毕业论文 基于单片机的多功能出租车计价器设计

毕业设计（论文）基于单片机的多功能出租车计价器设计年级专业2008级机械工程及自动化学号姓名指导教师评阅人某某二○一二年六月中国南京第一章绪论当今，随着科学技术的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大的飞跃，特别是单片微型计算机的应用已经渗透到生产和生活中的各个方面，有力的推动了社会的发展。单片微机以其体积小，集成度高，价格便宜，在数据处理、实时控制等方面有着无与伦比的强大功能。其性能不断提高，应用范围愈来愈广，在计算机应用领域日益占重要地位。出租车计价器就是单片微型计算机的一个典型的应用。出租车计价器是出租车营运收费的专用智能化仪表，随着电子技术的发展，出租车计价器技术也在不断进步和提高。国内出租车计价器已经经历了4个阶段的发展。从传统的全部由机械元器件组成的机械式，到半电子式即用电子线路代替部分机械元器件的出租车计价器；再从集成电路式到目前的单片机系统设计的出租车计价器。出租车计价器计费是否准确、出租车司机是否超速才是乘客最关心的问题，而计价器营运数据的管理是否方便才是出租车司机最关注的。因此怎样设计出一种既能有效防止司机作弊和超速又能方便司机的计价器尤为重要。[[][]肖鹏.[J].自动化与仪器表.2000.50-51.单片微机广泛的应用于各种中小型的控制系统中。本文所阐述的基于单片微机的出租车计价系统，利用了AT89C51单片机的串行口进行通信控制，充分显示了单片微机在串行通信中的应用。该计价系统可以实现的基本功能如下:1)可以显示单价，每次旅程的金额，里程和时间。2)时间显示电路显示并可以修改校正时钟的时、分、小时采用二十四小时制。3)可以显示起步价格，郊区价格，返程价格，夜间价格，低速价格等。系统在没有上电复位时，通过软件作灭零处理，显示单价和车资的数码管处于熄灭状态，只有显示时间的四个数码管工作；系统在上电复位以后，立即进行自检，检测各部分电路是否工作正常，按下键后进入正常工作状态。显示单价，时间和起步价。在现实的出租车计价器中是通过安装在驱动轮上的传感器将车轮的转速转换成脉冲信号送到计价器中单片机的T0口进行计数。目前国内出租车计价器发展还很不成熟，在很多方面与国外相比都还非常欠缺，要改进的地方仍然很多。首先在单片机系统方面，单片机最小系统除了正常的工作外，当在断电时还要通过电池保存许多运行数据和状态数据，这就需要有电池提供一定的电流。另外，更为重要的是收费标准一般是固化在EPROM或EEPROM中，由于各城市收费标准不同，且收费标准经常变化，每遇此情况就只有更换EPROM（或重新编写EEPROM内容）。要将所有出租车计价器的EPROM全部更换，既增加了工作量，又使得用户费用增加，因此，完全有必要设计一种可调收费标准的计价器。现在有厂家使用专用编码器对计价器收费标准进行调整，将调整后的数据保存于RAM或EEPROM中。这样，使用专用编码器的缺点有三：一、是使用不方便，因为往往调整都是在车上进行。二、是由于编码器使用频繁，容易出问题。三、是现在大多编码器在调收费标准时需要更换编码器。[[][]JoseVillar,AdolfoOtero,JoseOtero*,LucianoSanchez.TaximeterverificationusingimprecisedatafromGPS.EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence[C].SpainOviedoUniversity：ComputerScienceDepartment.2009.因此，可使用EEPROM来保存收费标准，并在计价器内设置二或三个按键来进行调整，如：一个按键变换调整项目，一或两个按键变换数值（注：计价器在经计量部门检定后加上铅封才能投入使用，因此用户是不可能调整此数据的）。这样设计成本并没有增加多少，数据方便修改，且不易改变，不受掉电影响。并且许多状态数据也可保存在EEPROM中，并且掉电时电池不须对本部分供电，减小电池耗电，延长电池使用时间。此外在空车灯装置这一块。出租车计价器空车灯一方面作为行为人的指示灯，一方面通过微动开关进行空、重车转换，由于使用频繁，在微开关的结构上需要认真考虑，现在很多计价器空车灯微动开关在转换状态时都采用磨擦方式，不管是弹簧片磨擦，还是微动开关按钮磨擦，在使用中很快就磨损了。在本人长期的维修过程中，发现由此原因而引起的计价器不能正常工作的情况非常多。改进的方法有三种：一种是在设计结构上对于微动开关的按钮可采用按压式，这样将会大大延长其使用寿命；二是可采用光电开关，通过非接触式开关解决此问题，但由于使用环境灰尘较多，因此光电开关部份需要密封；第三种方法可采用霍尔元件对永久磁铁位置的变化感应产生一个开关信号，这样，既不存在磨擦，又不受灰尘的影响，将会大大提高空车灯的使用寿命。最后在传感器部分也需要做一定的改进。现在传感器一般都是安装在汽车变速箱上，由于汽车运行时变速箱温度非常高，这样就使得传感器一直工作在高温状态，这样一方面传感器中的电子元件容易损坏，另一方面传感器信号线接头也非常容易老化而断裂，而断后又不易重新接上，由于以上原因，使得传感器寿命一般都不长，普遍为半年到一年就需要更换。