基于51單片機(jī)的出租車計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)

引言

在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展的21世紀(jì)，乘坐出租車和網(wǎng)約車出行已經(jīng)成為一種非常重要的交通出行方式。行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展讓出租車行業(yè)迎來了一場新紀(jì)元。但是在出租車行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了很多問題。經(jīng)營管理不善，司機(jī)服務(wù)不規(guī)范，隨意定價(jià)收款的現(xiàn)象也是層出不窮。為了根治這種現(xiàn)象，出租車計(jì)價(jià)器孕育而生。出租車計(jì)價(jià)器的問世不僅減少了行業(yè)的亂象，而且讓管理者和經(jīng)營者更加誠信的服務(wù)乘客，在很大程度上改善了行業(yè)風(fēng)氣。

但是目前國內(nèi)廣泛使用的出租車計(jì)價(jià)器功能單一，不能滿足人們的需求，人們更致力于一種功能齊全，生產(chǎn)成本低的出租車計(jì)價(jià)器。伴隨著科技水平的提高，出租車計(jì)價(jià)器也迎來了新的變革，這時(shí)第二代出租車計(jì)價(jià)器問世了。

設(shè)計(jì)選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，加上外圍芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)的出租車計(jì)價(jià)器。電路主要由測速模塊、時(shí)鐘模塊、測溫模塊組成。設(shè)計(jì)出功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)的出租車計(jì)價(jià)器。此設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)價(jià)器的各項(xiàng)功能要求，使用適當(dāng)?shù)慕涌谧鳛檩斎溯敵鐾ǖ?實(shí)現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)行控制，以達(dá)到對出租車各項(xiàng)性能指標(biāo)的測量，具有很大的市場前景以及開發(fā)空間。

1. 系統(tǒng)概述
   1. 設(shè)計(jì)要求

運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和專業(yè)技能，以STC89C52系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)價(jià)器的穩(wěn)定運(yùn)行。用霍爾傳感器測速測量出租車的實(shí)時(shí)速度，用延時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。設(shè)計(jì)的出租車計(jì)價(jià)器還需具有顯示時(shí)鐘和測量溫度的功能，并且能夠自動(dòng)計(jì)算費(fèi)用、設(shè)置起步價(jià)、設(shè)置每公里價(jià)格。設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)作為控制器，自帶AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)一邊有按鍵按下時(shí)，另一邊以數(shù)字的形式在LCD12864顯示屏上顯示出相應(yīng)的車速、溫度、時(shí)間以及總價(jià)。

（1）能夠設(shè)置起步價(jià)，每公里價(jià)格；

（2）能夠測量出出租車的速度并顯示；

（3）自動(dòng)計(jì)算總費(fèi)用；

（4）具有時(shí)鐘和溫度測量功能。

1. 1. 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示，設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)模塊，按鍵控制模塊和LCD12864顯示模塊組成，它們的作用分別為：

單片機(jī)模塊：數(shù)據(jù)輸入輸出的處理。

按鍵模塊：通過按鍵處理，將相關(guān)操作指令傳送至單片機(jī)處理。

顯示模塊：用LCD12864顯示屏顯示出租車計(jì)價(jià)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，顯示當(dāng)前車速、溫度、總費(fèi)用、起步價(jià)、每公里價(jià)格等功能。起步價(jià)和每公里價(jià)格也能通過按鍵進(jìn)行設(shè)置并且顯示過程。

其中單片機(jī)模塊包括測速模塊、RESET模塊、ds1302S時(shí)鐘模塊、測溫模塊。通過單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換后在LCD12864顯示屏上顯示出相關(guān)信息。再按下按鍵使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過延時(shí)進(jìn)行調(diào)速，再通過霍爾傳感器模塊進(jìn)行測速并通過顯示模塊在LCD12864上顯示出當(dāng)前的車速。設(shè)置了復(fù)位按鍵，按下復(fù)位按鍵時(shí)出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)重置至初始狀態(tài)。設(shè)有時(shí)鐘模塊將時(shí)間通過LCD12864顯示屏顯示出來。

2?系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案

2.1主控芯片的方案論證

方案一：51系列單片機(jī)

采用STC89C52作為主控芯片，管腳圖如圖2-1所示。51單片機(jī)的系統(tǒng)指令，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單。同時(shí)51單片機(jī)的I/O腳的設(shè)計(jì)和使用非常簡單，指令系統(tǒng)規(guī)范。

方案二：PIC系列單片機(jī)

