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中英文摘要 出租车计价器使用误差检定系统的研制 专业机械电子工程 硕士研究生赵军指导教师袁中凡 出租汽车计价器是一种出租汽车专用的计量仪器，国家将其列为实行强制 检定的工作计量器具。计价器的检定分为本机检定和使履退差检定两个部分， 本系统是针对计价器的使用误差的检定。但是，目前很多检定装置在检定过程 中，需要人工记录计价器的检定数据，并由人工计算出检定项目的各项误差以 及人工进行判断，这种方法不仅工作效率低、操作复杂，而且极易出现错误。 本文研制的出租汽车计价器使用误差检定系统分检定装置、下位机和上位 机三个部分，集计价器速度、里程的数据采集、误差的计算、检定记录信息的 存储、管理及证书打印为一体，可以完成出租车计价器的使用误差的检定。因 此，在很大程度上提高了计价器检定工作的效率。 本文首先根据目前出租汽车计价器检定工作进行分析，对检定装置和检定 方法进行了合理的选择，提出了系统的总体设计方案。 然后重点论述了系统的硬件电路部分的设计方法，包括单片机系统的扩展、 对采样信号的分析计数、系统可靠性设计以及单片机。 接着论述利用v c + + 6 0 编制数据库管理软件的方法，包括o d b c 开放式 数据库互连技术、m sa c c e s s 数据库的设计以及p c 机与单片机串行通信技术、 m f c 编程机制的实现。 最后对本测试系统的设计作了一个小结。 关键词：出租汽车计价器，单片机，串行通信，使用误差检定，v c + + 6 o 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着我国汽车工业的发展和国人生活水平的显著提高，出租汽车 行业迅猛发展，出租汽车已经成为我国城市公共交通的重要组成部分和现代化 城市必备的基础设施，成为人们工作、生活中不可缺少的交通工具。出租汽车 服务行业和出租汽车计价器紧密相关，因为出租汽车必须安装出租汽车计价器 才能投入营运。出租汽车计价器是一种能根据乘客乘坐汽车行驶距离和等候时 间的多少进行计价，并直接显示车费值的计量器具。 1 1 课题提出的背景 计价器是出租汽车的经营者和乘坐出租汽车的消费者之间用于公平交易结 算的工具，因而计价器计价准确与否，直接关系到经营者和消费者的经济利益。 依据国家有关法律、法规，出租汽车计价器是被列入国家首批强制检定的工作 计量器具之一，也是近年来国家质量技术监督部门强化管理的六类重点计量器 具之一。因此，对于计价器的检定工作有着必要性和迫切性n 1 。 1 1 1 出租汽车计价器 出租汽车计价器作为一种集计程、计时、时钟和车速等多种计量功能于一 体的专用计量仪器其所用功能是与出租车收费标准密切相关的，它安装在出租 汽车上，通过连接在车辆变速箱输出端齿轮的传感器传送电脉冲信号来记录车 辆营运里程，按特定的计价收费模式连续累加并直接指示出行程中任一时刻乘 客应付费用的总数，其金额值是计程和计时时间的函数。可见计程和计时是计 价器计价的依据口3 。计程指重车( 车辆处于租用状态) 时计价的里程，计时指重车 低速状态时计价的时间。计程可分为起程和续程两部分，起程是租用车辆的最 低计价里程，续程是在起程以后的最小计价里程。计时同样也分为起始时间和 后续时间，起始时间是与起程相对应的计价时间，后续时间是起程后的最小计 价时间，是与续程相对应的计价时间。由此看出，计程和计时可以相互进行等 效折算参与计费。出租汽车计价的计算方法是：乘客租车后，在起程内均按起程 计价，超过起程后，每开始增加一个续程就增加一个续程车费，同样在起始时 1 四川大学硕士学位论文 间内均按起始时间计价，超过起始时间后，每开始增加一个后续时间就增加一 个后续时间车费，逐次累加。计价器的计价显示是按照一定间隔，作跳跃式变 化的。起程、续程值和起始时间，后续时间值的大小一般是根据当地诸因素如 城市大小、交通情况、生活和物价水平等人为确定的，各地标准并不相同。通 常起程应大于续程，按照国家有关标准，起程的要求值为l k m 的整数倍，推荐 值为3 ，4 ，5 k m 。续程的要求值为0 1k m 的整数倍，推荐值为o 5 k m ，后续时间 的要求值为每累计3 0 s 的整数倍加收相应的租金，推荐值为每累计2 分3 0 秒加 收o 5 k m 的租金。计价器的准确与否关系到广大人民的利益，为保证在使用的 出租汽车计价器计价功能符合收费标准，必须严格的做好计价器的检定工作。 1 1 2 计价器使用误差检定的检定装置 出租车计价器的检定按照1 9 9 8 年颁布实施的j j g 5 1 7 1 9 9 8 出租汽车计 价器国家计量检定规程，1 9 9 1 年颁布实施的j j g 7 3 8 1 9 9 1 出租汽车计价器 标准装置国家计量检定规程，1 9 9 0 年o i m l 组织起草的电子式出租汽车计 价器国际建议第一预备草案，三份技术规程规定，出租车计价器主要检定两 项误差，即本机误差和使用误差船1 。 本机误差检定是在出租车计价器未装车前进行的检定，使用误差检定是出 租车计价器装车后，模拟汽车行驶时对计价器进行的检定。本文研制的检定系 统就是针对使用误差的检定。 