出租车计费系统设计毕业论文定

i目 录摘 要 .1第 1 章 绪论 .2第 2 章 系统设计 .32.1 系统组成 .32.1.1 计费及显示 .32.1.2 时钟及显示 .32.1.3 计费开始提示 .12.2 功能模块设计 .1第 3 章 硬件及软件实现 .33.1 传感器 .33.1.1 光电传感器电路设计 .33.1.2 车轮光电开关检测电路 .43.2 单片机 .43.2.1 8051 单片机功能方块图 .53.2.2 AT89S51 单片机简介 .73.2.3 AT89S5l 与 51 系列单片机相比具有如下特点 .83.2.4 89S51 的内部框图 .93.2.5 中断控制 .113.2.6 单片机控制程序设计 .123.2.7 单片机汇编语言源程序 .163.3 显示及按键控制系统 .313.3.1 LED 数码管 .313.3.2 数据显示电路的设计 .32第 4 章 系统检测及分析 .344.1 系统仿真/硬件验证 .344.1.1 系统的调试方法 .344.1.2 系统的硬件验证 .344.2 设计技巧分析 .35结 论 .36附录 A: FPGA 芯片引脚 .371摘 要本系统电源电压为+16V，速度传感器具有汽车每运行 1提供 1000 个脉冲信号的特性。显示器可以采用 LED 数码管。系统采用单片机和 FPGA 的结合进行系统的主体设计,测控 FPGA 芯片通过采集传感器脉冲信号 WCLK 进行里程计算,里程计费,利用外部脉冲信号 SCLK 产生标准时钟信号,以计算等待时间,等待费用,并产生里程标志(LCBZ),等待标志(DDBZ),熄灯标志(XDBZ)等有关控制标志信号,同时根据单片机发出的开始信号（START） ，时段标志（SDBZ） ，传输数据选择（SEL）等控制信号将有关计算结果传送给 FPGA 芯片。单片机 MCU 除了完成键盘扫描，显示控制外，还通过 P0 口与 FPGA 进行数据交换，并向测控 FPGA 芯片发出有关控制信号。本设计方案利用单片机和 FPGA 的结合，发挥它们各自的长处，分工清晰，实际使用和操作符合大众逻辑，容易被人接受。而且，单片机丰富的I/O 口和 FPGA 模块化的设计为系统功能的扩展提供了空间和便利。关键词 计费系统，单片机，FPGA 芯片2第 1 章 绪论出租车是现代人类的重要交通工具，而出租车的计费系统的安全性和先进性是人们普遍关心的问题，要求计费器性能稳定，计费准确，以及预防司机作弊行为等等都关系到乘客的切身利益。因此，设计出符合人们普遍要求及放心的产品具有重要的意义。同时，设计该系统所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，对电子信息工程专业的就业方向有初步认识，将理论与实际有机联系起来。应该是对以前所学知识的一次审核吧！本设计主要介绍了出租车计费系统的设计思路和过程，并给出了所涉及的相关知识的详细介绍。EDA 技术应用，单片机的功能及应用，传感器检测技术，VHDL 编程语言及汇编语言程序，显示系统设计及按键控制，等等。第一部分为绪论,第二部分为方案论证，第三部分为系统设计，第四部分是硬件及软件实现，第五部分系统检测及分析，第六部分是结论，第七部分是附录,第八部分是参考文献，第九部分是致谢.目前，普遍的出租车计费器仅仅具有时钟，起步价，里程计费，等待计费及显示几个功能。其发展前景是可观的，将来的产品除具有这些功能外，另外还可增加如下功能：防作弊功能，IC 卡付费：顾客能在制定点购买一定额度的“顾客IC 卡”，乘车后可用 IC 卡付帐，付帐是否成功有相应的提示。车主可定期将总营业额写入“ 车主 IC 卡” 中，并据此 IC 卡向所属公司领取报酬。车票资料打印：顾客付费后可打印发票，打印内容包括车主信息和车费信息等。可打印车主总营业额信息。语音播报：当乘客上车时，可自动问候乘客，当到达目的地，自动播报乘车费用并礼貌再见，表达希望下次乘坐的意思。增加的这些功能将会更好地为乘客服务。本系统设计也可应用于其他计费系统中，如电脑计费系统等等，其应用技术也有相当范围的应用面，如显示和播报部分也可应用于智能饭卡智能电动车机器人等电子相关产品中。