出租車計價器系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、摘摘 要要 現在各大中城市出租車行業(yè)都已普及自動計價器，所以計價器技術的發(fā)展已成 定局。而部分小城市尚未普及，但隨著城市建設加快，象征著城市面貌的出租車行 業(yè)也將加速發(fā)展，計價器的普及也是毫無疑問的，所以未來汽車計價器的市場還是 十分有潛力的。本系統(tǒng)以 stc89c54 單片機為核心，用電機模擬車輪運轉，a04e 霍 爾傳感器測電機轉數。文章詳細介紹了出租車計價器的硬件電路和軟件設計。硬件 部分利用霍爾元件將電機每轉一圈的脈沖數傳入單片機系統(tǒng)，然后單片機系統(tǒng)將信 號經過處理送顯示。軟件部分用 c 語言進行編程，采用模塊化設計思想。該系統(tǒng)實 現了對出租車里程的測量統(tǒng)計，并能將出租車的里程數、候時

2、時間、時距并計總價 用 lcd 實時顯示。 關鍵詞：里程，霍爾元件，lcd 顯示，時距并計 abstract it is the major cities in the taxi industry has universal automatic meter now，and meter technology development is a foregone conclusion. and some small cities not yet universal, but with increasing speed up urban construction, a symbol of taxi i

3、ndustry will also accelerate development, and the popularity meter is no doubt, therefore, the future of the automobile market valuation is still potential. by stc89c54 as kernel, electric motor imitating wheel revolving, using a04e hall element to measure revolution, the measure and statistic are a

4、chieved. in this article, the hardware circuit and software design of taximeter are introduced in detail. about the hardware, the pulse number is transmitted of one cycle of the electric motor into single chip microcomputer system. then the signal processed by single chip microcomputer system is sen

5、t to display scream. about the software, in c language, the program is designed in the mode of modules. the system has realized the taxi mileage waiting time and total price of time and mileage counting together can be displayed on lcd. keywords: mileage,hall element,lcd,time and mileage counting to

6、gether 目目 錄錄 第一章 緒論.1 1.1 課題背景 .1 1.2 課題的主要任務及內容.2 第二章 出租車計價器系統(tǒng)總體方案設計.4 2.1 任務分析與實現.4 2.2 出租車計價器系統(tǒng)硬件方案設計.4 2.2.1 里程測量傳感器的設計.5 2.2.2 方案的確定.7 2.3 出租車計價器系統(tǒng)軟件方案設計.7 第三章 出租車計價器系統(tǒng)硬件電路設計.9 3.1 概述.9 3.2 傳感器及其測量系統(tǒng).9 3.2.1 霍爾傳感器的測量原理.10 3.2.2 集成開關型霍爾傳感器.11 3.3 單片機的原理及應用.12 3.3.1 單片機原理簡介.12 3.3.2 單片機的引腳功能介紹.13

7、 3.3.3 單片機中斷系統(tǒng)介紹.16 3.3.4 單片機定時/計數功能介紹.18 3.4 單片機外圍電路的設計.19 3.4.1 時鐘電路的設計.19 3.4.2 復位電路的設計.20 3.4.3 顯示電路的設計.22 第四章 出租車計價器系統(tǒng)軟件程序設計.25 4.1 概述.25 4.2 出租車計價器系統(tǒng)總體程序設計.25 4.3 中斷子程序的設計.26 4.4 數據處理子程序的設計.27 第五章 系統(tǒng)調試與分析.29 5.1 硬件電路的搭建.29 5.2 調試故障及原因分析.29 5.3 調試結果.29 5.3.1 候時顯示.29 5.3.2 里程顯示.30 5.3.3 停車總價顯示.3

8、1 第六章 社會經濟效益分析.32 結束語.33 致 謝.34 參考文獻.35 附錄 出租車計價器系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理圖.37 附錄 元件清單.38 附錄 程序清單.39 第一章第一章 緒論緒論 1.1 課題背景課題背景 隨著我國經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，城市的交通日趨完善， 出租車計價器的應用也越來越廣泛。雖然私家車的擁有量在大幅度地提高，但是出 租車還是在我國的交通運輸中承擔著重要的角色，出租車計價器是出租車上必不可 少的重要儀器，它是負責出租車營運收費的專用智能化儀表。用戶不僅要求計價器 性能穩(wěn)定、計價準確而且對它的要求也越來越高。 近年來，我國出租汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，出租汽車已

9、經成為我國城市公共交通的 重要組成部分和現代化城市必備的基礎設施，成為人們工作、生活中不可缺少的交 通工具。出租汽車服務行業(yè)和出租汽車計價器緊密相關，因為出租汽車必須安裝出 租汽車計價器才能投入營運。出租汽車計價器是一種能根據乘客乘坐汽車行駛距離 和等候時間的多少進行計價，并直接顯示車費值的計量器具。計價器是出租汽車的 經營者和乘坐出租汽車的消費者之間用于公平貿易結算的工具，因而計價器計價準 確與否，直接關系到經營者和消費者的經濟利益。依據國家有關法律、法規(guī)，出租 汽車計價器是列入國家首批強制檢定的工作計量器具之一，也是近年來國家質量技 術監(jiān)督部門強化管理的六類重點計量器具之一。 出租車行業(yè)在