对于使用误差的检定，首先，是选择科学实用的标准装置，纵观世界发达 国家和地区所使用的标准装置均为滚轮式类型，差别主要如下： 1 ) 滚轮周长的差别，如日本1 m ，德国2 m ； 2 ) 滚轮转速( 车速) 的差别，如日本6 0 l ( 1 i 沛，德国4 0 l ( 1 i 泊； 3 ) 驱动方式的差别，主动式和被动式； 显然，这些差别不会影响检定结果，因为这类装置都能很好地模拟汽车在 路面上行驶的状况。本系统采用的检定装置主滚轮周长1 m ，驱动方式主动式 和被动式可选。 1 1 3 计价器使用误差检定的检定方法 众所周之，出租车计价器它不能单独使用，必须安装到汽车上才可以发挥 其作用，同时，它又与出租车的收费密切相关。这就决定了它必须进行两步检 第一章绪论 定即未装车前的本机检定和装车后的使用误差检定。本文研究的是使用误差检 定即装车后的计价器的误差检定。 目前出租车计价器的使用误差检定方法分为：手动检定方法；半自动检定 方法和全自动检定方法h 1 。 手动检定方法：引导车辆、启动检定装置、采样、记录、关闭装置、采样 点误差计算、判断以及开具检定证书均有人工完成，此方法效率低，易出错。 半自动检定方法：仅引导车辆、启动、关闭检定定装置和采样由引车员操 作，其余均有系统自动完成。效率高。 自动检定方式：仅引导车辆由引车员操作，其余操作均由系统自动完成， 此方法效率最高。但所需成本投入高。 本课题采用的半自动检定方式，效率高，只需操作人简单的操作即可，同 时整个系统的成本不高。 1 2 本课题设计意义与主要工作 随着汽车工业的发展以及交通的便利，出租汽车行业迅速发展，而且出租 汽车的数量也迅速的增多，出租车计价器的需求量相应增大，计量单位对计价 器检定的任务越来越繁重，而以往计量单位进行计价器检定的方法已经逐渐不 能满足需求。为了提高出租汽车计价器检定工作的效率和质量，研制一种新型 的自动化程度高的计价器使用误差检定的管理系统有着迫切的要求。 本系统集计价器检定、数据采集、数据存档、数据查询、证书打印为一体， 能对出租汽车的里程、速度进行检定，同时可以对相关参数设置，并且可以实 现对计价器的记录信息进行数据库式的管理和维护，可以很方便的随时打印出 经过检定的计价器的检定证书。该系统的运用为出租车计价器的检定和管理提 供了快捷、准确、有效的方法，减轻了检定工作人员的工作强度，提高了工作 效率。 在本课题的设计中，主要进行的工作有： 1 ) 对目前四川省内出租车计价器检定工作状况以及所存在问题进行了大 量的调研，并根据调研情况提出一个系统设计的整体设计思路。 2 ) 根据实际情况，选择合理的检定装置。 3 ) 下位机部分，设计一个以单片机为核心，具有数据采集、参数设置以 四川大学硕士学位论文 及串口数据通信等各功能的测试系统。 4 ) 编制上位机计价器数据管理软件，实现计价器检定的自动化操作、数 据处理及数据查询的数据库管理功能。 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 出租车计价器使用误差检定系统是集计价器的使用误差检定、数据采集和 处理以及数据管理于一体的趋于自动化检测系统。整个系统分检定装置部分， 下位机部分和上位机部分。检定装置部分用来模拟出租车在路面行驶时的情形， 下位机部分能对出租车加价器使用时的速度、里程和价格等参数进行检定，并 通过串口通信方式可以实现下位机与上位机的数据交换。最后，利用上位机数 据库管理软件完成对数据存储、查询以及证书的打印。 2 1 原理及不确定度的分析 2 1 1 出租车计价器的有关重要参数 1 ) 出租车计价器的常数“k ” 出租车计价器的常数“k 是表示其能正确指示1 k m 行程而必须受到的信 号数目的参数。常数k 可以表达为： ( 1 ) 如果车辆行驶时，输入出租汽车计价器的信息形式是主轴转数( 即驱 动轴是计价器输入点) ，则“k ”应表示为每公里的转数( 饥肌) 。 ( 2 ) 如果输入出租车计价器的信息形式是电信号，则常数“k 表示为每 公里的脉冲数( 朋锄) 。 根据出租车计价器的结构，常数k 可以是固定的或是可调的，目前绝大多 数计价器的常数k 是可调的。 2 ) 出租车车辆的特征系数“w ” 车辆的特征系数“w ”是表示车辆每行驶1 k m 时，输出给计价器的信号数 及其类型( 脉冲信号或转数信号) 。 这一系数可表示为： ( 1 ) 每公里行程的转数( 饥( 1 1 1 ) ； ( 2 ) 每公里行程的脉冲数( p k m ) ，这取决于与车辆行程有关的信息是输 出给出租车计价器的转数还是电信号。 气 第二章系统总体设计 由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定的温度误差，目前已较少 直接使用霍尔元件做传感器。但随着半导体工艺技术的发展，将霍尔原件、放 大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，成为霍尔传感器。为了应用 上的需要，又分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器，这里我们采用的就是 开关型霍尔传感器。开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元 件、放大器、稳压电源及集电极开路输出部分等，如图2 2 所示。 g n d 图2 2 开关型霍尔传感器内部组成图 v o 开关型霍尔传感器的工作特性如图2 3 所示，当外加的磁感应强度超过动 作点b o p 时，传感器输出低电平，但磁感应强度降到动作点b o p 以下时，传感 器输出电平不变，一直要降到释放点b r e 时，传感器才由低电平越变到高电平。 