可见掌握了该系统的设计和分析可实现对电子专业知识的具体应用，增强理论联系实际的能力。除此以外，所涉及的知识面也联系到现实生活中很多相关电子产品，也将对其他电子产品有一定理论基础。信息工程学院毕业设计（论文）3第 2 章 系统设计2.1 系统组成其中系统电源电压为+16V。速度传感器不需要进行设计，假设它具有汽车每运行 1提供 1000 个脉冲信号的特性。显示器采用 LED 数码管。具体功能要求如下：速度传感器电 路 主 板汽 车 电 瓶+ 9 + 1 6 VV空 车 指 示 牌显 示 器L E D / L C D/D C / D C( + 5 V )图 2.1 系统方框图2.1.1 计费及显示里程，即汽车行程里程，用四位数字显示，显示方式为“XXX.X” ，单位为，精确到 0.1。 单价，即里程单价，用三位数字显示，显示方式为“X.XX” ，单价为元/，根据每天不同的时间段有两种情况：当时间段为 06：0023：00 时单价为 1.4元/，其他时间段内单价为 1.80 元/。 等候时间，用四位数字显示分钟和秒，显示方式为“XX：XX” ，等候的定义是：当汽车行驶速度小于或等于 12/h 时为“等候” 。在等候时间大于 1 小时的情况下，可以不显示等候时间，但必须对等候时间进行统计计算。等候单价，等候单价有两种情况：在等候时间小于 1 小时的情况下，等候单价为 1 元每 5 分钟；在等候时间大于 1 小时的情况下，等候单价为 20 元每小时。 费用的计算，出租车的起价为 5.00 元，当里程小于 2时，按起价计算费用；当里程大于 2时按下式计算费用：费用=里程*里程单价+等候时间*等候单价。费用的显示，用五位数字显示，显示方式为“XXX.XX” ，单价为元。2.1.2 时钟及显示 当出租车在通常运行状态下，应能显示当前的时间，在汽车熄火的情况下，时钟必须正常运行，但是可以不显示时钟.12.1.3 计费开始提示 当出租车载上乘客并起步后，将空车指示牌扳倒时，空车指示牌里的指示灯熄灭，并有语音或灯光提示信号。传 感 器时 钟 信 号D I S P L A YP 3 . 0 - P 3 . 1P 0P 2 . 2 - P 2 . 0P 2 . 3P 2 . 7P 2 . 4P 2 . 5P 2 . 6R E S E TP 1 . 0 - P 1 . 5M C UX D B ZD D B ZL C B ZS T A R TS D B ZS E LD A T A复 位F P G A83W C L KS C L K显 示 切 换确 定修 改启 动 空 车 牌图 2.2 总体原理框图2.2 功能模块设计根据系统的设计要求，将整个测控 FPGA 系统 CZJFXT 分为七个模块，它们分别是：分频器模块 FPQ，等待判别模块 DDPB，里程计算模块 LCJS，里程计费模块 LCJF，等待计时模块 DDJS，等待计费模块 DDJF，输出数据选择模块 SCXZ。分频器模块 FPQ：将外部时钟信号 SCLK（设计时假设为 1024HZ）经过适当分频后，产生 1HZ 的系统工作用基准时钟信号 CLK1HZ，供给系统中的有关模块计时用。等待判别模块 DDPB：根据速度传感器脉冲信号 WCLK 和分频器产生的基准时钟信号CLK1HZ，计算单位时间里 WCLK 的脉冲个数（每产生 1000 个脉冲信号，即每米产生 1个脉冲信号） ，亦即出租车行驶速度，从而判别出租车是否处于等待状态，发出等待标志信号 DDBZ。当速度大于 12/H，即速度大于 200M/MIN 时，出租车处于运行状态，这时等待标志 DDBZ=0；当速度小于等于 12/H，即速度小于等于 200M/MIN 时，出租车处于等待状态，这时等待标志 DDBZ=1。该模块的 VHDL 程序设计可分为三个进程：60S 周期性跳变信号产生进程，每分钟行驶距离计算进程，等待标志判别进程。等待标志判别进程就是比较每分钟 WCLK 脉冲个数与等待状态 WCLK 脉冲临界个数 200 的大小，从而确定DDBZ 的赋值。