10、我國是八十年代初興起的一項新興行業(yè)，隨著我國國民經濟的高 速發(fā)展，出租汽車已成為城市公共交通的重要組成部分。多年來國內普遍使用的計 價器只具備單一的計量功能。目前全世界的計價器中有 90%為臺灣所生產?，F今我 國生產計價器的企業(yè)有上百家，主要是集中在北京，上海，沈陽和廣州等地。 現在出租車是城市交通的重要組成部分，行業(yè)健康和發(fā)展也獲得越來越多的關 注。汽車計價器是乘客與司機雙方的交易準則，它是出租車行業(yè)發(fā)展的重要標志， 是出租車中最重要的工具。它關系著交易雙方的利益。具有良好性能的計價器無論 是對廣大出租車司機朋友還是乘客來說都是很必要的。 而自從單片微型計算機 1976 年問世以來發(fā)展非常迅

11、速，現在已成為微型計算機 一個很重要的分支，在現實生活中應用越來越廣泛，已經對人類產生了巨大的影響， 尤其是美國 intel 公司的 mcs51 系列單片機，由于其集成度高、處理功能強、性 能價格比高、可靠性高、系統(tǒng)結構簡單，可以靈活的與其他芯片組成眾多的測量電 路用于速度、溫度、深度、高度、濕度、光強等方面的測量和研究等特點，在我國 現代化生活、生產中已經得到了廣泛的應用，如在工業(yè)檢測控制、儀器儀表、電子 工業(yè)、機電一體化等眾多領域取得了令人矚目的成果。本設計利用 mcs51 系列單 片機擴展方便、可靠性能高、處理功能強、速度高等特點，實現對出租車里程的測 量。 1.2 課題的主要任務及內容

12、課題的主要任務及內容 本課題主要任務是利用霍爾元件、單片機等部件設計一個可用 lcd 實時顯示里 程、候時時間和總價的出租車計價器系統(tǒng)。基于此任務，本課題的內容主要分為軟 件和硬件兩大部分，在遵循軟硬件相結合的原則下，先熟悉軟件環(huán)境，然后進行硬 件電路設計，再根據設計的硬件進行軟件編程，進行模塊化設計，并對各模塊進行 調試，再焊接電路板，最后軟硬件進行調試。 本文主要介紹了出租車計價器系統(tǒng)的設計思想、電路原理、方案論證以及元件 的選擇等內容，整體上分為硬件部分設計和軟件部分設計。 本文首先扼要介紹了該課題的產生背景、主要任務和內容；接著針對該課題的 任務進行方案論證，包括硬件方案和軟件方案的設

13、計；繼而具體介紹了出租車計價 器系統(tǒng)的硬件設計，包括傳感器的選擇、單片機的選擇、顯示電路的設計；然后闡 述了該出租車計價器系統(tǒng)的軟件設計，包括數據處理子程序的設計、顯示子程序的 設計；最后針對仿真過程和硬件搭建過程中遇到的問題進行了具體說明與分析，對 本次設計進行了系統(tǒng)的總結，并對其進行了綜合經濟效益分析。 本文的核心部分是第 3、4、5 章。這 3 章內容具體介紹了硬件設計過程、軟件 設計過程和系統(tǒng)仿真過程。 具體的硬件電路包括 stc89c54 單片機的外圍電路以及 lcd 顯示電路等。在電 路板上每一個硬件電路焊接完成后，每一部分單獨調試，在各個部分調試成功后， 聯調整個硬件電路，最后做

14、出分析，得出結論。 軟件設計包括：芯片的初始化程序、定時中斷采樣子程序、顯示子程序等，軟 件采用 c 語言編寫，軟件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，各個子模塊逐 一設計，再分別進行調試，最后聯調整個程序，判斷是否達到預期的要求，得出結 論。仿真是整個設計的重要一環(huán)，也是設計能否實現的關鍵。 第二章第二章 出租車計價器系統(tǒng)總體方案設計出租車計價器系統(tǒng)總體方案設計 2.1 任務分析與實現任務分析與實現 本次畢業(yè)設計的題目是：出租車計價器系統(tǒng)設計。 其設計的任務是：以通用 mcs-51 單片機為處理核心，用傳感器將車輪的轉數 轉換為電脈沖，進行處理后送入單片機。里程的測量，是經過 mcs-51

15、 的定時/計數 器測出總的脈沖數乘以每圈 5 米，再經過單片機的計算得出的，其結果通過 lcd 顯 示器顯示出來。 本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長為 l，在輪圈上安裝 m 個永久磁鐵，則 測得的里程值最大誤差為 l/m。經綜合分析，本設計中取 m=1。當輪子每轉一圈， 通過開關型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳 p3.3 外部中斷 1 端輸入， 傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數中斷。每次中斷代表車輪轉動一 圈，中斷數 n 與輪圈的周長 l 的乘積為里程值。 要求達到的各項指標及實現方法如下： (1)利用霍爾傳感器產生里程數的脈沖信號。 (2)對脈沖信號進行計數。 實現