b o p 与b r e 之间的滞后( 或称为回差) 使开关动作更为可靠。同时，开关型霍 尔传感器尺寸小，工作电压范围宽、工作可靠，价格便宜。 2 ) 检定原理分析 v + 输出电平 0 4 v ( m a x )o 图2 3 开关型霍尔传感器工作特性图 b 四川大学硕士学位论文 出租车计价器使用误差的标准装置的检定原理示意图如图2 4 所示。标准 装置中有主滚轮和副滚轮，其中主滚轮的周长为l m ，当检测时，汽车的驱动 轮带动主滚轮同步旋转，而副滚轮只起支撑的作用。这样，当汽车的驱动轮带 动主滚轮每旋转一周就相当模拟了汽车在路面上行驶了1 m ，同时在主滚轮轴 端装有霍尔传感器，将主滚轮转速信号转换为脉冲信号输入单片机系统，单片 机系统对脉冲信号进行处理计算后，这样就可以计算出汽车行驶的速度和里程， 进而完成对出租车计价器进行检定。 图2 4 检定原理示意图 传感器 2 2 3 不确定度的分析 出租汽车计价器是出租汽车营运者与乘客之间进行贸易结算的计量器具， 其重要性犹如市场上的“秤”。出租汽车计价器的计量准确与否将直接关系到出 租汽车营运者和乘客的利益。因此，强化对出租汽车计价器的计量检定并将其 不确定度准确的表达出来是十分必要。过去，大多采用测量误差来表示所得测 量结果的质量。为了更完善地表示测量结果的质量，现用统一的准则对测量结 果的质量进行评定，国家质量技术监督局于1 9 9 9 年批准颁布了j j g1 0 5 9 1 9 9 9 测量不确定度评定与表示，现作为我国目前评定测量不确定度的统一技术 规范。 一、测量不确定度的定义、分类 不确定度是与测量结果相联系的一种参数，用于表征被测量之值可能的分 散程度的参数。根据国际通用计量学术语中的规定，这个参数可以是标准偏差 第二章系统总体设计 s 或是s 的倍数k s ；也可以是具有某置信概率p 的置信区间的半宽3 。 测量不确定度一般由若干分量组成，如果这些分量恒只用实验标准偏差给 出就称为标准不确定度。其中可以按统计方法计算的不确定度成为a 类标准不 确定度，而由其他方法或由其它信息的概率分布估计的不确定度称为b 类不确 定度。各个不确定度的分量都会影响到测量结果，通常用合成标准不确定度来 表示各种不确定度分量联合影响测量结果的一个最终的、完整的标准不确定度。 二里程的不确定度分析 1 ) 出租车里程的检定方法 检定出租车里程时，将速度里程检测仪设置到里程模式，驱动轮带动主滚 轮同步转动，主滚轮转数( n ) 与周长( c ) 的乘积即为汽车行驶的里程值。 2 ) 数学模型 j = 刀x f 式中：s 为行驶的里程( m ) 刀为主滚轮转数 c 为主滚轮周长( m ) 由( 2 1 ) 式可知： 里程j 的合成相对标准不确定度为： “。( s ) = ( 2 1 ) ( 2 2 ) 3 ) 计算相对标准不确定度分量 3 1 ) 、检测仪自身计数精度引入的相对标准不确定度 检测仪自身计数精度为o 1 ，由此引入的相对标准不确定度为： 甜。l = 0 1 该相对标准不确定度的可信度估计为2 5 ，则自由度 。= 去( 2 5 ) 8 二 3 2 ) 、检测仪里程量化误差玎，引入的相对标准不确定度 检测仪里程最小分辨率为1 m ，按通常检测1 k m 里程计算，量化误差引入的相 对标准不确定度分量为： 1 2 志。0 j o 四川大学硕士学位论文 该相对标准不确定度的可信度估计为2 5 ，则自由度 = 丢( 2 5 ) _ 2 8 3 3 ) 、坚定装置主滚轮周长误差c 引入的相对标准不确定度 周长c 的误差为o 2 ，即由此引入的相对标准不确定度为： “。= o 2 该相对标准不确定度的可信度估计为2 5 ，则自由度 k = 丢( 2 5 ) - 2 8 4 ) 表2 1 相对标准不确定度一览表 相对标准 不确定度来源 相对标准 自由度 不确定度分量不确定度 甜行l计数精度 0 1 8 甜 2量化误差 0 1 8 甜c主滚轮周长 o 2 8 5 ) 计算合成相对标准不确定度 由( 2 2 ) 式有： 扰。( s ) =：丽瓦f 面两丽：o 2 4 三、速度的不确定度分析 1 ) 、汽车速度的检定方法 检定汽车速度时，将速度里程检测仪设置到速度模式，驱动轮带动主滚轮 同步转动，汽车行驶速度v 与里程s 和时间t 的关系如( 2 3 ) 式。 2 ) 、数学模型 v ：兰：5 f 一1( 2 3 )v = 一= 5 f l 2 - 3 ) r 式中：s 为行驶的里程( m ) f 为时间( s ) v 为速度( 州s ) 由( 2 3 ) 式可知： 第二章系统总体设计 速度v 的合成标准不确定度为： ( 2 4 ) 3 ) 、计算标准不确定度分量 3 1 ) 、里程j 引入的标准不确定度 由里程引入的合成相对不确定度为0 2 4 ，按检定1 k m 计算，则引入的绝对不 确定度为：“。= 0 2 4 1 0 0 0 = 2 4 该不确定度分量的自由度为1 5 ，即，。= 1 5 3 2 ) 、检测仪速度量化误差h 引入的标准不确定度 检测仪速度最小分辨率为0 1 k n 沛，即量化误差引入的标准不确定度分量为： 甜们= o 1 砌厅= 0 0 2 8 m s 该标准不确定度的可信度估计为2 5 ，则自由度： v ，。