里程计算模块 LCJS：根据速度传感器脉冲信号 WCLK 和等待标志 DDBZ，对出租车行驶的里程数 XSLC 进行计算，同时发出里程标志信号 LCBZ 和里程计费标志信号 JFBZ。如果 LCBZ=1，说明行驶距离超过 2，里程计费启动；如果 LCBZ=0，说明没超过 2，按起价计费，每行驶 1应计费 1 次，并且计费的启动信号应是某一时刻，因此每行驶 1，2计费标志信号 JFBZ 应跳变 1 次。该模块的 VHDL 程序设计可分为两个进程：里程计算及标志产生进程，产生计费信号进程。产生计费信号进程就是每行驶 10 百米（即 1）JFBZ 由低电平 0 变为 1，经过一个系统时钟周期后 JFBZ 又回复到低电平 0，里程计费模块 LCJF 就是在 JFBZ 脉冲信号的上升沿到来时进行计费的加法操作。里程计费模块 LCJF：在计费标志信号 JFBZ，等待标志信号 DDBZ，里程标志信号LCBZ 和时段标志信号 SDBZ 等信号的控制下，计算行驶里程超过 2以上里程的费用LCFY。该模块的 VHDL 程序是通过由多个条件控制的加法进程来完成里程计费的，里程计费的条件是在 DDBZ=0，并且在 JFBZ 的上升沿根据 SDBZ 分别进行加法计费操作。当SDBZ=1 时，表示在 06：0023：00 时段，其单价 SD1 为 1.4 元/；当 SDBZ=0 时，表示其他时段，其单价 SD2 为 1.8 元/。如果 LCBZ=1，说明行驶距离超过 2，里程计费启动；如果 LCBZ=0，说明没超过 2，按起价计费。等待计时模块 DDJS：在等待标志信号 DDBZ 和基准时钟信号 CLK1HZ 的控制下，进行等待时间 DDSJ 的计算，其中 DDSJ 的低 8 位表示等待时间的秒数，DDSJ 的高 8 位表示等待时间的分钟数，同时根据等待时间的长短发出一个熄灯标志信号 XDBZ。当等待时间小于等于 1 小时，XDBZ=0，等待时间显示灯亮；当等待时间大于 1 小时，XDBZ=1，等待时间显示不亮。该模块的 VHDL 程序是通过一个多层嵌套的加法进程来完成等待计时的。等待计费模块 DDJF：在等待标志信号 DDBZ 和熄灯标志信号 XDBZ 控制下，进行等待费用 DDFY 的计费操作。该模块的 VHDL 程序包括两个进程：60S 周期性跳变信号产生进程，等待费用计算进程。等待费用计算的条件是在 DDBZ=1 并且在 60S 周期性跳变信号 T60S的上升沿，根据 XDBZ 分别进行加法计费操作。当 DDBZ=1 且 XDBZ=0 时，按 1 元/5 分钟，即 20 分/分钟计费；当 DDBZ=0 且 XDBZ=1 时，按 20 元/小时，即 33 分/分钟计费。输出数据选择模块 SCXZ：根据单片机发出的数据传输选择控制信号 SEL，选择有关计算处理结果传输给单片机。3第 3 章 硬件及软件实现3.1 传感器传感器通常是指能感受并能按一定规律将所感受的被测非电量(包括物理量、化学量、生物量等) 转换成便于处理与传输的电量(一般为电量,也有少数为其他物理量,如光信号)的器件或装置。光电传感器是把光信号转换为电信号的传感器，光电传感器的种类极多。它们共同的特点是响应速度快，易于实现非接触测量，非常适于与计算机接口。3.1.1 光电传感器电路设计光电传感器工作时，大致应用了三种效应：通过光子与物质的相互作用能直接得到电信号的量子效应；光被物质吸收变成热量后，利用热电转换得到电信号的热效应；光作为一种电磁波，直接与物质相互作用，从而感应出电信号的波动相互作用效应。反射式光电传感器是用来检测黑白线条的，如图 3.1.1(a)所示 由于黑白物体的反射系数不同，利用反射光可以使光敏三极管实现导通和断开，调节传感器与被测对象之间的距离，使光敏三极管只能接受到白色物体反射回来的光束。而黑色物体的反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。 从而实现对黑白线条的检测。还要在输出信号处加个控制电路,如图 3.1.1(b)起隔离强信号和方波整形的作用.(a)(b)图 3.1.1 反射式光电传感器43.1.2 车轮光电开关检测电路由于要测出出租车的运行速度，每 1 千米产生 1000 个脉冲信号并计算出单位时间里的脉冲个数，转换成车轮所转的圈数，即产生脉冲数的多少。