PAGEPAGE23目錄TOC\o"1-3"\h\u31050摘要 2197971課題背景 3326561.1設計目的與要求 3305911.2設計目的 4222091.3主要設計內容及基本要求 3170821.4方案論證與比較 3324802.系統硬件設計 5159372.1硬件設計說明 547172.2AT89S51單片機簡介 5192902.3硬件電路設計 613552.4硬件組成 733702.4.1晶振電路 7271322.4.2復位電路 8205322.4.3顯示電路 8137432.4.4掉電存儲電路 969592.4.5時鐘電路 1048082.4.6按鍵電路 1143522.4.7霍爾傳感器電路 12237903.系統軟件設計 14162973.1系統程序設計 1439583．2模塊程序介紹 16223403.2.1掉電存儲AT24C02 16155283.2.2時鐘芯片DS1302 16283533.2.3按鍵部分 17281903.2.4計價部分 18173723.2.5霍爾傳感測距函數 1941144.系統調試 2041734.1軟件調試 20147134.1.1編程工具-C51語言太短的節可以合并 20304744.1.2程序調試工具-KEIL軟件 20120374.1.3單片機仿真軟件在線調試-Proteus 2085094.2硬件電路 21306054.2.1電路元件檢測 21152044.2.2PCB印刷電路板 21293014.3硬件電路調試 221795.總結 2318967參考文獻： 249794致謝 25出租車計價器的設計摘要：20世紀80年代以前，廣州出租汽車還沒有安裝計價器，每一趟接待任務結束后，司機會根據里程表來計算出車輛行走公里數，然后進行收費。1979年后，在改革開放大潮的推動下，廣州出租汽車行業迎來了發展的春天，出租汽車企業如雨后春筍般涌現，車輛劇增近10倍。到1985年，廣州出租汽車企業逾百家，車輛近7000臺，形成了百家爭鳴的局面。然而，行業迅猛發展也產生了很多問題，經營管理有漏洞，司機服務不規范，向乘客漫天要價的現象屢禁不止。針對這種情況，出租車自動計價器應運而生，凈化了行業風氣，誠信服務市民，減少司機與乘客間糾紛。在此過程中，出租車計價器也不斷改善性能，外形簡潔美觀，性能穩定可靠，智能化程度高的出租車計價器正是我們的追求。本系統設計以AT89S51單片機為核心，采用A44E霍爾傳感器測距，實現對出租車的不同時段計價統計，采用2個四位一體8段數碼管顯示費用，不計價時顯示為時鐘，采用AT24C02實現在系統掉電時保存單價和系統時間等信息。關鍵字：出租車計價器、AT89S51單片機1設計目的與要求1.1設計目的畢業設計是將理論與實踐相結合的教學環節，通過綜合運用教材及其他資料，使所學知識得到進一步加深和擴展。同時還培養設計能力和解決實際問題能力，進行基本技能的訓練,進一步熟練proteus，keilC等軟件的操作。本設計的目的是在學習51系列單片機的基礎上，設計出符合要求的電路，從而實現設計產品的計價功能。1.2主要設計內容及基本要求利用AT89S51單片機，設計簡單的出租車計價器。在出租車計價器的總體設計中，除必有的晶振電路，復位電路，電源電路外，主要的外圍功能電路有：按鍵控制電路，掉電保護電路，時鐘電路，數碼管顯示電路等。通過對以上各功能的設計，制作出的出租車計價器應具有以下功能：上電時顯示時鐘；按下計價鍵開始進行分時計價，途中可以按等待鍵實現出租車行進途中的等待計價，最終金額與行駛里程，行駛時間和等待時間有關；按下速度鍵，顯示當前速度值；按下價格鍵，顯示不同時段的起步價和單價；按下設置鍵，并通過設置‘+’和設置‘-’實現價格，時鐘的調整。1.3方案論證與比較方案一：采用模擬電路和數字電路設計的計價器整體電路的規模較大，用到的器件多，造成故障率高，難調試。采用數字電路控制，采用傳感器件，輸出脈沖信號，經過放大整形作為移位寄存器的脈沖，實現計價。考慮到這種電路設計過于復雜，對于模式的切換需要用到機械開關，機械開關時間久了會造成接觸不良，功能不易實現；性能不夠穩定，電路也不實用。方案二：采用單片機進行的設計，相對來說功能強大，用較少的硬件和適當的軟件相互配合可以很容易地實現設計要求，且靈活性強，可以通過軟件編程來完成更多的附加功能。設計采用AT89S51單片機為主控器，以A44E霍爾傳感器測距，實現對出租車的基本的計價設計，采用DS1302實現時鐘，并采用AT24C02實現在系統掉電的時候保存單價等信息，輸出采用2個四位8段數碼顯示管。