= 妻( 2 5 ) _ 2 8 3 3 ) 、时间f 引入的标准不确定度 时间的精度为l 1 0 - 6 ，即甜，= l o _ 6 ； 该标准不确定度的可信度估计为2 5 ，则自由度 h = 三( 2 5 ) 8 4 ) 、 表2 2 相对标准不确定度一览表 标准标准 不确定度分量 不确定度来源自由度 不确定度 甜j里程 2 41 5 “v 1量化误差 o 0 2 88 材f时间 1 0 68 5 ) 、计算合成标准不确定度 在速度为4 0 k n ：l l l 时计算传递系数，行驶1 m 对应的时间t 约为9 0 s ， 即有： 塑：f 一：土 西9 0 四川大学硕士学位论文 堡：一姜：罂 0 1 2 一= 一一= 一i ，l af 29 0 2 甜。( v ) = = o 0 3 8 ( 聊j ) 0 1 4 砌办 2 2 出租车计价器速度里程测试仪设计思想 出租车计价器速度里程测试仪作为下位机检测部分的主体部分，是一个集 数据采样、参数设置及数据传输为一体的单片机系统。其设计思想如下。 一、单片机的选择 选用了a 仰e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机，a t 8 9 c 5 1 单片机不仅与m c s 5 1 兼容，而且片内带有4 k 字节的可擦除、可编程只读存储器的低电压、高性能8 位c m o s 微处理器n 钔。 二、系统外部的扩展 通过8 2 5 5 a 对i o 口进行了扩展，同时使用了8 2 7 9 可编程键盘、显示芯 片进行接口的扩展，实现了键盘输入和显示输出。在可靠性设计方面，使用了 m a x 7 0 6 芯片作为硬件看门狗，有效地防止了系统在受外界干扰下出现程序死 机或跑飞现象。 在数据传输方面，使用了m a x 2 3 2 芯片，m a x 2 3 2 芯片是m a x i m 公司生 产的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器。适用于e i ar s 2 3 2 c 通信接口和 单片机t t l 电平接口。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入 的+ 5 v 电源变换成r s 2 3 2 c 输出电平所需1 0 v 电压。所以，采用此芯片接口 的串行通信系统只要中一的+ 5 v 电源就可以，从而简化了整个电路设计。 2 3 上位机管理软件部分设计思想 ： 一、软件编译环境的选择 微软公司的s u a lc + + 不仅仅是一个编译器。也是一个全面的应用程序开 发环境，使用它你可以充分利用具有面向对象特性的c + + 来开发出专业级的 w i n d o w s 应用程序。s u a lc + + 作为一种程序设计语言，它同时也是一个集成 四川大学硕士学位论文 具、界面友好易操作通用性好，同时也支持o d b c ( 开发数据库互连，o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v 耐) ，对于小型的数据交换来说使用非常方便。 第三章速度里程检测仪的设计与实现 第三章速度里程检测仪的设计与实现 3 1 速度里程检测仪的构成 下位机部分的主要部件是速度里程检测仪，它是由a t 8 9 c 5 1 单片机为核心 的数据采集系统。并由信号调理电路、输入输出接口电路、看门狗电路以及串 行信号电平转换电路等部分构成外部扩展。图3 1 是下位机速度里程检测仪构 成的结构框图。 图3 1 速度里程检测仪构成的结构框图 传感器产生的脉冲信号经过信号调理电路后直接送到单片机的外部中断引 脚处理。信号调理电路有运放器和比较器构成。i 0 口扩展部分由8 2 5 5 芯片为 核心，扩展的i o 口以驱动仪器上的指示灯。输入、输出部分由8 2 7 9 芯片提供 仪器的键盘输入和l e d 显示接口。片外的e 2 p r o m 保存系统的一些设置参数， 单片机通过软件模拟1 2 c 总线的接口功能，实现单片机与片外i z c 器件的串行 通信。串行信号转换电路实质是解决单片机与p c 机的电平匹配问题，本系统 采用的是m a x 2 3 2 芯片完成电平的转换，以实现下位机与上位机的数据通信。 由于单片机自身的抗干扰能力较差，加之本系统的工作条件比较恶劣、噪声干 四川大学硕士学位论文 扰很大，为防止单片机因受外界干扰而导致死机现象，造成系统不能正常工作， 为此，系统设置了硬件看门狗。 。 3 2 下位机核心部件a t 8 9 c 5 1 单片机 3 2 1a t 8 9 c 5 1 单片机管脚分类及功能 整个下位机控制的核心采用的是a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机它属于 m s c 5 1 单片机系列，其管脚分类及功能如图3 2 所示。 一、特点 p o p 1 1 p2 p 13 p td p 15 p e p 7 r s t t 辩x o ) p 3 0 ( t d j 的 f - 订- 1 p 3 2 ( j n 下1 ) p 33 t o ) p 3 4 ( 丁1 ) p 35 册p 3 8 ( r d ) p 37 x t a l 2 x t l 1 vcc p o o a o o p o a d l ， p o 2 ( a 0 2 ) p o3 a d 3 j p o 4t a d p o 5 d 5 ) p o6 l a ) p o - 7 ( d n 琶j - w p p a u ：，阳。