采用PIC系列為核心控制器。PIC單片機(jī)將各種輸入輸出的接口都集成在一塊芯片上，它較適合應(yīng)用在功能單一的設(shè)計(jì)中。

綜上所述，根據(jù)在校所學(xué)以及掌握的理論知識(shí)，對51系列單片機(jī)的掌握更為熟練，同時(shí)價(jià)格也更為便宜的。51系列的單片機(jī)適用于相對簡單較為容易實(shí)現(xiàn)的電路。51系列單片機(jī)比PIC系列單片機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，因此選擇使用方案一設(shè)計(jì)。

圖2-1 STC89C52管腳圖

2.2?顯示模塊的方案論證

方案一：LED數(shù)碼管

采用LED數(shù)碼管為顯示模塊。數(shù)碼管能夠顯示的內(nèi)容單一，受到一些產(chǎn)品品質(zhì)要求和影響，不能做很小和顯示內(nèi)容很多的產(chǎn)品。數(shù)碼管厚大笨重，占用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸較大，同時(shí)數(shù)碼管的消耗電力大，數(shù)碼管不同于液晶產(chǎn)品，受到視角限制，數(shù)碼管屬于全視角的產(chǎn)品。

方案二：LCD12864顯示屏

采用LCD12864為顯示模塊。LCD12864顯示屏具有功耗低的特點(diǎn)，液晶分子由電壓驅(qū)動(dòng)，液晶屏基本不用耗電。但由于液晶分子的扭曲特性，導(dǎo)致液晶屏視角上有偏差，只能有一個(gè)方向的視角是非常清楚的。LCD液晶顯示屏在玻璃中間刻畫線路和灌注液晶，可以做到高精度的操作，顯示內(nèi)容多樣化，顯示顏色也多姿多彩。LCD12864管腳圖如圖2-2所示。

綜上所述，再結(jié)合出租車計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)要求，選擇LCD顯示屏作為設(shè)計(jì)的顯示模塊。因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能較多，LED數(shù)碼管能夠顯示的的內(nèi)容單一，選用LED數(shù)碼管，無法滿足設(shè)計(jì)的顯示需要。相反LCD12864顯示屏具有顯示多樣化，可承載的內(nèi)容多，可以做到高精度的操作。綜上所述，顯示模塊采用方案二設(shè)計(jì)。

圖2-2 LCD12864管腳圖

2.3電動(dòng)機(jī)的方案論證

方案一：直流電機(jī)

采用直流電機(jī)為動(dòng)力元件。安裝較為簡單，價(jià)格較為便宜。在給定的負(fù)載條件下，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要人為改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，更加有利于出租車計(jì)價(jià)器調(diào)速測速功能的實(shí)現(xiàn)。

方案二：步進(jìn)電機(jī)

采用步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力元件。步進(jìn)電機(jī)不會(huì)以連續(xù)的方式旋轉(zhuǎn)，而是以離散的步長或增量移動(dòng)，不適合模擬出租車的運(yùn)行速度。步進(jìn)電機(jī)適用于對精度要求大的設(shè)計(jì)。

綜上所述，由于本設(shè)計(jì)需要穩(wěn)定的改變速度，同時(shí)速度變化較大。另一方面直流電機(jī)較為便宜，因此設(shè)計(jì)選擇方案一，用直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)。

2.4??電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的方案論證

方案一：L298N驅(qū)動(dòng)

采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)為控制器。如果改變輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。更適用于模擬小車行駛。它擁有雙通道輸出，A輸出和B輸出，可以實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)進(jìn)行不同的控制與操作。

方案二：ULN2003驅(qū)動(dòng)

采用ULN2003芯片作為控制器。ULN2003能夠承受高壓，內(nèi)部是非門，輸入與輸出是相反的。它的電壓增益高，溫度范圍寬。在工作時(shí)電壓高。

綜上所述，電機(jī)選用5V直流電機(jī)，設(shè)計(jì)只需要用電機(jī)模擬車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對電機(jī)的控制與操作要求低。用ULN2003驅(qū)動(dòng)較為簡單，更容易實(shí)現(xiàn)要求，因此選用ULN2003驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

3??測速模塊的方案論證

方案一：霍爾傳感器測速

采用霍爾傳感器測速?；魻杺鞲衅骶哂蝎@取信息準(zhǔn)確、體積小、測量范圍廣、精度高等優(yōu)點(diǎn)。霍爾傳感器對環(huán)境的要求低，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單。但是該方案利用線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，易受到電磁波干擾。