16、：利用單片機自帶的計數器 t1 對霍爾傳感器脈沖信號進行計數。 (3)對數據進行處理，要求用 lcd 顯示里程、候時時間和總價。 實現：利用軟件編程，對數據進行處理得到需要的數值。 最終實現目標：出租車計價器具有里程、候時時間與總價顯示功能，采用單片 機作控制，顯示電路可顯示里程及總價。整個設計過程包括硬件電路的搭建，軟件 的編程，系統(tǒng)的調試，調試通過后，固化程序，脫離開發(fā)系統(tǒng)運行。 2.2 出租車計價器系統(tǒng)硬件方案設計出租車計價器系統(tǒng)硬件方案設計 自從 1971 年微型計算機問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷進步，微型 機主要向兩個方向發(fā)展：一個向高速度，高性能的高檔微型計算機方向發(fā)展。

17、一個 向穩(wěn)定可靠，小而廉價的單片機方向發(fā)展。所謂的單片機，就是把中央處理器 cpu、只讀存儲器 rom、定時/計數器以及 i/o 接口電路等集成在一塊集成電路芯 片上的微型計算機。從組成和功能上看，它具有微型計算機的含義。 單片機由于將 cpu、內存和一些必要的接口集成到一個芯片上，并且面向控制 功能將結構作了一定的優(yōu)化，所以它有一般芯片不具有的特點： (1)體積小、重量輕； (2)電源單一、功耗低； (3)功能強、價格低； (4)全部集成在一塊芯片上，布線短、合理； (5)數據大部分在單片機內傳送，運行速度快、抗干擾能力強、可靠性高。 在本系統(tǒng)中采用 stc 公司的 89c54 單片機，它具

18、有功能豐富、性能穩(wěn)定的特點。 2.2.1 里程測量傳感器的設計里程測量傳感器的設計 (1)里程傳感器的設計 里程測量傳感器的選擇有以下幾種方案：使用光敏電阻對里程進行測量、利用 編碼器對車輪的圈數進行測量、利用霍爾傳感器對里程進行測量、利用干簧管型傳 感感器測量里程。這幾種方案都是通過出租車車輪轉動產生脈沖數，然后根據脈沖 數計算里程。 霍爾傳感器 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有 a04e、cs3020、cs3040 等，這類傳感器是一個 3 端器件，外形與三極管相似，只 要接上電源、地，即可工作，通常是集電極開路(oc 門)輸出，工作電壓范圍寬，使 用非常方便。a04e

19、的外形如圖 2.1 所示。 1-vcc 2-gnd 3-out 圖 2.1 a04e 外形圖 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸 的齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件固定在前叉上，當車子轉動時霍爾元件靠近磁 鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在齒輪盤上 粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾 傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出， 可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現場應用廣泛。 光電傳感器 光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射

20、式、反射 式等，基本的原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以紅 外光電傳感器為例，當有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之 間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從 而形成一個脈沖。該系統(tǒng)在出租車后輪的軸處保持著與輪子旋轉切面平行的方向延 伸附加一個鋁盤，在這個鋁盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分 放在圓孔的圓心位置。每當鋁盤隨著后輪旋轉的時候，傳感器將向外輸出若干個脈 沖。 光電編碼器 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、 碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉軸相

21、連，就能獲得多種 輸出信號。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標 測定等需要檢測角度的裝置和設備中。 2.2.2 方案的確定方案的確定 光敏電阻對光特別敏感，當白天行駛時，外界光源將導致光敏電阻發(fā)出錯誤信 號；光敏電阻對環(huán)境的要求相當高，如果光敏或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋， 光敏電阻就不能再進行準確測量；而編碼器必須安裝在車軸上，安裝較為復雜；霍 爾元件或干簧管不但不受天氣的影響，即使被泥沙或灰塵覆蓋也不會有影響，而且 安裝方便。所以本設計采用霍爾元件對里程與速度進行測量，既簡單易行，又經濟 適用。 本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖 2.2 所示 圖 2.2 系統(tǒng)原理框圖

22、 其中 lcd 型號為 1602，單片機型號為 stc89c54，霍爾傳感器型號為 a04e,鍵 盤有調整起價按鍵、停車按鍵和系統(tǒng)復位按鍵三個按鍵。 2.3 出租車計價器系統(tǒng)軟件方案設計出租車計價器系統(tǒng)軟件方案設計 硬件是基礎，軟件是靈魂。通過軟件控制單片機的功能是單片機的主要特點和 優(yōu)點，程序的設計要考慮合理性和可讀性。程序遵循模塊化設計的原則，采用自頂 向下的設計方法。即先考慮整體目標，明確整體任務，然后把整體任務分成一個個 子任務，子任務再分成子子任務，這樣逐層細分，同時分析層次間的關系與同一層 次各任務間的關系，最后擬訂出各任務的細節(jié)。模塊化設計使程序的可讀性好、修 改及完善方便。 軟