因为传感器价格较贵，使得用户反映较大。另有一种传感器是安装于里程表仪表盘后的，但由于此处往往位置较小，安装不易，因此很少采用。在这种情况下，可以考虑将传感器与里程表软轴作为一体，将传感器做在软轴中间适当的位置，这样设计成本并不需提高多少，但可使传感器寿命得到大大延长。[[][]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航天航空大学出版社.1990.第二章方案论证在设计出租车计价器过程中，我们要考虑到设计方案的分类的问题，经过调查，讨论和比较选出最佳方案。第一节方案比较方案一：使用数字电路和模拟电路来完成设计要求。显示器件有：LED显示，VFD显示，分段式数码管等等，针对显示单元电路这里可以使用分段式数码管来显示，分段式数码管分为共阳极和共阴极两种，对数码管的驱动针对不同的类型采用不同的芯片，共阴极数码管通常采用TTL系列的74LS48驱动，而共阳极数码管通常采用CMOS系列的CD4543来驱动；仅时钟显示电路框图和实际电路就这样的庞大，整体电路规模可想而知。而且对于模式的切换需要用到机械开关，机械开关时间久了会造成接触不良，功能不易实现；整体电路的规模较大，用到的器件多，造成故障率高，难调试。方案二：使用单片机来完成设计要求。单片机功能强大，用较少的硬件和适当软件相互配合可以很容易的实现设计要求，且灵活性强，可以通过软件编程来完成更多的附加功能。针对计费模式的切换，通过软件就可以轻而易举的实现。避免了机械开关带来的不稳定因素。方案确定：经过上面的两种方案的比较，显然第二种方案具有更大的优越性、灵活性、所以我们采用第二种设计方案进行设计。本电路以AT89C51单片机为中心、附加A44E霍尔传感器测距，实现对出租车计价统计，输出采用8段数码显示管。设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能根据白天、黑夜、中途等待来调节单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。第二节总体设计框图一、工作原理框图。图工作原理框图二、单片机单元框图。图单片机单元框图

第三章系统的硬件设计本次的硬件设计模块主要是针对着单片机AT89C51、霍尔传感器电路A44E、掉电保护电路AT24C02、里程电路、计价单元电路、数据的储存电路、各项数据金额的显示电路、键盘控制电路、语音播报电路、电源模块电路、收据打印电路等电路的设计。在硬件设计过程中，需要仔细全面考虑到各个功能模块的设计要求，找到最合理的硬件设计方法，实现多功能的出租车计价器设计。由于显示输出部分一共有16位显示，采用的是LCM0825的8位8段液晶显示模块，故要进行单片机芯片的I/O口扩展。鉴于16位的显示有8个段选，16个位选，扩展24位I/O口。考虑到方便简洁的原因，此处采用单片机扩展一片8255芯片来实现I/O口的扩展以实现24位的LED显示。在时间显示上面采用的是日历时钟DS12887芯片。在票据打印部分电路上采用的是微型打印机PP40。语音播报模块采用的是语音芯片ISD2560来实现播报功能。具体出租车计价器实物图见下图。图出租车计价器实物图第一节系统的硬件组成及其各自的功能一、出租车计价器的功能模块。出租车计价器的各个功能模块组合方案图如下图模块组合图所示。它是由以下几个部分组成的：单片机AT89C51芯片、数据金额等的显示部分、键盘操控部分、AT24C02掉电保护部分、里程计算输出单元、串口显示驱动电路、空闪灯控制电路等等。图3.2各功能模块组合图二、出租车计价器的工作过程。单片机采集并判断空车灯信号及路程检测传感器信号，当出租车启动时，单片机检测到霍尔传感器的脉冲信号并进行里程计算。当无乘客时，单片机调用实时时间芯片DS12887程序和MAX7219串口显示驱动程序，用4只LED进行时钟显示；当空车灯掰下乘客上车时：ISD2560语音播报电路进行语音播报1(欢迎乘客乘坐本出租车…)，通过DS1302获取时间信息分辨白天／晚上，然后调用AT24C02程序获取白天／晚上的单价及起始价，便开始计价并显示单价、里程、等待时间和金额等信息；当空车灯打上乘客下车时：进行播报2(谢谢再次乘坐本出租车，请交金额￥…)，并打印好票据，单片机将营运数据信息存储到AT24CO2中，等待出租车再次启动后单次金额与里程等信息清零复位，就此完成一次计价。[[][]杨建朝.出租汽车计价器使用、维修与检定问答[M].北京：中国计量出版社.2002.第二节AT89C51单片机及其引脚的说明一、AT89C51单片机的发展介绍。Intel公司于1980年退出了第二代单片机：MCS-51系列，这是一种高性能的8位单片机。和MCS-48系列相比，MCS-51系列单片机无论在片内程序存储器、数据存储器、输入/输出的功能、种类和数量上，还是在系统的扩展功能、指令系统的功能等方面都有很大加强。MCS-51单片机一般采用HMOS和CHMOS这两种工艺制造，两种单片机完全兼容。CHMOS工艺较先进，综合了HMOS的高速度和CMOS的低功耗特点。AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，该芯片内含有4KB的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器及通用8位微处理器于单片机芯片中，既可在线编程（ISP）也可以用传统方法进行编程，具有很高的性价比。[[][]张鑫，华臻，陈书谦.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社.2005.二、AT89C51单片机芯片内部说明。AT89C51芯片封装仍为40引脚，芯片内部集成有：8位CPU；8KB程序存储器；256B数据存储器；64KB片外程序存储器；64KB片外数据存储器；32根输入/输出线；1个全双工异步串行口；3个16位定时器/计数器；6个中断源，2个优先级。三、AT89C51芯片各引脚功能介绍。图AT89C51单片机引脚图AT89C51单片机的40个引脚的功能为：VCC：电源电压端。GND：接地端。RST：复位控制口。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，就会使单片机复位。XTAL1：反向振荡放大器的输入端及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2：来自于反向振荡放大器的输出端。P0口：一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P1口部分端口引脚及功能如表3.1，P1口特殊功能所示。表3.1P1口特殊功能P1口引脚特殊功能MOSI（用于ISP编程）MOSI（用于ISP编程）SCK（用于ISP编程）P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口。基本功能与P1口基本相同，只是在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变，Flash编程和程序校验期间，P2口亦接收低8位地址。P3口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口。基本功能与P1、P2口基本相同，这里就不再作过多的介绍。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2，P3口特殊功能所示。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号。表3.2P3口特殊功能P3口引脚特殊功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）WR（外部数据存储器写选通）RD（外部数据存储器读选通）PSEN/：程序储存允许输出，是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN/有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN/信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平，值得注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。[[][]张友德.单片微型机原理、应用与试验[M].第5版.上海：复旦大学出版社.2008.第三节AT24C02芯片介绍及其功能说明一、AT24C02芯片引脚图及其介绍。图AT24C02各个引脚图AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02支持I2C，总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。AT24C02的存储容量为2Kb，内容分成32页，每页8B，共256B，操作时有两种寻址方式：芯片寻址和片内子地址寻址。（1）芯片寻址：AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010A2A1A0R/W。其中A2，A1，A0可编程地址选择位。A2，A1，A0引脚接高、低电平后得到确定的三位编码，与1010形成7位编码，即为该器件的地址码。R/W为芯片读写控制位，该位为0，表示芯片进行写操作。（2）片内子地址寻址：芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。二、AT24C02芯片的极限参数。AT24C02芯片的极限参数有：1.工作温度工业级-55℃+125℃2.商业级0℃+75℃3.贮存温度-65℃+150℃4.各管脚承受电压5.Vcc管脚承受电压6.封装功率损耗（Ta=25℃）7.焊接温度（10秒）300℃8.输出短路电流100mAAT24C02芯片DIP封装，共有8个引脚，其中：A2~A0：地址引脚；SDA、SCL：I2C总线接口；WP：写保护引脚，WP接VSS时，禁止写入高位地址，WP接VDD时，允许写入任何地址；VCC：接电源端；GND：接地端。[[][]孙育才，苏字成.微型计算机应用系统设计与实现[M].南京：东南大学出版社.1990.