己 芦弼 p 2 7 ( a 1 5 ) p 2 6 ( a 1 4 ) p 25 a 1 3 ) p 2d t a l 2 ) p z 3 1 ” p 2 2 ( a 1 0 ) p 2 ，( a 9 p 2 o o ) 图3 2a t 8 9 c 5 1 管脚分类及功能 a t 8 9 c 5 1 是一种带4 k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器( f p e r o m _ f 1 a s h p r o g r a 姗a b l ea n de r a s a b l er e a d0 n l ym e m o r y ) 的低电压，高性能c m o s 8 位 微处理器。该器件采用a t m e l 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的m c s 一5 1 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位c p u 和闪烁存储器组合 在单个芯片中，a t m e l 的a t 8 9 c 5 1 是一种高效微控制器，为很多控制系统提供 了一种灵活性高且价廉的方案n 朝。 二、管脚功能 m c s 5 1 单片机为4 0 引脚芯片如图3 2 所示。按其引脚功能可分为三部分； i o 口线：p 0 、p 1 、p 2 、p 3 共四个8 位口； 控制口线：p s e n ( 片外取指控制) 、a l e ( 地址锁存控制) 、ea ( 片外 第三章速度里程检测仪的设计与实现 存储器选择) 、r e s e t ( 复位控制) ； 电源及时钟：v c c 、v s s 、x t a l l 、x t a l 2 ； i o 口特性与驱动能力 i o 口线中真正完全为用户使用的只有p 1 口，以及作为多功能使用时 的p 3 口： i o 口驱动能力。p o 口可驱动8 个t t l 门电路；p 1 、p 2 、p 3 只能驱动 4 个t t l 门； p 3 口是双重功能口，其双重功能如下表3 1 所示； 三、总线结构 m c s 5 1 单片机的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户i o 口、部分p 3 口外、其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚形成了三总线形式， 即： 1 ) 地址总线( a b ) 。地址总线宽度为1 6 位，因此，其外部存储器直接地址 范围为6 4 k 字节。1 6 位地址总线由p 0 口经地址锁存器提供低8 位地址( a 。a ，) ， p 2 口直接提供高8 位地址( 凡a 。) ； 2 ) 数据总线( d b ) 。数据总线宽度为8 位，由p o 口提供； 3 ) 控制总线( c b ) 。控制总线由部分p 3 口的第二功能( 见表3 1 ) 状态和4 根 独立控制线pse n ( 片外取指控制) 、a l e ( 地址锁存控制) 、ea ( 片外存储器选 择) 、i 汪s e t ( 复位控制) 组成。 表3 1p 3 口引脚第二功能说明 管脚定义管脚功能功能说明 p 3 0r x d串行输入口 p 3 1 t x d 串行输出口 p 3 2 i n t o 外部中断0 输入口 p 3 3i n tl外部中断l 输入口 p 3 4 t o 定时器计数器0 外部事件脉冲输入端 p 3 5t l定时器计数器1 外部事件脉冲输入端 p 3 6w r外部数据存储器写脉冲 p 3 7r d外部数据存储器读脉冲 四川大学硕士学位论文 3 2 2a t 8 9 c 5 1 单片机最小应用系统组成 由于一些功能器件没有集成到a t 8 9 c 5 l 芯片上，所以要真正组成一个完整 的最小应用系统还需要加上时钟电路和复位电路。单片机的时钟信号用来提供 单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化， 使单片机从一种确定的初态开始运行口3 。 一、单片机的时钟 m c s 5 1 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。管脚 x t a l l 和x t a l 2 分别是放大器的输入端和输出端。单片机虽然有内部振荡电 路，但要形成时钟，必须还要外部附加电路。这里我们采用常用的内部振荡方 式如图3 3 ( a ) 示，即利用芯片内部的振荡电路，在x t a l l 和x t a l 2 管脚上采用 外接晶体和电容组成并联谐振电路。振荡晶体可在1 2 m h z 1 2 m h z 选取，这 里我们选择1 1 0 5 9 m h z ，以得到标准的波特率。c l 、c 2 电容选择2 0 p f 1 0 0 p f 之间，电容器起稳定振荡频率、快速起振的作用。同时，为了提高温度稳定性， 采用具有温度补偿功能的n p o 电容n 副。 二、复位电路 为确保系统中电路稳定可靠的运行，复位电路是必不可少的一部分。复位 电路的第一功能是上电复位如图3 3 ( b ) 示，一般微机电路工作需要的供电电源 为5 v 士5 ，由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此， 在电源上电时，只有当v c c 超过4 7 5 v 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号 撤除，微机电路开始工作呛刚。 