23、件設計包括主程序、行車過程中里程表算子程序、中斷服務子程序、顯示子 程序等等。 中斷子程序是將傳感器產生的信號接入外部中斷 1，利用中斷和定時器對分別 對里程進行累加、每轉 5 周的時間進行測量。 數據處理子程序是將進入單片機的脈沖信號與實際要顯示值之間有一定的對應 關系，經過軟件編程顯示所需要的值。 顯示子程序是將數據處理的結果送顯示器顯示。 本系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖 2.3 所示。 圖 2.3 軟件總體流程圖 圖中暫停與否通過電機是否暫停來判斷，是否到達目的地通過鍵盤上的停止按 鍵控制，按下停止按鍵即為到達目的地。 第三章第三章 出租車計價器系統(tǒng)硬件電路設計出租車計價器系統(tǒng)硬件電路設計 3

24、.1 概述概述 出租車計價器系統(tǒng)的硬件電路設計是本次畢業(yè)設計的基礎部分，它包括信號的 捕獲、放大、整形，單片機的計算處理，lcd 的實時顯示和單片機外圍基本電路的 設計。而本章的兩大主要器件就是傳感器和單片機了。 傳感器在人們研究自然現象、規(guī)律以及生產實踐活動中，起著非常重要的作用。 特別是在當今，科學技術的發(fā)展使人類進入了一個信息時代，在利用信息的過程中， 首先要解決的就是獲取準確可靠的信息。傳感器是獲取自然或生產領域中信息的關 鍵器件，是現代信息系統(tǒng)和各種設備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將 磁學量信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷蜓b置。隨著信息產業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等 的飛速發(fā)展和計算

25、機應用的普及，需要大量的傳感器將被測或被控的非電信號轉換 成可與計算機兼容的電信號。作為輸入信號，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機 遇，形成了磁傳感器的產業(yè)。其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器，在自動檢 測系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測轉數是一種最基本的測量工作。 自從 1971 年微型計算機問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷進步，微型 機主要向兩個方向發(fā)展：一個向高速度，高性能的高檔微型計算機方向發(fā)展。一個 向穩(wěn)定可靠，小而廉價的單片機方向發(fā)展。所謂的單片機，就是把中央處理器 cpu、只讀存儲器 rom、定時/計數器以及 i/o 接口電路等集成在一塊集成電路芯 片上的微型計算機，可見它的功能

26、非常強大。單片機是本次設計的核心部件，它是 信號從采集到輸出的橋梁，而且肩負計算、定時、信息處理等功能。下面我們就具 體介紹一下硬件電路設計的過程。 3.2 傳感器及其測量系統(tǒng)傳感器及其測量系統(tǒng) 本次設計信號的捕獲采用的是霍爾傳感器，霍爾器件是一種磁傳感器。用它們 可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?為其工作基礎。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固、體積小、重量輕、壽命 長、安裝方便、功耗小、頻率高(可達 1mhz)、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及煙 霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無 磨損、輸出波形清晰、無抖動、

27、無回跳、位置重復精度高。取用了各種補償和保護 措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達55150。按照霍爾器件的功能可將它 們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件，前者輸出模擬量，后者輸出數字量。 按被 檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受 檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁 場來作被檢測的信息的載體。通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、 壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀 態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。 3.2.1 霍爾傳感器的測量原理霍爾傳感器的測量原理 霍爾傳

28、感器是利用霍爾效應制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場中的導體或半 導體通入電流 i，若電流垂直磁場 b，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個 電勢差 uh，這種現象稱為霍爾效應。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件。因為 它具有結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強以及體 積小、使用壽命長等一系列特點，因此被廣泛應用于測量、自動控制及信息處理等 領域。霍爾效應原理圖如圖 3.1 所示。 x y z b i l uh b d 圖 3.1 霍爾效應原理圖 3.2.2 集成開關型霍爾傳感器集成開關型霍爾傳感器 a04e 集成霍爾開關由穩(wěn)壓器 a、霍爾電勢發(fā)生器(即硅霍爾片)b、

29、差分放大器 c、施密特觸發(fā)器 d 和 oc 門輸出 e 五個基本部分組成，如圖 3.2（a）所示。(1)、 (2)、(3)代表集成霍爾開關的三個引出端點。在電源端加電壓 vcc，經穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后 加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端，根據霍爾效應原理，當霍爾片處在磁場中時，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爾電勢差 vh 輸出， 該 vh 信號經放大器放大后送至施密特觸發(fā)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時，觸發(fā)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(tài)為開 。當施加的磁場達到釋放 點時，觸發(fā)器輸