利用單片機豐富的I/O端口，及其控制的靈活性，實現基本的計價功能。系統結構圖如下：鍵盤控制AT89S51 鍵盤控制AT89S51 單 片 機顯示系統顯示系統時鐘電路時鐘電路掉電保護電路掉電保護電路圖1.1系統結構圖通過比較以上兩種方案，我們采用方案二實現出租車計價器的功能。本電路設計的計價器能實現基本的計價功能，單片機計算總價的制約因素為：行駛時段（白天/黑夜），起步價，單價，計程等待時間。AT89S51作為一個單片微型計算系統，靈活性高，其強大的控制處理功能和可擴展功能設計電路提供了很好的選擇。2.系統硬件設計2.1硬件設計說明單片機是單片微型計算機的簡稱，單片機以其卓越的性能，得到廣泛的應用，已經深入到各個領域。在這次設計中，我們用到P0口、P1口、P2口和P3口。各口均由口鎖存器、輸出驅動器、和輸入緩沖器組成。4組IO口除都可用作一般輸入/輸出口外，P0口還可作為分時復用的低8位地址/數據總線，P2口作為高8位地址總線；P1口是唯一的單功能口，僅用作通用的數據輸入/輸出口；P3口還可用作第二功能口使用。設計中,為了能夠讓數碼管更好的正常顯示，我們采用了驅動電路來驅動。在本次硬件設計中，我們考慮采用三極管來驅動數碼管顯示。設計電路時，我們采用直流電機貼上磁珠來模擬出租車輪胎，用霍爾傳感器獲得脈沖波形用于計費。在顯示方面，可以用液晶顯示，也可以用數碼管進行顯示。由于在這次設計中只需要顯示里程和金額信息，我們采用數碼管進行顯示。這樣既節約了成本，又可以達到顯示的目的。同時為了減少硬件的復雜度，我們采用了動態顯示方式，選用了共陽極數碼管。為了焊接方便，我們選用了2個四位一體數碼管。我們還設計了8個控制按鍵，能夠很好的對出租車計價器控制,包括計價按鍵，等待按鍵，速度按鍵，模式按鍵，價格按鍵，設置按鍵，設置+按鍵，設置-按鍵。2.2AT89S51單片機簡介AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。P0口有兩個功能：外部擴展存儲器時，當做數據/地址總線。2、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。

P2口有兩個功能：

1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用。

2、做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻。

P3口有兩個功能：除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置。圖2.2AT89S51封裝圖設計中用到的單片機各管腳(圖2.1)功能介紹如下：VCC:接+5V電源。VSS:接地。時鐘引腳：XTAL1和XTAL2兩端接晶振和30PF的電容，構成晶振電路，它可以使單片機穩定可靠的運行。RST:復位信號輸入端，高電平有效。當在此引腳加兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。P1口接8個按鍵，P0口接數碼管段選端，P2口接三極管驅動數碼管，P3口接24C02、DS1302、霍爾傳感器。2.3硬件電路設計圖2.3硬件原理圖2.4硬件組成硬件組成主要包括：晶振電路、復位電路、顯示電路、掉電存儲電路、時鐘電路、按鍵電路。2.4.1晶振電路MCS-51單片機的各功能部件都是以時鐘控制信號為基準，內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格地按時序執行指令進行工作，單片機本身如同一個復雜的同步時序電路，為了保證其各個部分同步工作，電路要在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按照時序進行工作。其實只需在時鐘引腳連接上外圍的定時控制元件，就可以構成一個穩定的自激振蕩器。為更好地保證振蕩器穩定可靠地工作，諧振器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。本設計中使用的振蕩電路，由12MHZ晶體振蕩器和兩個約30PF的電容組成，在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體，電容的大小不會影響振蕩頻率的高低。在整個系統中為系統各個部分提供基準頻率，以防因其工作頻率不穩定而造成相關設備的工作頻率不穩定，晶振可以在電路中產生振蕩電流，發出時鐘信號。