晶振 c o 一 + 5 v r e s e t 土r a t 8 9 c 5 1 ( a ) 内部振荡方式( b ) 上电复位 图3 3 内部振荡方式及上电复位图 第三章速度里程检测仪的设计与实现 另外，一个完整的单片机系统应该是一个软、硬件的结合体，当系统处于 工作状态时可能有各种干扰源，这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者 程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。因此单 片机系统的开发一定要考虑系统的可靠性设计，以满足现场苛刻环境下的正常 运行，而“看门狗”则是系统可靠性设计的重要一环。“看门狗复位电路的基 本功能是在发生软件问题或程序跑飞后使系统重新启动。看门狗实际上是一个 特殊的定时器，程序定期将其复位清零，如果系统在某处卡死或跑飞，该定时 器将溢出，并将进入中断。在定时器中断中执行一些复位操作，使系统恢复正 常的工作状态，即在程序没有正常运行期间如期复位看门狗以保证所选择的定 时溢出归零，使处理器重新启动。 这里我们选用的是m a ) 【i m 公司m a x 7 0 6 芯片，它实际上是一个特殊的定 时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲复位处理器。从实现角度上看，该方式 是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件连接好后，在程序中插入看门 狗复位的指令，保证程序正常时看门狗不溢出。而当程序异常时，看门狗超时 发出溢出脉冲，通过单片机的r e s e t 引脚使单片机复位曙钔。 m a x 7 0 6 芯片是一组c m o s 监控电路，能够监控电源电压、电池故障和微 处理器( m p u ) 或微控制器( m c u ) 的工作状态。将常用的多项功能集成到一片8 脚封装的小芯片内，与采用分立元件或单一功能芯片组合的电路相比，大大减 小了系统电路的复杂性和元器件的数量，显著提高了系，统可靠性和精确度。 m a x 7 0 6 芯片的管脚如下图3 4 所示： 引脚说明： 一一 第1 脚：mr ：人工复位输入。当其电压 v c c 莲 低到o 1 v 以下时将触发一复位脉冲，该脚可 6 n d 压 用t t l 或c m 0 s 电平驱动，也可用开关短接 p f li 到地。 列痢 口丽百( r e s 盯 习i 习丽 第2 脚：v c c + 5 v 电源输入。图3 4 叭x 7 0 6 管脚图 第3 脚：g n d 地。 第4 脚：p f i 电源故障电压监控输入端。当该脚电平低于1 2 5 v 时，5 脚的 pfo 变为低电平。不用时将该脚接到地或者v c c 。 第5 脚：pfo 电源故障电压监控输出端。当4 脚电平低于1 2 5 v 时，该脚 变为低电平。平常该脚保持为高电平。 ，；。 一 舣删觥蝴 一 一一一 四川大学硕士学位论文 第6 脚：w d i 看门狗输入端，如果w d i 脚保持在高电平或低电平达到1 6 s ， 那么内部看门狗定时器完成计数，从而使8 脚的w d o 变为低电平。无论何时， 只要发生复位，或者w d i 脚处于三态，或者在w d i 端出现一个上跳沿或下降 沿，看门狗定时器将被清零。 第7 脚：r eset 低电平有效的复位输出端，触发后产生2 0 0 m s 的负脉冲。 当v c c 低于复位门限电压时，该脚就变为低电平。当v c c 上升超过该门限电压 ( 1 2 5 v ) 或mr 端由底电平变为高电平之后，该输出端仍将保持低电平2 0 0 m s ， 这个2 0 0 m s 的延时可以有效的消除人工复位开关的抖动。 第8 脚：w d o 看门狗输出端，当内部看门狗定时器完成其1 6 s 定计数时， 该脚输出变为低电平，而且直到看门狗定时器清零，该脚保持低电平。只要v c c 低于复位门限电压，该输出也会保持在低电平。与7 脚的r e s e t 不同，其没 有最小脉宽。只要v c c 上升到高于复位门限电压以上，该脚就变为高电平而没 有滞后。 本系统工作条件比较恶劣且干扰较大，为了提高系统的可靠性，采用了看 门狗电路，看门狗复位电路工作原理图如图3 5 ： 图3 5 看门狗复位电路工作原理图 j 汪s e t p 二，8 d 汀l p 2 o 接到m a x 7 0 6 的w d i ，reset 经非门后接到a t 8 9 c 5 1 的i 迮s e t 端。 看门狗电路所具有的功能为： 上电、掉电复位功能。电源电压低于4 4 伏时，i 汪s e t 信号有效，当v c c 上升超过该门限电压，i 迮s e t 仍保持低电平2 0 0 m s ，保证晶体振荡器可靠振荡。 看门狗功能。每运行一部分程序，a t 8 9 c 5 1 的p 2 o 就发出一负脉冲，只要 程序正常运行，复位信号就一直无效，若程序跑飞或陷入死循环，那么在1 6 s 后，r e s e t 信号有效，程序能够重新运行。 2 0 第三章速度里程检测仪的设计与实现 8 2 5 5 a 内部的哪一个口或寄存器进行操作。8 2 5 5 a 内部共有4 个端口：a 口， b 口，c 口和控制口，两个引脚的信号组合选中端口见下表。 