30、出低電壓，三極管截止，使 oc 門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關 。這 樣兩次電壓變換，使霍爾開關完成了一次開關動作。工作點與釋放點的差值一定， 此差值稱為磁滯， d a b c e vcc (1) (2) gnd out (3) (a) 05101520 3 6 9 12 vo/v b/mt 釋放點 (off) 工作點 (on) (v) (b) 圖 3.2 集成開關型霍爾傳感器 在此差值內，v0保持不變，因而使開關輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍爾開 關傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應強度 b 與 輸出電壓 v0之間的關系。a04e 集成霍爾開關是單穩(wěn)態(tài)型，由測量數據作

31、出的輸出 特性曲線如圖 3.2(b)所示。測量時 在 1、2 兩端加 5v 直流電壓,在輸出端 3 與 1 之 間接一個 2k的負載電阻，如圖 3.3 所示。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize a4 date:8-may-2011 sheet of file:e:2011件件件件件件czcjjq.ddbdrawn by: db0 7 db1 8 db2 9 db3 10 db4 11 db5 12 db6 13 db7 14 e 6 rs 4 rw 5 u2 1602 r1 1k r2 1k r3 1k r4 1k r5 1k

32、 r6 1k r7 1k r8 1k vcc s2 sw-pb s3 sw-pb s4 sw-pb 12 y1 11.0592m c1 30p c2 30p r9 res2 10k s5 sw-pb c3 10uf vcc p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 int1 13 int0 12 p17 8 t0 14 t1 15 ea 16 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27

33、p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p27 28 vcc 40 gnd 20 u1 89ssc52 vcc 1 2 3 p1 header 3 vcc vcc 1 2 p2 header 2 vcc 件件件件 件件件件 圖 3.3 集成霍爾開關接線圖 3.3 單片機的原理及應用單片機的原理及應用 3.3.1 單片機單片機原理簡介原理簡介 單片微型計算機是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算 機的各種功能部件，包括 cpu(centralprocessingunit)、隨機存儲器 ram(r

34、andomaccess memory)、只讀存儲器 rom(read-onlymemory)、基本輸入/輸 出(input/output)接口電路。定時器/計數器等部件都制作在一塊集成芯片上，構成一 個完整的微型計算機從而實現微型計算機的基本功能。單片機內部結構示意圖如圖 3.4 所示。 單片機實質上是一個芯片。在實際應用中，通常很少將單片機直接和被控對象 進行電氣連接，必須外加各種擴展接口電路、外部設備、被控對象等硬件和軟件， 才能構成一個單片機應用系統(tǒng)。 圖 3.4 單片機內部結構示意圖 (1)中央處理器 中央處理器是單片機最核心的部分，主要完成運算和控制功能。 (2)內部存儲器 內部存儲

35、器包括內部數據存儲器（內部 ram）和內部程序存儲器。存儲器是由 大量的寄存器所組成，其中每一個寄存器就稱為一個存儲單元。 (3)定時/計數器 單片機的定時器和計數器是同一結構，只是計數器記錄的是單片機外部發(fā)生的 事件，由單片機的外部電路提供計數信號；而定時器是由單片機內部提供一個非常 穩(wěn)定的計數信號。 (4)中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)在計算機中起著十分重要的作用，是現代計算機系統(tǒng)中廣泛采用的一 種實時控制技術，能對突發(fā)事件進行及時處理，從而大大提高系統(tǒng)的實時性能。 (5)串行 i/o 接口 串行 i/o 口的數據各位按順序傳輸，其特點是需要一對傳輸線，成本低；但速 度慢，效率低，適合靜態(tài)顯示。 (6

36、)并行 i/o 接口 并行 i/o 接口的數據所有位同時傳送。其特點是傳輸速度快，效率高；但傳送 多少位就需要多少根傳輸線，因此傳送成本高，適合動態(tài)顯示。 3.3.2 單片機的引腳功能介紹單片機的引腳功能介紹 stc89c54 是 stc 公司生產的低電壓，高性能 cmos 8 位單片機，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（eprom）和 256 字節(jié)的隨機存取數據存儲 器（ram） ，器件采用 stc 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準 mcs- 51 指令系統(tǒng)及 8052 產品引腳兼容，片內置通用 8 位中央處理器（cpu）和 flash 存 儲單元，功能強大，

37、stc89c54 單片機適合于許多較為復雜控制場合應用。 圖 3.5 stc89c54 引腳圖 stc89c54 提供以下標準功能：8k 字節(jié) flash 閃速存儲器，256 字節(jié)內部 ram，32 個 i/o 口線，3 個 16 位定時/計數器，一個全雙工串行通信口，片內具有 振蕩器及時鐘電路。同時，stc89c54 可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟 件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 cpu 的工作，但允許 ram，定時/計數器， 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 ram 中的內容，但振蕩器停止工 作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。stc89c54 管腳圖如

38、圖 3.5 所示。 stc89c54 的主要管腳功能如下： p0.0p0.7：p0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 i/o 口，也是地址/數據總線復用 口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 ttl 邏輯門電路，對端口 p0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這 組口線分時轉換地址（低 8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 p1.0p1.7：p1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖極可 驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內部的上拉電 阻把端口拉到高電平，此時可作

