论文总字数：31544字

摘 要

本设计以单片机为核心设计一种出租车计费系统，选用51系列单片机配合红外传感器，实现基本的出租车计费系统功能。整个系统由STC89C52单片机、LCD12864液晶显示模块、红外传感器(测转速)、DS1302系统实时时钟模块、串口通讯模块组成。

本设计模拟的出租车计价器具有里程显示功能，可以预先设置起步价和起步里程数；启动后，开始计价，按照从上车到下车的全程收费，具有启动和复位功能。由于采用了单片机进行设计，可以用简约的硬件和恰当的软件互相配合，以实现设计要求。整个设计具有高度的灵活性，通过软件编程，能够附加更多的拓展功能,发展前景非常广阔。

关键词：STC89C52 计价器 红外传感器

The design of taxi-meter based on micro-controller

Abstract

This design use the micro-controller circuit as the center, add infrared sensor, to achieve the taximeter. The system consists of micro-controller STC89C52,infrared sensor(to measure distance),DS1302 (to record real time)，12864 LCD(to display the outputs) and serial communication.

The analog taximeter can display the mileage,default the starting price and the starting mileage.The fare is based on the whole travel.The system has reset and start function,pricing after the taxi starts.We use micro-controller to design the system,that means just a few hardware and appropriate software can meet the design requirements by mutual cooperation.Through software programming,it can accomplish more additional features.So it is very flexibility and has a bright future.

Keywords: STC89C52; Taxi meter; Infrared sensors

目录

第一章 概 述 1

1.1 出租车计价器的研究背景与意义 1

1.2 出租车计价器的研究现状 1

1.3 本文主要内容 3

1.4 章节安排 3

第二章 出租车计价系统总体设计方案 4

2.1 方案论证与比较 4

2.2 传感器选择 6

2.3 本章小结 6

第三章 出租车计价系统的硬件设计 7

3.1 总体硬件设计 7

3.2 单片机最小系统设计 8

3.2.1 STC89C52单片机时钟电路 8

3.2.2 STC89C52单片机复位电路 9

3.3 显示电路设计 9

3.3.1 液晶显示模块引脚说明 10

3.3.2 液晶显示电路设计 11

3.4 实时时钟电路设计 12

3.5 按键电路设计 13

3.6 测速传感器电路设计 14

3.7 串口通讯模块设计 15

3.8 I/O资源分配 16

3.9 本章小结 16

第四章 出租车计价系统的软件设计 17

4.1 总体软件设计 17

4.2 里程计算子程序 19

4.3 计费子程序 20

4.4 显示子程序 21

4.5 串口通讯子程序 22

4.6 本章小结 23

第五章 出租车计价系统调试 24

5.1 出租车计价器的硬件调试 24

5.2 出租车计价器的系统仿真 25

5.3 串口通讯调试 26

第六章 总结与展望 28

致 谢 29

参考资料 30

附录 33

第一章 概 述

1.1 出租车计价器的研究背景与意义

当今中国，出租车行业的发展非常迅速，乘客、司机、出租车公司以及政府相关部门，对于出租车计价器有许多与时代特点相适应的新要求。乘客不仅希望计价器具有稳定的性能,计价准确,还要求有防止司机作弊等功能;司机要求其具有计价标准的精确设定、运营额统计、密码设置等功能。出租车公司则希望能收集到每日的营业额、里程数等信息，以便进行统一管理、制定市场策略。根据有关政策，出租车行业面临燃油附加税和极端天气情况下费用调整等问题,所以行政部门希望出租车计价器计价标准能够灵活设定。

性能优良的计价器对出租车司机、乘客、出租车公司、交通管理部门来说都是很重要的。现有的单片机和传感器技术可以进一步优化计价器的功能，同时提高其使用寿命，降低成本，并提供更加人性化的功能以减少司机与乘客之间的买卖纠纷，提供更便捷的数据传输功能以提高出租车公司和行政部门的管理效率。