西，面，丽，a 1 ，a o 这几个信号的组合决定了8 2 5 5 a 的所有具体操作， 表3 28 2 5 5 a 的操作功能表 西面丽a la o 操作数据传送方式 0o1oo 读a 口a 口数据一数据总线 0olo1 读b 口b 口数据一数据总线 oo11o 读c 口c 口数据一数据总线 0l0o0 写a 口数据总线数据一a 口 o10ol写b 口 数据总线数据一b 口 ololo写c 口 数据总线数据一c 口 o101l 写控制口数据总线数据一控制口 ( 2 ) 面向外设的引脚信号及功能 p a o p a 7 ：a 组数据信号，用来连接外设； p b o p b 7 ：b 组数据信号，用来连接外设； p c o p c 7 ：c 组数据信号，用来连接外设或者作为控制信号。 三、8 2 5 5 a 工作方式和控制字 1 8 2 5 5 a 有三种工作方式，即方式o 、方式l 、方式2 。 方式0 ( 基本输入输出方式) ：此方式不需任何选通信号。a 口、b 口和c 口的两个4 位口任何一个端口都可以被设定为输入或输出。 方式1 ( 选通输入输出方式) ：在这种工作方式下，a 、b 、c 三个口将分为 两组。a 组包括a 口和c 口的高4 位，a 口由编程设定为输入口或输出口，c 口 高4 位用来作为输入输出操作的控制信号；b 组包括b 口和c 口的低4 位，b 口由编程设定为输入口或输出口，c 口低4 位用来作为输入输出操作的控制信 号。 方式2 ( 双向总线 x 四川大学硕士学位论文 表3 38 2 7 9 命令字控制位 命令特征位功能特征位 d 7d 6d 5 d 4 d 3d 2d ld o 由表3 3 看出，8 2 7 9 的一条命令由两大部分组成，一部分表征命令类型，为 命令特征位，由命令寄存器高3 位d 7 d 5 决定。d 7 d 5 三位的状态可组合出8 种形式，对应8 类命令。另一部分为命令的具体内容，由d 4 d 0 决定。 二、8 2 7 9 与a t 8 9 c 5 1 的接口电路 8 2 7 9 与a t 8 9 c 5 1 的接口连接如图3 9 所示。 图3 98 2 7 9 与a t 8 9 c 5 1 的接口连接图 3 2 3 片外数据存储器e 2 p r o m 的扩展 由于单片机片内的数据存储器的内容是易失性的，掉电后会丢失。而用户 经常要存储一些不经常改变的数据及重要参数，因此需要通过扩展e 2 p r o m 数据 存储器来实现。这里利用单片机的普通i o 口模拟1 2 c 总线功能，实现对外部 1 2 c 器件( e 2 p r o m ) 的数据通信乜引。 一、i2 c 总线及其通信原理 第三章速度里程检测仪的设计与实现 1 2 c 总线数据传送时每成功地传送一个字节数据后接收器都必须产生一个型链燃萋羹递一辑薹需 忑翌：塞霆葑三驰两羹主一萎羹气i ；冀囊羹奏羹萋霎蓁雾掣翼谭雾7 妻薹。，； ； ；二 ；= ；一矶绥囊营跣篇萎警息呲鎏羹蓉羹鬟 二 ；i 荔霉奏鬟薹囊冀薹一 t j t t l 电平进行电平转 换。这里我们通过m a x 2 3 2 电平转换芯片来实现1 8 2 5 2 6 3 。图3 16m a x 2 3 2 封装图 m a x 2 3 2 是m a x i m 公司生产的芯片，使用单一电源电压v c c ，其封装引 脚图如图3 - 1 6 所示。该芯片与单片机的接口电路非常简单，只需外接4 个4 1 心 的电容，即可实现t t l 与r s 2 3 2 两种电平的转换，使用起来十分方便。计算 机串行接口采用的r s 2 3 2 标准，常用的信号有9 个，信号定义如表3 5 。 表3 5r s 2 3 2 常用信号定义 信号名字 d b9 引脚 dc d 数据载波检测 1 r x d接收数据2 t x d 发送数据 3 d t r 数据终端就绪4 g n d 信号地 5 d s r 数据装置就绪 6 四川大学硕士学位论文 4 ) 2 4 l c 0 4 与a t 8 9 c 5 1 的电路连接图3 1 5 p 【：tk ： p z ，k 工_# ： 0 7 kp ：l t t 8 9 c j l 蠢 一t翟 王壮e， 图3 152 4 l c 0 4 与a t 8 9 c 5 1 电路连接图 3 4 单片机串口及其电平转换电路 单片机以其体积小、价格低、抗干扰性好等特点，在现代工业操作现场进 行数据采集，以及实现现场控制。但由于单片机数据存储容量和数据处理能力 都比较低，所以一般情况下在p c 机上进行数据的处理和存储，通常使单片机 与p c 机相连，通过串行通信的方式把所采集的数据送到p c 机上，再在p c 机 上进行数据处理，充分发挥两者各自的优势。本系统中，要在p c 机上进行数 据的处理和存储，并且完成证书的打印。因此，p c 机和下位机的通信功能的实 现非常的重要。 3 4 1 单片机的串口及其设置 一、单片机的串口 m c s 5 l 串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口。可用作异步通信 方式( u a i 盯) 与外界设备连接。通过p 3 口的引脚i d ( 串行数据接收端) 和引脚 t x d ( 串行数据发送端) 与外界通信n 9 1 。 s b u f 是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接受寄存器。