第四节掉电存储模块的设计一、掉电保护电路的功能介绍。掉电存储单元的作用是当外界不提供电源时，或者说当外接电源突然间段开始的时候，存储当前设定的各种信息，比如单价里程等等。AT24C02是2KB字节的电源可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到，额定电流为1mA，静态电流10uA（），而且采用8脚的DIP封装，使用方便。二、掉电保护电路原理图说明。掉电保护电路原理图如图，掉电存储单元电路原理图所示。图中所示中R3、R4是两个上拉电阻，其作用是为了减少AT24C02的静态功耗，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。[[][]阎石.数字电子技术基础[M].第5版.北京：高等教育出版社.2006.图掉电存储电路原理图每当设定好一次单价，系统就自动调用存储程序，将单价信息保存在芯片内：当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的单价等信息读到缓存单元中，供主程序使用。第五节里程计算以及计价模块的设计一、霍尔传感器的功能介绍。霍尔传感器是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小。重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃~150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。安被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。二、A44E集成开关型霍尔传感器。A44E集成霍尔开关由稳压器A、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点（即BOP）时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。BOP与BrP的差值一定，此差值BH=BOP-BrP称为磁滞，在此差值内，V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度B与输出V0之间的关系。A44E集成霍尔开关是单稳态型。传感器的磁输入基本有三种情况：单极磁场、双极磁场和交变磁场。A44E集成霍尔开关的磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和集成霍尔开关之间的距离。[[][]黄贤武.传感器原理与应用[M].第2版.成都：电子科技大学出版社.2004.三、传感器电路测速原理图说明。出租车的路程计算是通过霍尔传感器A44E实现的，通常按照习惯将霍尔元件安装在变速箱上使其检测到旋转齿轮的信号，送到单片机，经过处理和换算，在输出到显示屏上，供参考用。其原理图如图传感器测距示意图所示。图传感器测距示意图四、A44E安装及与单片机的接口说明。现在传感器一般都是安装在汽车变速箱上，由于汽车运行时变速箱温度非常高，这样就使得传感器一直工作在高温状态，这样一方面传感器中的电子元件容易损坏，另一方面传感器信号线接头也非常容易老化而断裂，而断后又不易重新接上，由于以上原因，使得传感器寿命一般都不长，普遍为半年到一年就需要更换。因为传感器价格较贵，使得用户反映较大。另有一种传感器是安装于里程表仪表盘后的，但由于此处往往位置较小，安装不易，因此很少采用。在这种情况下，可以考虑将传感器与里程表软轴作为一体，将传感器做在软轴中间适当的位置，这样设计成本并不需提高多少，但可使传感器寿命得到大大延长。由于A44E属于开关型的霍尔器件，其工作电压范围比较宽（4.5~18V），其输出的信号符合TTL电平标准，可以直接接到单片机的IO端口上，而且其最高检测频率可达到1MHZ。A44E继承霍尔开关由稳压器A、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本组成部分。在输入端输入电压VCC时，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点（即BOP）时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开。当施加的磁场达到释放点（即BrP）时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。我们选择了P3.4口作为信号的输入端，内部采用T0中断（这样可以减少程序设计的麻烦），车轮每转一周（我们设车轮的周长是1米），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1000次时，也就是1公里，单片机就控制将金额自动的增加，其计算公式：当前单价×公里数=金额。另外在里程显示上面，每公里就在显示屏上刷新一次，即在数据上反应一次。[[][]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社.2002.第六节数据显示模块的设计一、设计概述。