1.2 出租车计价器的研究现状

我国的出租车计价器最早出现于20世纪70年代。第一代出租车计价器全部釆用机械齿轮结构,只能完成简单的计程功能,可以说早期的计价器只是一个统计里程的仪器。

伴随着科学与技术的发展,第二代出租车计价器出现了。它采取手摇式计算机与机械构造互相联结的方式,实现了半电子半机械化。如此一来，它在计算里程的同时还能够完成计算价格的工作。

集成电路的大规模发展又催生了第三代出租车计价器,即完全电子化的计价器。当单片机出现并应用于出租车计价器后,本世纪出租车计价器的基本模板也就确定下来了,它可以实现计算里程,计算价格,显示信息等基本功能。单片机、传感器以及相关芯片的发展，使得出租车计价器的功能越来越完善。

苏州大学的硕士凌璟于2009年完成了基于VHDL的出租车计价器设计。该设计主要分为三个部分。分别为：秒分频部分、计量部分和译码显示部分。脉冲生成模块可以使整个系统同步工作，把32M的晶振频率（由系统提供）进行分频，得到在以后的计时中所需要的秒信号。电路工作所必须要有32Hz工作脉冲，同样也是由32M的晶振产生。计量控制部分由三个模块组成，分别是计价模块、计时模块和计程模块，使得出租车计价器系统可以实现多种功能。该设计虽然功能强大，但电路复杂，实际使用中折旧率很大，维护成本高。

广东白云学院的翟敏焕于2014年完成了基于单片机的出租车计价器。该设计以AT89S51为主控器，通过单片机最小系统,联结时钟电路、掉电保护电路和LED数码管，实现行车里程的显示、费用的计算和价格的调节等功能。里程测量使用的是霍尔传感器A44E,它能够将出租车运行的里程以标准脉冲的形式输入单片机，单片机根据脉冲个数运算出总的路程和价格。其优点是电路相对简化，但显示模块使用的LED数码管不能完美的呈现所有乘车信息，并且霍尔传感器不能适应城市交通中的复杂行车环境。

随着“互联网 ”时代的到来，我认为出租车计价器应当与时俱进的发展出第四代，即网络化的出租车计价器。2015年，国务院总理李克强在政府工作报告中初次提出了“互联网 ”行动计划。“互联网 ”就是“互联网 传统行业”，但这并不意味着两者的简单相加，而是利用信互联网平台以及电子信息技术，让互联网与传统行业进行深度融合，营造新的发展模式。现有的出租车计价器，功能虽然完善，但都是独立的个体，服务对象也仅局限于司机与乘客。利用单片机通讯技术，可以实现计价器与电脑之间的数据传输，进而实现一个城市甚至更广范围内的出租车运营状况的汇总。这样做至少有两个好处：第一，出租车公司可以根据每日营业额、里程数等大数据，分析人们的出行习惯，制定更加有吸引力的营业模式，在市场竞争中取得优势。第二，政府相关职能部门，可以更加高效的对出租车行业进行管理，再通过互联网联系其他公共交通方式，制定更加便利便民的出行政策。

1.3 本文主要内容

在考虑到成本低廉和使用方便的基础上，本文设计并介绍了一种以STC89C52单片机为主控器的，具有显示时间、计算价格、性能稳定、电路简洁、成本适当等特点的多功能出租车计价器，能够完善的应对司机、乘客、公司、政府对出租车计价器的需求。此外，该计价器还具有数据上传功能，可将乘车日期、营业额讯息上传至电脑上。通过单台计价器多次上传数据到电脑上的过程，模拟多台计价器上传数据，展现“互联网 ”时代出租车计价器应有的特点。

1.4 章节安排

本文第一章为概述，第二章介绍了出租车计价器的总体设计方案，第三章介绍了出租车计价器的硬件设计，第四章介绍了出租车计价器的软件设计，第五章介绍了出租车计价系统的调试过程。第六章对本文工作进行了总结，并探讨了“互联网 ”时代出租车计价器进一步发展的可能。