39、輸入口。 p2.0p2.7：p2 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 的輸出緩沖極可 驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口 p2 寫“1” ，通過內部的上 拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 p3.0p3.7：p3 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p3 的輸出緩沖極可 驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口 p3 寫“1” ，通過內部的上 拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 ale：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時，ale 用于控制把 p0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。此外，由于

40、ale 是以晶振 16 的固定頻率輸出的正脈沖，因此，可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。 ：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部 rom 時，有效(低電平)， psenpsen 以實現外部 rom 單元的讀操作。 ：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對 rom 的讀操作限定 eaea 在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對 rom 的讀操作是從內部程序存儲器 ea 開始，并可延至外部程序存儲器。 rst：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有 效，用以完成單片機的復位初始化操作。 xtall 和 xtal2：外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用于 外接

41、石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 vss：地線。 vcc：+5v 電源。 以上是 mcs-51 單片機芯片 40 條引腳的定義及簡單功能說明。 由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數目是有限制的。例如，mcs-51 系列 把芯片引腳數目限定為 40 條，但單片機為實現其功能所需要的信號數目卻遠遠超過 此數，因此就出現了需要與可能的矛盾。如何解決這個矛盾? “兼職”是唯一可行 的辦法，即給一些信號引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號定義為引腳第一功能 的話，則根據需要再定義的信號就是它的第二功能。下面介紹一些信號引腳的第二 功能。 (1) p3 口線的第二功能。p3 的

42、 8 條口線都定義有第二功能，如表 3.1 所示 表 3.1 p3 口引腳與第二功能 引腳第二功能信號名稱 p3.0rxd串行數據接收 p3.1txd串行數據發(fā)送 p3.2 0int 外部中斷 0 申請 p3.3 1int 外部中斷 1 申請 p3.4t0定時/計數器 0 的外部輸入 p3.5t1定時/計數器 1 的外部輸入 p3.6 wr 外部 ram 寫選通 p3.7 rd 外部 ram 讀選通 (2) eprom 存儲器程序固化所需要的信號。有內部 eprom 的單片機芯片(例 如 8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳 以第二功能的形式提供的，即：

43、 編程脈沖：30 腳(ale/) prog 編程電壓(25v)：31 腳(/vpp) ea (3) 備用電源引入。mcs-51 單片機的備用電源也是以第二功能的方式由 9 腳 (rst/vpd)引入的。當電源發(fā)生故障，電壓降低到下限值時，備用電源經此端向內 部 ram 提供電壓，以保護內部 ram 中的信息不丟失。 3.3.3 單片機中斷系統(tǒng)介紹單片機中斷系統(tǒng)介紹 在本次設計當中，中斷部分的設計尤為重要，所謂中斷，是當計算機執(zhí)行正常 程序時，系統(tǒng)中出現某些急需處理的事件，cpu 暫時中止當前的程序，轉去執(zhí)行服 務程序，以對發(fā)生的更緊迫的事件進行處理，待處理結束后，cpu 自動返回原來的 程序執(zhí)

44、行。stc89c54 系列單片機的系統(tǒng)有 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，可實現二級中 斷服務嵌套。由片內特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 ie 控制 cpu 是否響應中 斷請求；有中斷優(yōu)先級寄存器 ip 安排各優(yōu)中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內各終端同 時提出中斷請求時，由內部的查詢邏輯確定其響應次序。 本次設計采用的外部中斷方式包括外部中斷 0 和外部中斷 1，它們的中斷請求信 號分別由單片機引腳/p3.2 和/p3.3 輸入 。 0int1int 外部中斷請求有兩種信號方式：電平觸發(fā)方式和脈沖觸發(fā)方式。電平觸發(fā)方式 的中斷請求是低電平有效。只要在和引腳上出現有效低電平時，就激活 0int1int

45、 外部中斷方式。脈沖觸發(fā)方式的中斷請求則是脈沖的負跳變有效。在這種方式下， 在兩個相鄰機器周期內，活引腳電平發(fā)生變化，即在第一個機器周期內 0int1int 為高電平，第二個機器周期內為低電平，就激活外部中斷。由此可見，在脈沖方式 下，中斷請求信號的高電平和低電平狀態(tài)都應至少維持一個機器周期，以使 cpu 采 樣到電平狀態(tài)的變化，本次設計所采用的觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)方式。 (1)中斷允許控制 cpu 對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器 ie 控制的。ie 的狀態(tài)可通過程序由軟件設定，某位設定為 1，相應的中斷源中斷允許； 某位設定為 0，相應的中斷源中斷屏蔽。cpu

