2=2.B1=1）BCD拔码开关设置，经比例乘法器后将里程计费变换成脉冲数P1=P3（1B1+0.11B2）.由于P3=10，则P1为21个脉冲，即脉冲当量为0.1元/脉冲。
同理等车计费也可以转换成脉冲当量，这需要脉冲发生器产生10个脉冲/10分钟（设为P4），如果等车单价为0.6元/10分钟（置B4=0，B3=60，经比例乘法器后将等车计费变换成脉冲数P2=P4（0B4+0.1B3）.同理起步价也可以转换成脉冲数（P0=单价/当量）或者将P0作为计数器的预置信号。
最后行车费用转换成脉冲总数P=P0+P1+P2,结果用译码显示器显示。
（2）设计原理:
自动计费器包括里程计费电路、等候时间计费电路、起步价三部分，用三位数码管显示，最大金额99.9元。
里程计费电路工作原理：
干簧继电器产生的脉冲信号经由74LS00组成的施密特发生器整形得到CP0,CP0送入74LS160计数器，当计数记满10个脉冲时，一方由于与非门产生清零脉冲，加到Rd端使计数器清零，另一方面将基本R-S触发器的Q置为1，此时ET=EP=1，使两片74LS160组成的21进制计数器（即出租车自动计费器课程设计里程单价计数器）开始对标准脉冲计数，（标准脉冲CP1由时钟电路提供）计满21个脉冲后，Rd端得到的清零脉冲而使计数器清零，R-S触发器的Q1输出为零，计数器停止计数，由于Q1=1，则P2=CP1使P2端输出21个脉冲信号，代表每公里行车的里程计费，即每个脉冲计费是0.1元，称为脉冲当量，P2输出的脉冲当量送到总费计数器进行计数累加。
等候时间计费电路工作原理：
等候时间计费电路由等候时间计费器和十分钟单价计数器组成，由三片74LS160构成600进制等候时间计数器，对秒脉冲CP2（来至时钟电路）做计数，当计满一个循环时，也就是等候时间满十分钟，一方面对600进制计数清零，另一方面将基本R-S触发器Q2置1，启动由74LS160构成的十分钟单价计数器工作，它是一个6进制计数器，计数期间同时将脉冲从P1输出，在计数器计满十分钟等候单价时R-S触发器复位为0，止计数。
等候时间起始信号由手动开关给定。
（3）设计模块:
1.计费模块:
根据出租车计费原理,将出租车计费部分由3个计数器来完成分别为①计数器A完成车费十位。
②计数器B完成车费个位.③计数器C完成车费角。
2.车费的显示模块由动态扫描电路来完成.用专用模块来实现,完成数据的输入即动态数据的显示.
（4）总体框图:
图2.1方案一总体框图
2.2方案二
（1）基于VHDL的出租车计费器的设计.采用FPGA芯片进行出租车计费器，主要分为分频模块、计量模块、计费模块、控制模块等模块，利用FPGA的可编程性，简洁又多变的设计方法，缩短了研发周期。
主要采用了FPGA芯片，使用VHDL语言进行编程，使其具有了更强的移植性，更加利于产品的升级。
（2）设计原理：
根据设计要求，系统的输入信号clk，计价开始信号Start，等待信号Stop，里程脉冲信号fin。
系统得输出信号有：
总费用数cha0~cha3，行驶距离km0~km1，等待时间min0~min1等。
系统有两个脉冲输入信号clk_750k、fin，其中clk_750k将根据设计要求分频成13hz、15hz和1hz分别作为公里计费和超时计费的脉冲。
两个控制输入开关start、stop；控制过程为：
start作为计费开始开关，当start为高电平时，系统开始根据输入的情况计费。
当有乘客上车并开始行驶时，fin脉冲到来，进行行驶计费，此时的stop需要置为0；如需停车等待，就把stop变为高电平，并去除fin输入脉冲，进行等待计费；当乘客下车且不等待时，直接将start置为0，系统停止工作；价格开始归为起步价8.0元。
整个设计由分频模块、计量模块、计费模块、控制模块等四个部分组成。
其中计量模块是整个系统实现里程计数和时间计数的重要部分；控制模块是实现不同计费方式的选择部分，根据所设计的使能端选择是根据里程计费还是根据等待时间计费；同时设计通过分频模块产生不同频率的脉冲信号来实现系统的计费。
计量模块采用1HZ的驱动信号，计费模块采用13HZ、15HZ的驱动信号
（3）总体原理框图：
图2.2方案二总体框图
2.3方案比较选择
经过上面的两种方案的比较，两种方案各有千秋,但它们实质是一样的。
由于刚刚学完了模电和数电，较两种方案而言，第一种方案对于加强和巩固所学的数电知识十分明显，所以我最终选择了第一种方案。
2
单元模块设计
本节主要介绍系统译码显示电路、计数器、等候时间显示电路模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：
译码显示电路模块、计数器模块和等候时间电路模块。
各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。
3.1.1译码显示模块设计
1、译码显示电路的作用：
译码显示电路的作用将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来,被人的视觉所接受。
本设计的显示器件现用LED管。
2、本模块用到的器件有74LS160、四段LED数码管、与非门等。
3、译码管电路结构框图