第二章 出租车计价系统总体设计方案

2.1 方案论证与比较

方案一：采用数字电路控制

使用传感器元件，输出脉冲信号，通过放大和整形作为移位寄存器的脉冲，实现出租车计价器的功能。其设计框图如图2.1所示：

图2.1 数字电路控制的计价器设计

这种电路设计简单，但是性能非常不稳定。而且不具有调节单价的功能，因此不能根据天气、油价等因素调节计费标准，电路的实用价值偏低。

方案二：基于FPGA的设计

该设计主要分为三个部分。

第一部分是脉冲生成，通过秒分频使得整个系统同步工作。第二部分是计量控制，是整个系统中最重要的部分。它由三个模块组成，分别是计价模块、计时模块和计程模块，是出租车计价器系统得以实现多功能的保证。最后一个部分是译码显示部分，其作用在于把出租车的价钱、行程数等信息反馈给司机和乘客。车费的显示由动态扫描电路来完成。

三个部分有机地结合在一起，完成了基于 FPGA 的多功能出租车计价器设计。其设计框图如下：

图2.2 基于 FPGA 的出租车计价器设计

方案三：采用单片机控制

充分利用单片机控制方式的灵活性，通过丰富的I/O端口连接相关芯片拓展功能，实现里程计价、价格调节和实时时间显示等功能。使用传感器采集行车数据，传送到单片机进行处理，再由单片机将处理好的信息传输到显示模块进行显示。

图2.3 采用单片机的出租车计价器设计

通过以上三种方案的比较发现，单片机方案有具有最高的可行性。利用单片机充足的I/O端口，可以灵活控制的特性，不但能实现里程计算、价格调整等计价器的基础功能。而且能很方便地扩展出时间显示、密码设定等附加功能，还可以便捷的对系统进行维护升级。通过单片机通讯进行数据传输也是可行的。所以最终选择方案三实现本设计。

2.2 传感器选择

在本次设计的过程中，由于并没有一辆实际的车可供使用，因此需要通过传感模块模拟行车状态，并选择合适的方法测量出行车里程。

方案一：通过霍尔传感器A44E，测量出电机转速，计算出租车的行车路程。霍尔传感器A44E是一种电磁传感器，在叶轮上固定一块小磁铁，电机带动叶轮旋转时，每当固定在叶轮上的小磁铁经过一次霍尔传感器，传感器便会产生一个脉冲信号。A44E将这些脉冲信号发送给单片机，单片机通过一定的运算处理，模拟出行车里程。

方案二：使用红外测速计数传感器，测量出电机转速，来模拟出租车的行车里程。这种传感器使用红外光检测，不容易受到外部的杂光干扰；施密特触发，信号稳定。

本设计考虑到出租车计价器要求成本低廉，且电磁传感器无法适应城市交通中复杂的路况，故选择方案二。

2.3 本章小结

本章比较了三种总体系统方案，两种传感器方案，最终选择了以单片机为主控器，以红外传感器为测速计数模块，来完成出租车计价器的设计。

第三章 出租车计价系统的硬件设计

3.1 总体硬件设计

本设计使用STC89C52单片机做为整个系统的主控器，以红外传感器模拟计算行车里程，实现了价格统计这一基础功能的设计，输出采用HS12864-15中文图形液晶显示模块，时间显示功能使用DS1302实时时钟芯片，通过串口通讯RS232将数据上传到电脑中。出租车计价器的总体系统结构图如图3.1所示：

图3.1 系统总体设计框图

设计需要完成出租车计价器基本的价格计算功能。单次使用出租车的费用计算公式为：总价=起步价 单价*（总行车里程-初始起步里程）。还需要能体现出 “互联网 ”时代出租车计价器的特点，即数据联网。通过通讯模块将乘车信息（时间、价格等）上传到电脑中，以单台出租车计价器多次上传信息，模拟多台出租车计价器上传信息。

3.2 单片机最小系统设计

本设计需要单片机具有大量的I/O口，且整个电路集成度越高越好，并要求位指令简单以便于编程。最终采用了Atmel公司生产的STC89C52单片机。

它的工作电压是3.3V—5.5V，考虑到传感模块和显示模块的工作电压都是5V，最终选择了5V的电源供电。由于出租车计价器需要车载，因此采用小巧轻便的USB供电方式。STC89C52 单片机正常工作至少需要复位电路和时钟电路两部分电路。单片机最小系统的设计如图3.2所示。