根据设计的要求，数据显示部分有单价（4位），里程（4位），等待时间（4位）和总金额（4位）的显示输出，再加上我们另外扩展了时钟显示（包含时分秒的显示），采用LCD液晶断码显示，在距离一米之外就无法看清数据，不能满足要求，而且在白天其对比度也不能满足要求，因此我们采用16位LED数码管的分屏显示，如图采用4位LED数码管的分屏显示所示：里程显示白天单价显示晚间单价显示中途等待单价显示图采用16位LED数码管的分屏显示二、LCM0825八位八段液晶显示模块（一）特点及公用LCM0825为8位8段液晶显示模块，3-4线串行接口，可与任何单片机、接口IC接口，低功耗特性：显示状态50µA（典型值），省电模式<1µA，工作电压2.7~，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。（二）参数下表中参数条件为：T=25℃，VDD=3V/5V下，（）内为典型值。[[][]求实科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社.2004.表3.3LED液晶模块参数表工作电压工作电流（晶体）<100(50)/<200(110)µA工作电流（RC）<200(120)/<400(200)µA关显示电流<60(35)/120(60)µA静态电流<5(01)/10(03)µAI/O高电平I/O低电平数据读/写频率300kHz/500kHz工作/存贮温度-20-70℃/-30-80℃极限电压（三）模块尺寸：（单位mm）图3.8LCM0825的模块尺寸（四）引脚说明表3.4各引脚说明及符号引脚符号说明输入/输出1/CS模块片选，内部上拉输入2/RD模块数据读出控制线，内部上拉输入3/WR模块数据/指令写入控制线，内部上拉输入4DATA数据输入/输出，内部上拉输入/输出5GND负电源，接地线6VLCDLCD屏工作电压调整，可调整视角对比度输入7VDD正电源输入8/INTWDT/定时器输出，集电极开路输出输出9BZ压电陶瓷蜂鸣片驱动+极输出10/BZ压电陶瓷蜂鸣片驱动-极输出三、八段LED显示器工作原理。八段LED显示器需要由驱动电路驱动。在八段LED显示器中，共阳极显示器，用低电平驱动；共阳极显示器，用高电平驱动。点亮显示器有静态和动态两种方式。（一）静态显示器所谓静态显示器，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二级管恒定地导通或截止。例如，八段显示器的a、b、c、d、e、f段导通，g、dp段截止，则显示0。这种显示方式的每一位都需要有一个8位输出口控制。作为MCS-51串行口方式0输出的应用，我们可以在串行口上扩展多片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高，控制，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容的时候，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需要的I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式——动态显示方式。（二）动态显示器所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二级管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。若某些字符的显示需要小数点（dp）及需要数据的某些位闪烁时（亮一段时间，熄一段时间），则可建立小数点位置及数据闪烁位置标志单元，指出小数点显示位置或闪烁位置。当显示扫描到相应位时（字位选择字与小数点位置字或闪烁位置字重合），在该位字形码中加入小数点（点亮dp段）或控制该位闪烁（定时给该位送字形码或熄灭码），完成带小数点或闪烁字符显示。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低。但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必需每隔一段时间执行一次显示子程序，占用CPU大量时间，降低了CPU的工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。比较两种显示器显示方案，本次设计选择动态显示较为简便合理。可以充分利用各个I/O口的基本功能，并且节省了计价器的制造的成本，更加符合市场需求。[[][]徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2002.四、显示电路原理图。显示电路部分设计是采用8255A的PA、PB、PC三个I/O口来进行扩展16个LED显示器。此处是利用PA口和PB口进行位选，即作为扫描口（字位口）经反相驱动器接显示器公共极。再利用多余的PC口作为段数据口（字形口），经同相驱动器接显示器的各个极。显示电路的电路原理图如图3.9显示器原理图所示。图3.9显示器原理图[[][]江思敏,姚鹏翼,胡荣等.Protel电路设计教程[M].