圖2.4晶振電路2.4.2復位電路單片機的復位是由外部的復位電路實現的,復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。除了上電復位外還需要按鍵手動復位（圖2.8）。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源VCC接通而實現的單片機的復位速度比外圍I/O接口電路快為能夠保證系統可靠的復位，在初始化程序中應安排一定的復位延遲時間。圖2.5復位電路2.4.3顯示電路多數的應用系統,都要配輸出外設,LED顯示器和LCD顯示器,為了節約成本,我們選用了LED顯示器。在顯示方面，我們選用了動態顯示。靜態顯示雖然亮度較高，接口編程容易，但是每位的段碼線分別與一個8位的鎖存器輸出相連。占用的I/O口線比較多，在顯示位數較多的情況下，一般都采用動態顯示方式。利用動態顯示的方法，由于LED顯示器的余輝和人眼的視覺暫留現象，只要每位顯示的時間間隔足夠短，就仍能感覺到所有的數碼管都在顯示。為了簡化硬件，通常將所有位的段碼線相應段并聯在一起，由一個8位I/O口控制，在同一時刻，只讓一位選通，如此循環，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。圖2.6LED數碼管圖2.7四位一體數碼管LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。在本設計仿真中使用的是6個一組的共陰8段數碼管（圖2.7）。

找公共共陰和公共共陽的方法：首先我們找個電源|穩壓器（3到5伏）和1個1K（幾百歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發光的，找到一個就夠了，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。共陰極數碼管，陰極接地，當某個發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管點亮，對應的段就顯示。同時我們采用三極管來驅動數碼管。圖2.8三極管驅動電路2.4.4掉電存儲電路掉電保護電路中采用了存儲芯片AT24C02。AT24C02是一個CMOS標準的EEPROM存儲器，是AT24CXX系列（AT24C01/02/04/08/16）成員之一，這些EEPROM存儲器的特點是功耗小、成本低、電源范圍寬，靜態電源電流約30uA～110uA，具有標準的I2C總線接口，是應用廣泛的小容量存儲器之一。

圖2．9AT24C02引腳圖圖2．9是AT24C02的引腳圖，這個芯片是一個8腳芯片，內部存儲器有256字節。引腳功能介紹如下：A0（引腳1）：器件地址的A0位，是器件地址的最低位，器件地址排列是A6A5A4A3A2A1A0R/W。A1（引腳2）：器件地址的A1位。A2（引腳3）：器件地址的A2位。GND（引腳4）：地線。SDA（引腳5）：數據總線引腳。SCL（引腳6）：時鐘總線引腳。TEST（引腳7）：測試引腳。Vcc（引腳8）：電源線引腳。本設計采用掉電存儲電路圖如下：圖2.10掉電存儲電路2.4.5時鐘電路時鐘電路采用DS1302芯片實現實時時鐘。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節靜態RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和RAM數據。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調整，具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.5-5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。DS1302的引腳圖如下圖。圖2.11DS1302引腳圖時鐘電路連接方式如下圖。圖2.12DS1302連接圖2.4.6按鍵電路按鍵控制電路中，單片機的P1口分別連接8個按鍵式開關，P1.0接價格按鍵；P1.1接設置按鍵；P1.2接設置+按鍵；P1.3接設置-按鍵；P1.4接白天/黑夜模式按鍵；P1.5接速度按鍵；P1.6接計價等待按鍵；P1.7:接計價按鍵。圖2.13按鍵電路2.4.7霍爾傳感器電路脈沖計數法是智能測速系統中常用的方法。