46、復位時，ie 各位為 0，禁止所有中斷。 ie 寄存器各位的定義如下。 ex0（ie.0）外部中斷允許位； 0int et0（ie.1）定時/計數器 t0 中斷允許位； ex1（ie.2）外部中斷允許位； 1int et1（ie.3）定時/計數器 t1 中斷允許位； es（ie.4）串行口中斷允許位； ea（ie.7）cpu 中斷允許位。 (2)中斷優(yōu)先級控制 stc89c54 單片機有兩個中斷優(yōu)先級，即可實現二級中斷服務嵌套。每個中斷源 的中斷優(yōu)先級都是由中斷優(yōu)先級寄存器 ip 中的相應的狀態(tài)來規(guī)定的。ip 的狀態(tài)由軟 件設定，某位設定為 1，則相應的中斷源為高優(yōu)先級中斷；某位設定為 0.則

47、相應的 中斷源為低優(yōu)先級中斷。單片機復位時，ip 各位清 0，各中斷源同為低優(yōu)先級中斷。 ip 寄存器各位的定義如下。 px0(p.0)外部中斷優(yōu)先級設定位； 0int pt0(ip.1)定時/計數器 t0 中斷優(yōu)先級設定位； px1(ip.2)外部中斷中斷優(yōu)先級設定位； 1int pt1(ip.3)定時/計數器 t1 中斷優(yōu)先級設定位； ps(ip.4)串行口中斷優(yōu)先級設定位。 3.3.4 單片機定時單片機定時/計數功能介紹計數功能介紹 stc89c54 單片機定時/計數器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。tmod 用于 設置其工作方式；tcon 用于控制其啟動和中斷請求。 (1)工作方式寄存

48、器 tmod 工作方式寄存器 tmod 用于設置定時/計數器的工作方式。 gate：門控位。gate=0 時，只要用軟件使 tcon 中的 tr0 或 tr1 為 1，就 可以啟動定時/計數器工作；gate=1 時，要用軟件 tr0 或 tr1 為 1，同時外部中斷 引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數器工作。 0int1int ：定時/計數模式選擇位。=0 為定時模式； =1 為計數模式。 tc /tc /tc / m1m2：工作方式設置位。定時/計數器有 4 種工作方式，由 m1m2 進行設置。 本次設計 tmod 為 90h，即選通定時/計數器 1、定時功能、工作方式 1。工作 方式

49、16 位定時/計數器。 (2)控制寄存器 tcon tf1(tcon.7)定時/計數器 t1 溢出中斷請求標志位。定時/計數器 t1 計數溢出時 由硬件自動置 tf1 為 1。cpu 響應中斷后 tf1 由硬件自動清零。t1 工作時，cpu 可隨時查詢 tf 的狀態(tài)。所以，tf1 可用作查詢測試的標志。tf1 也可以用軟件置 1 或清零，同硬件置 1 或清零的效果一樣。 tr1(tcon.6)定時/計數器 t1 運行控制位。tr1 置 1 時時，定時/ 計數器 t1 開 始工作；tr1 置 0 時，定時/計數器 t1 停止工作。tr1 由軟件置 1 或清 0。 tf0(tcon.5)：定時/計

50、數器 t0 溢出中斷請求標志位。 tr0(tcon.4)：定時/計數器 t0 運行控制位。 定時/計數器控制寄存器 tcon 是 8 位寄存器，地址為 88h，可以位尋址。其高 4 位用于定時/計數器中斷控制，低 4 位借給外部中斷，用做中斷標志和觸發(fā)方式選 擇位。本次設計采用定時中斷，對系統(tǒng)的里程進行計數。 3.4 單片機外圍電路的設計單片機外圍電路的設計 3.4.1 時鐘電路的設計時鐘電路的設計 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條 不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量 也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。stc89c54 片內

51、由一個反相放大器構成振蕩器， 可以由它產生時鐘。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種為 外部時鐘方式。本設計采用前者。 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器 的輸入為芯片引腳 xtal1，輸出端為引腳 xtal2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩 器和電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機內部時鐘方式的振蕩電路如圖 3.6 所 示。 圖 3.6 單片機片內振蕩電路 電路中的電容 c1和 c2常選擇為 30pf 左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要 求，但電容的大小會影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的 穩(wěn)定性。而外接晶體的振蕩頻率的

52、大小，主要取決于單片機的工作頻率范圍，每一 種單片機都有自己的最大工作頻率，外接的晶體振蕩頻率不大于單片機的最大工作 頻率即可。此外，如果單片機有串行通信，則應該選擇振蕩頻率除以串行通信頻率 可以除盡的晶體。本設計晶振采用 12mhz，則計數周期為 s hz t ）（ 1 1211012 1 6 3.4.2 復位電路的設計復位電路的設計 stc89c54 單片機的復位輸入引腳 ret 為 stc89c54 提供了初始化的手段。有 了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的 0000h 地址單元開始執(zhí)行 程序。在 stc89c54 的時鐘電路工作后，只要在 ret 引腳上出現兩個機器周期

53、以上 的高電平時，單片機內部則初始復位。只要 ret 保持高電平，則 stc89c54 循環(huán)復 位。只有當 ret 由高電平變成低電平以后，stc89c54 才從 0000h 地址開始執(zhí)行程 序。 本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，如圖 3.7 所示，是常用復位電路之 一。單片機復位通過按動按鈕產生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源， 電容 c 相當于瞬間短路，+5v 立即加到 ret/vpd 端，該高電平使 stc89c54 全機 自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。 按下按鈕，則直接把+5v 加到了 ret/vpd 端從而復位稱為手動復位。復