图3.1译码显示框图
4、译码管具体电路电路:
图3.2译码显示电路
3.1.2计数器模块设计
1、计数器的作用：
就是将555产生的信号来记录汽车的路程。
可以将高位片的ＱＢ（BCD码的权2）和ＱＣ（BCD码的权4）的输出状态送到一与门，与门出来的信号再送给高位片的清零端作为复位信号。
2、计数器模块由555定时器、7490计数器、74160计数器、与非门等元器件构成。
其原理是用555来记录汽车路程，高位片的ＱＢ（BCD码的权2）和ＱＣ（BCD码的权4）的输出状态送到一与门，与门出来的信号再送给高位片的清零端作为复位信号。
3、模块的具体电路
图3.3计数器模块电路
.3.1.3等车时间显示电路模块设计
1、该模块的功能是记录出租车停车的时间。
2、该模块由555，74LS290,Jk触发器构成，完成每分钟的等候时间的收费。
再通过74LS160经译码显示。
3、模块框图：
图3.4等车时间显示框图
4、模块具体电路如下：
图3.5等车时间显示电路图
3.2电路参数的计算及元器件的选择
下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。
3.2.1译码显示电路元器件选择
本模块所选电源为直流电源12V、74LS160计数器、四段LED显示管、与非门。
3.2.2计数模块电路元器件选择
由555定时器、74LS160计数器、与非门等元器件构成。
直流电源电压选择3V，电阻选择10K和1000K。
3.2.3等车时间显示电路器件选择
本模块电路由555定时器、与非门、74LS160、电阻0.5K、电源电压5V、开关一个。
3.3特殊器件的介绍
本系统中主要使用了如下一些功能器件：
555定时器、RS触发器、74LS160。
下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。
3.3.1555定时器介绍
1：
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
2：
引脚功能
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
3：
555定时器的参数表：
输入
输出
阀门输入端6
触发输入端2
复位端4
输出端3
放电管T7端
×
×
0
0
导通
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
道通
<2/3VCC
>1/3VCC
1
不变
不变
表3.1555定时器参数表
3.3.2RS触发器介绍
1：
把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器。
它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q非。
2:
RS触发器:
图3.6RS触发器逻辑图
3：
RS触发器的功能表：
表3.2RS触发器功能表
S
R
Q
Q非
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
3.3.374LS160计数器介绍
1：
74LS160为可预置的十进制计数器，共有54/74160和54/74LS160两
种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如表3-1下表是74LS160的主要电器特性异步清零端/MR1为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。
74LS160的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平时，CP上升沿作用下，在输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。
对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。
74LS160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。
74LS160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于54/74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。
2：
管脚图：
图3.774LS160管脚图
3:
74LS160内部电路图：
图3.874LS160内部管脚图
.3.4总体模块连接电路：
图3.9总体模块连接图
4.系统调试
本设计用TINA仿真软件对译码显示电路模块、计数器模块和等候时间电路模块进行了仿真。
4.1调试环境
Tina是重要的现代化EDA（ElectronicDesignAutomation，即电子电路设计自动化）软件之一，用于模拟及数字电路的仿真分析。
其研发者是欧洲DesignSoftKft.公司,目前大约流行四十多个国家,并有二十余种不同语言的版本,其中包括中文版，大约含有两万多个分立或集成电路元器件。
该软件的具体功能包括：