它们有相同 的名称和地址空间，两个中只有一个能被c p u 读出数据，另一个只能被写入数 据，所以不会出现冲突。 s c o n 串行口控制寄存器，用于定义串行口的工作方式和收发控制。字节 地址为9 8 h ，其各位定义如表3 4 所示。 第三章速度里程检测仪的设计与实现 表3 4 串行口控制寄存器s c o n s c o n 7s c o n 6 s c o n 5 s c o n 4s c o n 3s c o n 2s c o n 1 s c o n 0 s m os m ls m 2r e nt b 8r b 8 t i融 其中： s m 0 、s m l ：串口工作方式选择位； 砒烈：接收允许控制位； t i ：发送中断标志位。在发送停止位前，由硬件置位。t i 置位表示申请中断， 需要用软件清零； m ：接受中断标志位。在接收到停止位的中间时刻由硬件置位。刚置位表示一 帧数据接受完毕，需要用软件清零； p c o n 特殊功能寄存器，其最高位是s m o d ，该位置1 时，波特率加倍，否则 不加倍。 二、单片机串口的工作方式 m c s 5 l 单片机的全双工串口有4 种工作方式： 其中，方式0 和方式2 为固定波特率方式。方式1 为波特率可变的l o 位异 步通信接口方式。一帧信息包括1 个起始位、8 个数据位和1 个停止位。方式3 为波特率可变的1 1 位异步通信接口方式，比方式1 多一个奇偶校验位。 三、单片机串口的波特率 单片机的串行通信速率称为波特率。本文串口通信的波特率选为9 6 0 0 b i t s ， 故时钟频率选用1 1 0 5 9 2 m ，以便获得此标准的波特率。串口的工作方式采用的 是方式1 ，波特率可变的。根据波特率计算公式： 1 国脚 波特率= - 定时器t l 溢出率 其中：t l 溢出率= 丁1 计数器 用于产生此波特率的定时器t l 设置为工作方式2 ，该方式能自动装入初值。 由此计算出，计数器初值# f d h 。故在1 1 0 5 9 2 m 晶振下，串口工作方式2 ，波 特率9 6 0 0 b i t s ，控制字、波特率及通信方式设置如下： t m o d = 撑2 0 h ： t l l = 拌f d h ；t l l = 撑f d h ： 3 1 四川大学硕士学位论文 s c o n 2 挣4 0 h ；p c o n = 0 ； t r l = j ! 1 h ： 3 4 2 硬件电路部分 m c s 5 1 单片机输入、输出电平是t t l 电平，而p c 机配置的是r s 2 3 2 标准串行接口，r s 2 3 2 c 的逻辑o 电 平规定为+ 5 + 1 5 v 之间，逻辑1 电平规定为一5 一1 5 v 之间，两者的电气规范不一致，因此要完成单片机与p c 机的数据通信，必须对单片机出的t t l 电平进行电平转 换。这里我们通过m a x 2 3 2 电平转换芯片来实现1 8 2 5 2 6 3 。图3 16m a x 2 3 2 封装图 m a x 2 3 2 是m a x i m 公司生产的芯片，使用单一电源电压v c c ，其封装引 脚图如图3 - 1 6 所示。该芯片与单片机的接口电路非常简单，只需外接4 个4 1 心 的电容，即可实现t t l 与r s 2 3 2 两种电平的转换，使用起来十分方便。计算 机串行接口采用的r s 2 3 2 标准，常用的信号有9 个，信号定义如表3 5 。 表3 5r s 2 3 2 常用信号定义 信号名字d b 9 引脚 d c d 数据载波检测 1 r x d 接收数据 2 t x d 发送数据3 d t r 数据终端就绪 4 g n d 信号地 5 d s r 数据装置就绪6 c t s 清除发送 7 r t s 请求发送 8 r i 振铃指示 9 本系统使用r s 2 3 2 c 串行接口最简单的接法，单片机与m a x 2 3 2 接口连接 图如图3 1 7 所示。 第三章速度里程检测仪的设计与实现 3 5 测速原理及其实现 图3 一仃m a x 2 3 2 接口连接图 3 5 1 测量方法及原理分析 由于频率信号抗干扰性强，易于传输，可以达到较高准确度的测量，所以 在测控系统中，测频方法的研究越来越受到重视。多种非频率量的信号可经过 转化为频率量进行测量n0 1 7 1 。由于单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、 定时计数器等硬件，能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数，并且可 以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，使得基于单片机的频率测量系统 可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。下面对基于单片机的测 量频率的方法进行论述比较。 一、直接测频法( 测频法) 直接测频法就是在确定的标准时间t s l 内，记录被测信号的脉冲数n l ，用单 片机实现这种测频法的关键是系统产生的标准时间要准确，以及被测信号的个 数要被准确记录，并被准确量化，这样测量精度才较高。 在该方法中，将被测的频率信号加到计数器的计数输入端上，让计数器在 标准时间t s l 内进行计数，所得的计数值n 1 与被测信号的频率f x l ，