在该设计中采用在车轮的转盘上安装一个 3 条黑白线均匀的圆盘，再用光电开关来检测，如下图 4.1.2 所示，当出租车运动时，车轮转动，光电传感器利用接收黑白电平时输出的高低电平，当光电传感器检测到黑色条纹时，输出高电平给单片机，相反当检测到白色条纹时输出低电平，从而把连续输出高低电平转化为脉冲数，也就把电机转动时带动有黑白线的圆盘黑白条数转换成脉冲数，从而测试出出租车运行速度。Optoisolator1U11KR1 11KR2+5传传传传传+5Text74HC14IOB2 or IOB3图 3.1.2 光电检测电路用一张贴有黑色胶带的白纸,让光电传感器离纸不到5cm的平面上与胶带垂直经过,看计数是否与所经过的的胶带数目相等,若多次测试都是吻合的,则此光电传感器良好.3.2 单片机单片机既是一个微型的计算机，它具有组成计算机系统的三个要素：CPU、内存与I/O。CPU：运算或逻辑上的判断；内存：存放程序与数据；I/O：与外界沟通的桥梁。图 3.2.1 单片机简图CPU中央处理器Memory内存I/O输入/出设备53.2.1 8051 单片机功能方块图图 3.2.2 8051 单片机功能方块图振荡及时序单元（OSC）：8051 内部有晶体振荡电路，只要在外部加上石英振荡晶体，即可产生频率非常稳定的振荡信号，这个振荡信号正是 8051 的心脏，所有 8051 的时钟序列都以此振荡信号为基准。内部数据存储器（Data Memory）：当程序在运行时，有些数据是经常在变动的，例如 LED 的显示状态或显示值等，它会因 I/O 测量的结果而变动，这些值就暂时放置在此区域中，供其他程序进一步读取，这也代表此区域是可以随时读写的。8051 系列的 CPU 提供 128 个字节可读写的数据存储单元，52 系列的 CPU 则提供 256 个字节的数据存储单元，这个数据区域中有一段区域 16个字节共 128 位是可以进行位寻址的，MCS51 系列的 CPU 有相当强的位处理指令，可以妥善且有效地运用该数据存储器，使用方法将在 8051 的指令说明中再详述。内部程序存储器（Program memory）：这段区域用于存放我们的应用程序，而且这部分一经确认后是永远不做修改的。8051 系列的 CPU 提供内部 4096 个字节（4KB ）的程序存储器，8052 系列的 CPU 则提供2 倍即 8192 个字节（8KB）的程序存储器，而 8031 和 8032 则不含此单元。此单元可以使 CPU 选择由内部的程序区启动或由外部的程序区启动，内部的程序区启动具有保护功能，后者成本较为低廉。在 8051 系统中特地将程序区和数据区分隔开，两者最大的差异SERIAL PORT4 I/O PROTBUS CONTROLOSC振荡与时序CPU8051 COREETC（TIMER2）TIMER1TIMER0ON-CHIPRAM128/（256）BytesON-CHIPPROGRAMMEMORY4K/（8K）INTERRUPTCONTROLINT1 INT0EXTRNALINTERRUPTS指令分析中断系统统控制总线 串行接口并行接口TXD RXDP0 P2 P1 P3ROM RAMWRDPSENALECOUNTERINPUTS定时/计数器EAEXTRNALINTERRUPTSTIMER0TIMER1（TIMER2）SERIAL6是后者可以读取和写入，简而言之，PROGRA MMEMORY 就是 ROM，DATA MEMORY 则是 RAM。定时/计数器（Timer/Counter）：51 系列的 CPU 有 2 个定时/计数器，而 52 系列 CPU 则有 3 个定时/ 计数器，每个定时/计数器又有多种模式可供选择。串行接口（Serial Port）：8051 可通过此接口与外部的计算机等设备连线交换信息，也可以通过此接口进行 I/O的扩充。并行输入/出端口（Parelled I/O）：不论是 8051 或 8052 单片机都有 4 个输入/出端口，总共有 32 个输入/出，而且每个点都可以单独定义成输入或输出。控制总线（