只要轉軸每旋轉一周，產生一個或固定的多個脈沖，并將脈沖送入微處理器中進行計數。A44E霍爾傳感器屬于開關型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.5V-18V），其輸出的信號符合TTL電平標準，可以直接接到單片機的I/O端口上，而且其最高檢測頻率可達到1MHZ。A44E霍爾開關集成電路應用霍爾效應原理，采用半導體集成技術制造的磁敏電路，它是由電壓調整器，霍爾電壓發生器，差分放大器，施密特觸發器，溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，輸入為磁感應強度，輸出是一個數組電壓信號。下圖為霍爾傳感器測距示意圖。單片機單片機圖2.13霍爾傳感器測距圖2.14霍爾傳感器A44E的輸出特性霍爾開關電路的輸出特性見圖2.14所示。在輸入端輸入電壓Vcc,經穩壓器穩壓后加在霍耳電勢發生器的兩端,根據霍耳效應原理,當霍耳片處在磁場中時,在垂直于磁場的方向通以電流,則與這二者相垂直的方向上將會產生霍耳電勢差VH輸出,該VH信號經放大器放大后送至施密特觸發器整形,使其成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到工作點(即BOP)時,觸發器輸出高電壓(相對于地電位),使三極管導通,此時OC門輸出端輸出低電壓,通常稱這種狀態為開。當施加的磁場達到釋放點(即BRP)時,觸發器輸出低電壓,三極管截止,使OC門輸出高電壓,這種狀態為關。在外磁場的作用下,當磁感應強度超過導通閾值BOP時,霍爾電路輸出管導通,輸出低電平。之后,B再增加,仍保持導通態。若外加磁場的B值降低到BRP時,輸出管截止,輸出高電平。我們稱BOP為工作點,BRP為釋放點,BOP-BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關電路的抗干擾能力增強。這樣兩次電壓變換,使霍耳開關完成了一次開關動作。一般規定,當外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標志的一面時,作用到霍爾電路上的磁場方向為正,北極接近標志面時為負。下圖為霍爾傳感器在電路中的連接方式圖2.15霍爾傳感器連接圖3.系統軟件設計3.1系統程序設計本設計是采用C語言編寫的，采用模塊化操作，將繁雜的程序分成若干個相對獨立的模塊分別進行編寫，使得程序在修改，執行的時候顯得方便易行。本設計中，軟件設計采用模塊化操作，利用各個模塊之間的相互聯系，在設計中采用主程序調用各個子程序的方法，使程序通俗易懂，我們設計了整體程序流程圖。在main函數編寫開始，要進行初始化，包括對系統初始化和對存儲器初始化，要對硬件設備進行初始化，并使硬件處于就緒狀態。通過判斷是否計費，調價，清零等狀態，來分別調用不同的子程序，使程序在設計之前，就有了很強的邏輯關系。這些對應于硬件就是通過按下各個控制開關，來分別進行不同的動作，最后數碼管根據輸入的信息，來顯示不同的數據信息，這就達到了軟件控制硬件，同時輸入信息控制輸出信息的目的。本程序分為DS1302時鐘子函數，AT24CO2子函數，按鍵控制子函數，主函數部分，中斷子函數5大模塊，整體流程圖如下：24c02，ds1302初始化24c02，ds1302初始化定時器0初始化外部中斷0初始化讀取時間并顯示時鐘循環讀取程序是否有按鍵按下N按下K1按下K2按下K3按下K4按下K5按下K6按下K7Y開始計價進入計價等待顯示當前速度調整日夜模式顯示價格信息進入設置界面設置+按下K8設置-圖3.1系統程序流程圖3．2模塊程序介紹3.2.1掉電存儲AT24C02我們根據24C02的時序圖來完成“讀”、“寫”操作。時序圖如下：多個圖應分別提及。圖3.2起始命令和停止命令時序圖圖3.3應答信號時序圖圖3.4數據有效時序圖3.2.2時鐘芯片DS1302 首先，我們同樣根據DS1302的時序圖完成“讀”、“寫”操作。時序圖如下：圖3.5單字節讀時序圖圖3.6單字節寫時序圖此外，DS1302包含有關日歷，時間的寄存器共12個，存放數據格式為BCD碼形式，這就需要我們在使用數據時進行進制轉換。寄存器信息如下圖：圖3.7DS1302有關日歷、時間的寄存器Fig.3.7CalenderandtimeregisterofDS1302最后，DS1302十分重要的控制字如下圖：圖3.8DS1302控制字Fig.3.8CommandbyteofDS13023.2.3按鍵部分 本設計還有豐富的控制功能，包含了8個按鍵，功能分別有計價、計程等待、速度顯示、模式調整（白天、黑夜）、價格顯示（起步價、單價）、設置啟動、設置+、設置-。 