在模拟电路分析方面，TinaPro除了具有一般电路仿真软件通常所具备的直流分析、瞬态分析、正弦稳态分析、傅立叶分析、温度扫描、参数扫描、最坏情况及蒙特卡罗统计等仿真分析功能之外，还能先对输出电量进行指标设计，然后对电路元件的参数进行优化计算。
此外，它具有符号分析功能，即能给出时域过渡过程表达式或频域传递函数表达式；具有RF仿真分析功能；具有绘制零、极点图、相量图、Nyquist图等重要的仿真分析功能。
在数字电路分析方面，TinaPro支持VHDL语言；并具有BUS总线及虚拟连线等功能，这避免了电路图中元件之间连线过密，使得电路绘图界面看起来更清晰、简洁。
TinaPro具有八种虚拟测量仪器，各仪器与元件之间采用虚拟连线。
其虚拟测试仪器（如多踪示波器）的动态演示功能，是极好的电类教学辅助工具。
TinaPro的仿真分析结果，如波形图可方便地与电路图粘贴在界面中，对输出打印及分析资料的完整保存十分便利。
TinaPro可以与其硬件设备Tina-Lab，即实时信号发生器、数据采集器相连接，故能将实时测量与虚拟仿真结果相比对。
这是目前所知能实现该项功能的少数实用技术产品之一。
TinaPro具有较高的性能价格比。
它是目前所知为数不多的具有简体中文界面的成熟软件（在Help索引文件中，也用中文对于电路器件模型参数进行详细解释）。
TinaPro是一种功能强大的电路仿真软件，不仅在工程实践中，对于电子产品的开发与研制能够发挥高效率、高精度的作用，而且将其引入各类学校电类课程的教学，会带来意想不到的教学效果。
.5系统功能与参数指标
本节主要介绍本设计所设计的出租车计费器所能实现的具体功能。
5.1系统能实现的功能
1、此设计的出租车计费器计费包括起步价、行车里程计费、等待时间计费3部分。
数码管能显示的金额最大99.9元，精确到0.1元。
2、程3公里内，且等待累计时间3分钟内，起步费为8元，超过3公里，以每公里1.6元计费，等待时间单价为每分钟1元。
3、两位数码管显示等待时间，最大值为59min。
5.2系统参数指标
1、系统电源有效参数为:
5V±0.02V，12V±0.02V。
2、LED数码管上显示为0-9的十进制数字。
3、系统的频率维持在1KHZ左右。
5.3调试方法与内容
数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安装调试。
这一步是对设计内容的检验，也是设计修改的实践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。
安装调试的目标是使设计电路满足设计的功能和性能指标，并且具有系统要求的可靠性、稳定性、抗干扰能力。
这里简要叙述安装调试数字电路的几个步骤：
（1）检测电路元件最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或用替代方法接入已知的电路中。
集成电路的检测仪器主要用集成电路测试仪，还可用数字电压表作简易测量。
实验电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。
替代法测试必须具备已有的完好工作电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况。
除集成电路芯片外，还应检测各种准备接入的其他各种元件，如三极管、电阻、电容、开关、指示灯、数码管等。
应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。
（2）电路安装数字电路系统在设计调试中，往往是先用面包板进行试装，只有试装成功，经调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路。
试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度。
安装中的问题往往集中在接插线的可靠性上，特别需要引起注意。
安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系统、边安装边测试的原则进行。
先安装调试单元电路或子系统，在确定各单元电路或子系统成功的基础上，逐步扩大电路的规模。
各单元电路的信号连接线最好有标记，如用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。
（3）系统调试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入信号进行调试，发现问题则先对故障进行定位，找出问题所在的单元电路。
一般采用故障现象估测法（根据故障情况估计问题所在位置）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分，逐一查找）、对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对换位置）等。
系统测试一般分静态测试和动态测试。
静态测试时，在各输入端加入不同电平值，加
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