54、位后，p0 到 p3 并行 i/o 口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有 sbuf 寄存器狀態(tài)不確定。 圖 3.7 按鍵復位電路 工作原理：上電瞬間，rc 電路充電，rst 引腳出現高電平，只要 rst 端保持 10ms 以上高電平，就能使單片機有效地復位。 3.4.3 顯示電路的設計顯示電路的設計 本設計中采用 lcd1602 顯示。在單片機系統(tǒng)中，通常用 lcd 顯示器來顯示各 種數字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此 使用非常廣泛。 圖 3.8 為 lcd1602 硬件接線圖。 1234 a b c d 4321 d c b a title number

55、revisionsize a4 date:8-may-2011 sheet of file:e:2011件件件件件件czcjjq.ddbdrawn by: db0 7 db1 8 db2 9 db3 10 db4 11 db5 12 db6 13 db7 14 e 6 rs 4 rw 5 u2 1602 r1 1k r2 1k r3 1k r4 1k r5 1k r6 1k r7 1k r8 1k vcc s2 sw-pb s3 sw-pb s4 sw-pb 12 y1 11.0592m c1 30p c2 30p r9 res2 10k s5 sw-pb c3 10uf vcc p10 1

56、p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 int1 13 int0 12 p17 8 t0 14 t1 15 ea 16 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p27 28 vcc 40 gnd 20 u1 89ssc52 vcc 1 2 3 p1 header 3 v

57、cc vcc 1 2 p2 header 2 vcc 件件件件 件件件件 圖 3.8 顯示電路 圖 3.9 為 lcd1602 總線方式。 圖 3.9 lcd1602 總線方式 表 3.2 為 lcd1602 接口信號說明。 表 3.2 lcd1602 接口信號說明 表 3.3 為 lcd1602 基本操作時序。 表 3.3 lcd1602 基本操作時序 表 3.4 為 lcd1602 狀態(tài)字說明。 表 3.4 lcd1602 狀態(tài)字說明 表 3.5 為 lcd1602 ram 地址映射。 表 3.5 lcd1602 ram 地址映射 表 3.6 為 lcd1602 指令說明。 表 3.6 l

58、cd1602 指令說明 第四章第四章 出租車計價器系統(tǒng)軟件程序設計出租車計價器系統(tǒng)軟件程序設計 4.1 概述概述 在硬件設計完畢之后，接下來就是設計中最核心和最為主要的軟件部分設計。 所謂軟件設計就是把軟件需求變換成軟件的具體設計方案(即模塊結構)的過程。模 塊化結構設計即是根據要求和硬件設計的結構，將整個系統(tǒng)的功能分成許多小的功 能模塊，再根據這些小的功能模塊進行程序編寫的過程。這樣的設計方法，使得系 統(tǒng)的整個功能和各部分的功能趨于明朗化。當系統(tǒng)出現問題，就可以根據功能設置 找出問題的根源，從而更快地解決問題。所以說，在整個設計過程中，軟件設計必 須與硬件設計緊密地結合在一起。 基于霍爾傳感

59、器出租車計價器系統(tǒng)的軟件設計包括上電初始化程序、中斷子程 序、里程調用子程序等幾大部分。由于要實現很多功能，所以采用模塊化設計，下 面就其主要部分分別加以分析。 4.2 出租車計價器系統(tǒng)總體程序設計出租車計價器系統(tǒng)總體程序設計 在主程序模塊中，需要完成對各接口芯片的初始化、出租車里程的初始化、中 斷向量的設計以及開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設置啟 動/清除標志寄存器、里程寄存器，并對它們進行初始化。然后主程序將根據各標志 寄存器的內容，分別完成啟動、清除、計程等不同的操作。 p3.7高電平為顯示里程低電平啟動計時器。中斷0用于對輪子圈數的計數輸入， 輪子每轉一圈，霍爾傳感

60、器輸出一個低電平脈沖。將根據里程寄存器中的內容計算 和判斷出行駛里程數。中斷1用于控制定時器t1的啟/停，當輸入為0時關閉定時器。 此控制信號是將輪子圈數的計數經二分頻后形成。其程序流程如圖4.1所示。 圖 4.1 主程序流程圖 4.3 中斷子程序的設計中斷子程序的設計 定時中斷是為滿足定時或計數的需要而設置的。為此在單片機內部有兩個定時/ 計數器，以對其中的計數結構進行計數的方法，來實現定時或計數功能。當結構發(fā) 生計數溢出時，即表明定時時間或計數值已滿，這時就以計數溢出信號作為中斷請 求，去置位一個溢出標志，作為單片機接受中斷請求的標志。這種中斷請求是在單 片機芯片內部發(fā)生的，因此無須在芯片