方案二：采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，

采用光電式測速。主要原理是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。它獲取信息準(zhǔn)確，但對環(huán)境的要求較高，容易受到環(huán)境中的光干擾。

綜上所述，由于光電轉(zhuǎn)速傳感器對環(huán)境的要求較大同時(shí)需要光源才能進(jìn)行測速，相反霍爾傳感器測速對環(huán)境要求較低，結(jié)構(gòu)簡單，再加上學(xué)習(xí)過霍爾傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，對霍爾傳感器掌握程度遠(yuǎn)高于光電式轉(zhuǎn)速傳感器。因此選用霍爾傳感器作為設(shè)計(jì)的測速模塊。

1. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
   1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
      1. STC89C52芯片模塊電路設(shè)計(jì)

依據(jù)所選的方案，選用STC89C52作為出租車計(jì)價(jià)器的主控芯片，利用STC89C52的各個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需要的各個(gè)功能。單片機(jī)端口可以控制顯示模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、溫度傳感器模塊、霍爾傳感器模塊以及DS1302時(shí)鐘模塊，還能控制各個(gè)按鍵的功能。設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的P10，P11接口和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連。使用P37接口與溫度傳感器模塊相連。使用P12，P13，P14接口連接K1，K2，K3按鍵。用P32接口連接霍爾傳感器模塊。用P20，P21，P22接口連接DS1302時(shí)鐘芯片。P9接口連接復(fù)位電路。P18，P19接口連接晶振電路。電路設(shè)計(jì)簡單，STC89C52芯片模塊電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示。

圖3-1 STC89C52電路設(shè)計(jì)圖

3.1.2?系統(tǒng)晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路能夠產(chǎn)生和時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確的振蕩電路，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，用于控制單片機(jī)程序執(zhí)行的節(jié)拍和時(shí)序。Y1兩端接入單片機(jī)的XTAL1和XTAL2，接入兩個(gè)大小為30PF的電容。晶振電路設(shè)計(jì)如圖3-2所示。

圖3-2 晶振電路設(shè)計(jì)圖

3.1.3?復(fù)位電路設(shè)計(jì)

使用單片機(jī)的RST接口連接復(fù)位電路，設(shè)計(jì)的復(fù)位電路由10uF的電容和10k的電阻接入RESET按鍵組成復(fù)位電路，設(shè)計(jì)如圖3-3所示。

圖3-3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖

???????3.1.4?電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的5V電源供電，為單片機(jī)提供電源，保障單片機(jī)工作電壓的溫度。電源電路設(shè)計(jì)如圖3-4所示。

???????3.2?按鍵控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，設(shè)置三個(gè)控制按鍵，分別命名K1、K2、K3。利用單片機(jī)的P12，P13，P14接口實(shí)現(xiàn)對出租車計(jì)價(jià)器設(shè)計(jì)的各個(gè)功能要求。通過編寫軟件代碼，當(dāng)通電時(shí)，初始狀態(tài)為空車，初始狀態(tài)會(huì)顯示時(shí)鐘和溫度。按下K2按鍵可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，再長按K2實(shí)現(xiàn)加速，長按K3實(shí)現(xiàn)減速。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)可以利用霍爾傳感器測速，并且將速度顯示在LCD12864顯示屏上，這就實(shí)現(xiàn)了出租車計(jì)價(jià)器的測速并且顯示的功能。按下K1按鍵進(jìn)入乘客已上車界面，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行測速，自動(dòng)計(jì)算總費(fèi)用并且將費(fèi)用顯示在LCD12864顯示屏上。再次按下K1按鍵進(jìn)入乘客已下車界面并且顯示總費(fèi)用。再按下K1將進(jìn)入設(shè)置起步價(jià)的界面按下K2起步價(jià)加1，按下K3起步價(jià)減1，設(shè)置完起步價(jià)后按下K1保存退出，這樣就實(shí)現(xiàn)了設(shè)置起步價(jià)的功能。繼續(xù)按下K1進(jìn)入設(shè)置每公里價(jià)格界面，按K2加一，按K3減一。設(shè)置完成后按下K1保存退出。按鍵控制電路設(shè)計(jì)如圖3-5所示。

圖3-5 按鍵控制電路設(shè)計(jì)