北京：清华大学出版社.2002.第七节打印模块的设计一、微型打印机简介打印机是计算机系统最常用的硬拷贝输出设备，目前市场上的打印机规格、种类较多，原则上它们都可以作为单片机系统的外围外围设备，然而一般的单片机应用系统在体积、功耗、可靠性和价格方面有比较严格的要求，而对打印机的功能要求不高，因此在单片机系统中应用较多的是微型打印机，例如PP40、TPμP-40A/16A、GP16等智能微型打印机。智能微型打印机的内部一般都有控制器，它能和主机之间实现命令、数据、状态的传递，控制打印机构将信息打印出来。有些计算器上使用的字轮式打印机只是一个打印机头，机械动作须由主机控制，如每行为12个字符的字轮式VOESA打印机，由于小巧、价廉而被选用。打印机一般通过并行接口和主机CPU相连，也有少数打印机通过串行接口或直接连到系统的总线上。PP40打印机的工作速度较慢，但其体积小、价格低、可靠性高、工作时噪声小，能描绘出所有可显示的ASCⅡ字符和精度较高的彩色图表，它和CPU的通信采用规范化的Centronics标准，因此，PP40在单片机中用得较为普遍。[[][]徐泳龙,倪骁骅.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社2007.二、PP40微型打印机芯片介绍（一）PP40的接口信号及其引脚图PP40和主机的接口信号如表3.5所示。所有的I/O信号与TTL电平兼容。[[][]马家辰.孙玉德.张颖.MCS-51单片机原理及接口技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2002.表3.5PP40的接口信号针位信号针位信号针位信号针位信号1STROBE10ACK19GND*28GND*2DATA111BUSY20GND*29GND*3DATA212GND21GND*30GND4DATA313NC22GND*31NC5DATA414GND23GND*32NC6DATA515GND24GND*33GND7DATA616GND25GND*34NC8DATA717GND26GND*35NC9DATA818NC27GND*36NC图3.10PP40各个引脚图DATA1~8：数据线。STROBE：选通输入信号线，它的上升沿将DATA1~8上的信息打入PP40，并启动PP40机械装置开始描述。BUSY：状态输出线。PP40正在处理主机的命令或数据（描绘）时，BUSY输出高电平，空闲时BUSY输出低电平。BUSY可作为中断请求线或供CPU查询。ACK：响应输出线，当PP40接收并处理完主机的命令或数据时，ACK输出一个负脉冲，它也可以作为中断请求线。[[][]邹逢兴.计算机硬件技术及应用基础[M].北京：国防科技大学.2001.（二）PP40的操作方式PP40具有文本模式和图案模式两种操作方式，初始加电后为文本模式状态。PP40处于文本模式状态时，主机将回车符（0DH）和控制2编码（12H）写入PP40，则由文本模式变为图案模式，再将回车（0DH）和控制1编码（11H）写入PP40，又回到文本模式。PP40在文本模式时，能打印所有的ASCⅡ字符。在图案模式下，能描绘出用户设计的各种彩色图案。[[][]汪清明.出租车计价器税控打印机的设计[J].微计算机信息.2001.17（4）.53-55.（三）PP40的接口方法在设计一个打印机的接口电路时，既要考虑数据、状态线的特性（如是否为三态、负载等）和答应信号的时序，还必须考虑信息的有效宽度。若只从时序上考虑接口方法，忽略了信号的有效宽度时间，打印机将仍然不能正常工作。如图3.11所示的接口方法，MCS-51的P1口作为数据口，作为选通信号输出线，作为中断请求输入线，输出到PP40的选通信号必须由软件产生，由于选通信号产生以后经28μs，BUSY才上升为高电平，所以外部中断应选用边沿触发方式。[[][]李华.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京：北京航天航空大学.2003.图3.11PP40和MCS-51直接接口方法第八节日历时钟芯片的选用一、日历时钟芯片的作用。本次出租车计价器设计中选用DS12887日历时钟芯片来实现日期时间的显示。日历时钟芯片主要功能是提供时间和日期的显示，方便出租车司机以及乘客需要。此外，日历时钟芯片还主要有助于出租车内部判断白天或者是晚上，借此出租车计价器可以更换不同的单价来显示。还可以用来计时出租车等待的时间，当出租车速度小于一定速度时，单片机中断开始计时，中途等待时间开始显示增加，单价会随之改变，按照中途等待的单价来计费。二、日历时钟芯片功能介绍。日历时钟芯片模块有两个功能：一是为系统提供实时的时间日历信息；二是送出一个周期为125ms的方波作为MCU89C51外部中断INT0的中断源，以产生周期性中断采集数据。该模块主要由DS12887组成，具体的接口电路如图3.13所示。DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。