按鍵部分函數的流程圖如下： 有按鍵按下有按鍵按下K5按下，價格顯示，數碼管顯示起步價和單價K1按下，計價開始，數碼管顯示金額和路程K5按下，價格顯示，數碼管顯示起步價和單價K1按下，計價開始，數碼管顯示金額和路程K6按下，設置啟動，可實現時間和價格的加減K2按下，計程等待，數碼管顯示金額和等待時間K6按下，設置啟動，可實現時間和價格的加減K2按下，計程等待，數碼管顯示金額和等待時間K7按下，設置+，實現價格加1或小時加1K3按下，速度顯示，數碼管顯示當前行駛速度K7按下，設置+，實現價格加1或小時加1K3按下，速度顯示，數碼管顯示當前行駛速度K8按下，設置-，實現價格減1或分鐘加1K4按下，模式轉換，實現白天和黑夜的分時計價K8按下，設置-，實現價格減1或分鐘加1K4按下，模式轉換，實現白天和黑夜的分時計價圖3.9按鍵函數流程圖Fig.3.9FlowdiagramofTheButtonFunction3.2.4計價部分 本系統可以實現分時（白天/黑夜）計價，具體計價方式根據當前東莞市出租車運行標準計算，當前標準如下圖：圖3.10東莞市出租車計價標準計價函數流程圖如下：黑夜計價費用=起步價小于三公里且等待時間小于1分鐘小于三公里但等待時間超過1分鐘黑夜計價費用=起步價小于三公里且等待時間小于1分鐘小于三公里但等待時間超過1分鐘超過1分鐘部分每分鐘1元大于三公里但等待時間小于1分鐘超過三公里部分每公里計價大于三公里且等待時間大于1分鐘超過三公里部分和超過1分鐘部分計價和白天計價圖3.11計價函數流程圖3.2.5霍爾傳感測距函數 霍爾傳感器的輸出為脈沖波形，我們可以設置外部中斷0的觸發方式為邊沿觸發方式（即設置IT0=1），此時車輪每轉一圈，產生一個下降沿，外部中斷函數中計數加1，通過累加計數，獲得出輪的轉數，再乘以周長，便得到行駛路程。4.系統調試4.1軟件調試4.1.1編程工具-C51語言太短的節可以合并8051單片機的應用程序設計，使用C51語言進行程序設計雖然相對于匯編語言代碼效率有所下降，但可以方便地實現程序設計模塊化，代碼結構清晰、可讀性強，易于維護、更新和移植，適合較大規模的單片機程序設計。近年來，隨著C51語言的編譯器性能的不斷提高，在絕大多數應用環境下，C51程序的執行效率已經非常接近匯編語言，因此，使用C51進行單片機程序設計已經成為單片機程序設計的主流選擇之一。4.1.2程序調試工具-KEIL軟件本設計的軟件都是在KeilμVision7.5上進行編寫，編譯，調試以及運行操作。4.1.3單片機仿真軟件在線調試-Proteus 1.打開Proteus軟件。2.選擇file菜單下的opendesign選項，找到所需的元器件，元器件上單擊右鍵選中，再單擊左鍵對其進行命名和賦值，接著在編輯器左邊的一欄中，找出并繪制設計所要的各種元器件，按照電路圖連接后并保存。3.將用keil編譯產生的hex文件下載到單片機中：雙擊51單片機，在對話框中把保存過的hex文件打開，再單擊確定。4.單擊左下角運行按鈕，進行軟件仿真調試，直到出現正確的結果。在仿真中，我們利用方波輸出器模擬霍爾傳感器的輸出，并在不影響結果的前提下省略了三極管驅動電路以簡化仿真圖，仿真圖如下：圖4.1Proteus仿真圖4.2硬件電路4.2.1電路元件檢測在焊接電路前，首先要進行元器件的檢測。檢測主要是測出各個元器件的型號。對于數碼管的檢測在顯示電路中已介紹。識別電阻時可根據各環的數量級和色碼表，判斷電阻的阻值。排阻是將多個電阻集中封裝在一起，組合制成的。排阻具有裝配方便、安裝密度高等優點。常用排阻有A型和B型。A型排阻的引腳總是奇數的。它的左端有一個公共端（用白色的圓點表示），常見的排阻有4、7、8個電阻，所以引腳共有5或8或9個。B型排阻的引腳總是偶數的。它沒有公共端，常見的排阻有4個電阻，所以引腳共有8個。排阻的阻值讀法如下：“103”表示：10kΩ，“510”表示：51Ω。以此類推。對于集成芯片的檢測，就是根據它的管腳圖，來識別各個引腳，以方便焊接。4.2.2PCB印刷電路板 為了電路板的焊接方便，可靠，本次電路板采用了印刷電路板來完成任務。首先用protel99完成PCB原理圖，原理圖如下：圖4.2PCB原理圖4.3硬件電路調試設計的過程中，對硬件的檢測和對軟件的測試都不能忽略，因為在系統的仿真過程中，各元件都是理想的，而在設計實際電路時，就需要多方面考慮。要先對元件進