3.3 顯示電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的性能要求，設(shè)計(jì)了顯示燈電路設(shè)計(jì)，顯示燈電路由1K電阻R4和LED燈組成，當(dāng)出租車超速時(shí)，紅燈亮起提示超速。顯示電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ULN2003模塊作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。ULN2003由七個(gè)NPN組成，如果直接用芯片的管腳驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的話會(huì)使直流電機(jī)燒壞或者無法驅(qū)動(dòng)。IN1-IN7是輸入接口，OUT1-OUT7是輸出接口。其內(nèi)部是一個(gè)非門，輸入與輸出相反，ULN2003芯片不能直接輸出高電平，需在外部接入上拉電阻，但是設(shè)計(jì)沒有采用接入上拉電阻的方案。因此設(shè)計(jì)的電機(jī)電路在COM公共端接高電平，IN1輸入通道連接單片機(jī)的P10接口接入高電平信號(hào)，IN2輸入通道連接單片機(jī)P11接口，OUT1輸出通道輸出低電平，這樣就能完成對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3-7所示。

圖3-7 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1主函數(shù)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要使用到一下五種模式：無乘客、乘客以上車、乘客已下車、設(shè)置起步價(jià)、設(shè)置每公里價(jià)格。系統(tǒng)主函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程如圖4-1所示。前三個(gè)模式下操作基本相同，模式一的基本參數(shù)比模式二和模式三少，因?yàn)楹竺鎯煞N模式涉及到計(jì)算公里數(shù)和總價(jià)等等參數(shù)?；緟?shù)包括溫度、時(shí)間、起步價(jià)、是否有乘客乘坐或乘客上下車狀態(tài)。以上所有模式按下K1都是切換到下一個(gè)模式，區(qū)別不同的是前三種模式下K2和K3是用于調(diào)速使用，后兩種模式是用于調(diào)節(jié)價(jià)格。初始化系統(tǒng)采集時(shí)鐘參數(shù)采集溫度參數(shù)顯示基本參數(shù)，接到乘客開始計(jì)費(fèi)，乘客下車設(shè)置下一次起步價(jià)和設(shè)置下一次每公里價(jià)格。

部分程序：

#include "lcd12864.h"

#include "pwm.h"

#include "ds1302.h"

#include "key.h"

#include "ds18b20.h"

sbit MOTER=P1^0;

sbit LED=P1^1;

u8 t=0;

u8 key_value=0;

u8 flag=0;

u8 Ttemp_value=0;

u8 PF=5;

u8 duty=0;

u8 time=0;

float zprice=0;

void show_base();

void flagzero();

void flagone();

void flagtwo();

void flagthree();

void getandshow();

void main()

{

lcd12864_init();

ds18b20_init();

PWM_Init();

Exter0_Init();

Timer1_Init();

//???? ds1302_init();

while(1)

{

if(flag==0)?? flagzero();

else if(flag==1)? flagone();

else if(flag==2)? flagtwo();

else if(flag==3)? flagthree();

}

}

void flagzero()

{

u8 flag0key=0;

zprice=0;

duty=0;

MOTER=0;

TR0=0;

show_base();

lcd12864_show_string(4,1,"乘客未上車！");

while(flag==0)

{

if(t==255)??? getandshow();

flag0key=key_scan(0);

if(flag0key==1)? flag++;

else if(flag0key==2&&duty<=90)

{

duty+=10;

}

else if(flag0key==3&&duty>=10)

{

duty-=10;

}

if(duty>=time)??? MOTER=1;

else MOTER=0;

if(duty>=80)

{

LED=1;

}

else

{

LED=0;

}

t++;

}

lcd12864_clear();

}

void flagone()

{

u8 flag1key=0;

MOTER=0;

duty=0;

TR0=0;

show_base();

lcd12864_show_string(4,1,"乘客已上車！");

while(flag==1)

{

if(t==255)??? getandshow();

flag1key=key_scan(0);

if(flag1key==1)? flag++;

else if(flag1key==2&&duty<=90)

{

duty+=10;

}

else if(flag1key==3&&duty>=10)

{

duty-=10;

}

if(duty>=time)??? MOTER=1;

else MOTER=0;

if(duty>=80)

{

LED=1;

}

else

{

LED=0;

}

t++;

}

lcd12864_clear();

}

void flagtwo()

{

u8 flag2key=0;

MOTER=0;

duty=0;

LED=0;

TR0=0;

show_base();

lcd12864_show_string(4,1,"乘客已到達(dá)！");

while(flag==2)

{

if(t==255)??? getandshow();

flag2key=key_scan(0);

if(flag2key==1)? flag++;

t++;

}

lcd12864_clear();

}

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