使用DS12887时应注意以下几点：Vcc正常情况下为5V，当Vcc降至时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，Vcc降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。DS12887有两种工作时序，即MOTOROLA和INTEL时序，由MOT引脚的电平指定，当MOT引脚为高电平时选择MOTOROLA时序，当MOT引脚为低电平时选择INTEL时序，图中选为INTEL时序，这时芯片的DS引脚接系统的读信号/RD，R/W引脚接系统的写信号/WR。AS引脚用于分离数据地址总线AD7-AD0上的地址和数据信息，连接到MCU的ALE引脚。RESET引脚的信号对日历时钟和RAM没有影响，但它影响DS12887的命令和状态寄存器的内容，在图中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS12887在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。DS12887有一个可编程输出方波引脚SQW，从该引脚可以输出频率为2Hz-256Hz的方波，在系统中正是利用此引脚输出周期为125MS的方波，作为MCU外部中断/INT0的中断源实现周期性中断，每当中断发生时，MCU读一二次输入口，检查电表是否转过一圈，在整点时还要采一次三相电流和电压。除此之外DS12887内部还有128字节的RAM的单元，其中前10个字节用于存放日历时钟信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节0AH-0DH用作控制和状态寄存器，剩下的114字节为用户RAM，所有的这128字节都是掉电非易失性的。[[][]胡大友.新型出租车计价器模块的应用[J].国外电子元器件.1995.30-32.在本次设计中，日历时钟不仅可以给司机以及客户提供准时的钟点服务，而且还可以利用时钟芯片来进行定时中断的服务，这样可以实现各种功能，比如在出租车等待红绿灯或者速度低于某一值时，单片机就会进行中途等待服务，利用时钟芯片计时并输出到单片机，再通过等待单价计算出那部分的金额，最后显示到显示屏上。三、日历时钟芯片的接口及管脚芯片图。图2DS12887接口电路DS12887是内置锂电池的日历时钟芯片，并有128字节带掉电保护的RAM，使用十分方便。DS12887的管脚图如图所示：AD0-AD7：地址/数据，应接P0口。MOT：总线类型选择，与89C51连接时接地。CS：片选。AS：地址选通，与89C51连接时接ALE。R/W：读/写控制，与89C51连接时接WD。DS：数据选通，与89C51连接时接RD。RESET：复位，接+5V。IRQ：中断请求输出。图3DS12887芯片及引脚图表3.6日历时钟芯片各个地址功能转换表地址功能十进制二进制BCD码00HSeconds0-5900-3B00-5901HSecondsAlarm0-5900-3B00-5902HMinutes0-5900-3B00-5903HMinutesAlarm0-5900-3B00-5904HHours-12-hrMode1-1201-0CAM,81-8CPM01-12AM,81-92PMHours-24-hrMode0-2300-1700-2305HHoursAlarm-12-hr1-1201-0CAM,81-8CPM01-12AM,81-92PMHoursAlarm-24-hr0-2300-1700-2306HDayoftheWeekSunday=11-701-1701-0707HDateoftheMonth1-3101-1F01-3108HMonth1-1201-0C01-1209HYear0-9900-6300-99表3.7寄存器0AHBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0UIP:更新进行标志。DV2-DV0：为010时晶振工作，其他组合停止。RS3-RS0：频率选择。表3.8寄存器0BHBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0SETPIEAIEUIESQWEDM24/12DSESET：为1时禁止更新。为0时正常。PIE：为1时周期中断允许。AIE：为1时警报中断允许。UIE：为1时更新结束中断允许。SQWE：为1时方波输出允许。DM：为0时时间为BCD码，为1时为二进制。24/12：为1时是24小时进制。为0时是12小时进制。DSE：置0。表寄存器0CHBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0IRQFPFAFUF0000IRQF：中断申请标志。PF：周期中断标志。AF：警报中断标志。UF：更新结束中断标志。表寄存器0DHBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0VRT0000000VRT：为0时表示内部锂电池耗尽。[[][]路而红.专业集成电路设计与电子设计自动化[M].北京：清华大学出版社.2004.第九节8D锁存器74LS373一、8D锁存器芯片的介绍。74LS373为三态输出的8D透明锁存器，共有54S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下：表各型号锁存器特性的典型值型号TPDPD54S373/74S3737ns525mW54LS373/74LS37317ns120mW74LS373的输出端O0~O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。它的使能端E有效时，输出直接跟随输入变化，当使能端由高变低时将输入状态锁存。因此，若选用74LS373作为地址锁存器，可以直接将单片机的ALE加到它的使能端。[[][]丁元杰，吴大伟.单片机微机实验集与实验指导书[M].北京：机械工业出版社.2004.二、74LS373芯片引脚图。74LS373芯片引脚图如图3.14所示：DO~D7：数据输入端。OE：三态允许控制端。（低电平有效）LE：锁存允许端。Q0~Q7：输出端。图3.1474LS373引脚图第十节8255A芯片及其引脚说明一、8255A芯片介绍及引脚图。图3.158255A芯片引脚图8255A芯片是一个采用NMOS工艺制造的、40引脚双列直插式封装组建的大规模集成电路，采用单一+5V电源供电。40个引脚图中有24个为与外围设备的接口。8255A管脚封装如图5所示。二、数据总线缓冲器这是一个三态双向缓冲器，其宽度是8位，用作8255的内部数据总线与系统中的数据总线相连时的缓冲部件。缓冲器向数据总线送出数据，或从数据总线接收数据都是CPU指令控制下进行的。三、读写逻辑控制这一部件用来管理所有的数据、控制字或状态资的传送。他接收来自CPU的各种控制信号，并以此为依据，控制数据总线缓冲器数据的传送方向。与CPU相连的各引脚说明如下：1.CS：芯片选择信号。来自地址译码器，低电平有效。2.RD：芯片读出信号。来自系统总线，低电平有效。3.WR：芯片写入信号。来自系统总线，低电平有效。4.RESET复位信号。当它为高电平时，清除所有内部寄存器的内容，并将3个数据端口PA,PB,PC置为输入方式。5.A1，A0：端口地址选择信号。用于选择8255A的3个数据端口和1个控制口。当A1，A0为00、01、10时，分别选择数据端口PA、PB、PC：当A1，A0为11时，选择控制口。6.Vcc、GND：电源和地线。四、端口PA、PB与PC8255A有三个与外围设备相连的端口PA，PB，PC。各端口可以独立工作，由程序控制位将它设成各种不同的工作方式。端口A，B一般用做独立的输入或输出端口，每个端口包括一个四位锁存器，分别与A口，B口配合使用，作为与外设之间的联络信号。[[][]孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社.1996.第四章系统的软件设计本系统的软件设计主要分为主程序模块、系统监控模块、定时计数中断程序、计量服务程序、中途等待中断服务程序、显示子程序服务程序等等几大模块。下面对各部分模块作介绍。第一节系统的主程序设计在主程序模块中，需要完成对各接口芯片的初始化、出租车起价和单价的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器和价格寄存器，并对它们进行初始化。然后，主程序将根据各个标志寄存器的内容，分别完成启动、清除、计程和计价等不同的操作。主程序流程图如图所示。当按下S1时，就启动计价，将根据里程寄存器中的内容计算和判断出行驶里程是否已超过起价公里数。若已超过，则根据里程值、每公里的单价数和起价数来计算出当前的累计价格，并将结果存于价格寄存器中，然后将时间和当前累计价格送给显示电路显示出来。当到达目的地的时候，由于霍尔开关没有送来脉冲信号，就停止计价，显示当前所应该付的金额和对应的单价，到下次启动计价时，系统自动对显示清零，并重新进行初始化过程。第二节系统监控程序系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。它完成人机会话和远程控制等功能,使系统按我们的意图或遥控命令来完成指定的作业。它是单片机系统程序的框架。一般来说监控程序的任务有：完成系统自检,初始化,处理键盘命令,处理接口命令,处理条件触发并完成显示功能。但习惯上监控程序是指键盘解析程序,而其它任务都分散在某些特定功能模块中。在本系统我们根据设计要求采用了键码分析作业调度型。因为在这个设计中我们的按键是一键多功能型的,对于一键多功能型结构,监控程序并不能根据当前获得的一个键码来决定哪一个作业投入运行,而必须根据一个按键操作系列来启动一个作业。因此,同一按键在不同操作系列中有不同的含义。为此,引入系统状态的概念,即将系统运行情况分成若干状态,使得在任何一个状态下每一按键只有唯一的定义。在此使用了查询方式(时钟修改)(见图)和定时中断方式(见图),定时查询主要用于扫描功能键子程序,时钟程序的10ms定时中断以及汽车运行状态的判断。图主程序流程图图查询方式流程图图定时中断服务流程图第三节时间子程序以及修改时间程序的设计由于系统涉及多个功能状态，以及从系统的精度，系统对时钟分辨率的最高要求等方面考虑，我们设定定时周期为10毫秒。由于使用16位定时/记数器，选用工作方式1，其记数范围为1~65536