图3.2 单片机最小系统

3.2.1 STC89C52单片机时钟电路

为了让STC89C52单片机可以稳定有序地工作，必须要设置好时钟信号。常用的时钟电路一般有两种形式：内部时钟和外部时钟。 

为了得到合适的机器周期，本设计采用外部时钟方式来为系统提供时钟信号，如图3.3。出租车计价器的机器周期设置为1us较为合适，想要得到1us的机器周期，计算得出所需的晶振频率为：1us÷（1÷12）=12Mhz。根据计算结果，本设计采用12MHz的晶振。

图3.3 时钟电路

3.2.2 STC89C52单片机复位电路

在调试、运行的过程中，程序很可能会跑飞或者死机，因此需设计复位电路。STC89C52的复位端是高电平有效的斯密特触发。复位端如果由低电平上升到高电平并持续2个机器周期，系统就会进行一次复位操作。在本设计中复位电路采用按键复位和上电复位两种方式，电路如图3.4所示。在复位电路中，使RST引脚经过10uF的电容与VCC电源接通，同时经过电阻与地连接而实现。当按下按键S1时，RST引脚置于高电平，系统进入按键复位状态。此外，刚上电的瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，此时RESET端为高电平，自动复位。为了复位端口产生大于或等于两个机械周期（2us）的高电平，选用10K的电阻。

图3.4 单片机复位电路

3.3 显示电路设计

常用的显示电路有数码管（LED）与液晶屏（LCD）两种。考虑到出租车计价器需要多行显示信息，且之前已设计了5V的电源供电，最终选择128X64液晶屏作为显示模块。这一型号的显示屏耗电量相对比较低，可用5V供电，能够显示汉字，清晰的显示方便了数据的读取，能够满足本系统的要求。

3.3.1 液晶显示模块引脚说明

LCD12864液晶图形显示屏的接口引脚说明如图3.5所示，各引脚功能说明如表3-1所示。

图3.5 显示屏接口引脚图

表3-1 LCD管脚说明表

3.3.2 液晶显示电路设计

RS、RW、E分别为寄存器选择控制、读写控制、和脉冲信号控制端口。将这三个管脚分别连接到单片机的P2.5、P2.4、P2.3引脚，从而实现单片机对LCD12864的控制。为了减少对I/O口的占用，选择串行通信的方式。通过说明书得知，PSB 接低时,串行模式被选择，因此将PSB接到单片机的P2.2引脚，并通过编程让单片机持续提供低电平信号。在串行模式下，只用两根线(RW 与 E)来完成数据传输。液晶显示电路设计如图3.6所示。

图3.6 液晶显示电路图

3.4 实时时钟电路设计

在本系统中，实时时钟模块主要为计价器提供精准的计时，为司机和乘客显示乘车时间。若采用单片机计时，一方面需要设置中断查询，耗费单片机的资源，另一方面还要占用硬件资源。故本设计采取STC89C52单片机的外接实时时钟电路的模式，简洁且稳定。

DS1302与单片机的连接只需要使用3条导线：CE引脚连接端口P3.5、I/O串行数据引脚连接端口P3.4、SCLK串行时钟引脚连接端口P3.3。通过查阅DS1302的工作手册得知，应当外接32.768kHz的晶振才能给芯片提供恰当的计时脉冲。由于DS1302工作电压为3V，与其他原器件的工作电压不同，因此采用锂电池单独供电。实时时钟电路设计如图3.7所示。

图3.7 实时时钟电路设计

3.5 按键电路设计

在本系统中，需要通过按键来控制的功能有三个：里程记录、车价调节、时间调节。综合考虑后，按键安排如下：单片机的P1.0管脚接S1键，P1.1管脚接S2键，P1.2管脚接S3键，P1.3接S4键。由于需要实现的功能并不复杂，通过软件编程：

当按下S1键时，开关处于导通状态，给P1.0送低电平信号，这时计数器开始工作，调用价格计算子程序开始计价，屏幕上显示“起步”。

当按下S2键时，计数器停止工作，停止计价，并将公里数和价格清零，屏幕显示“空载”。S2按键接单片机的P1.2管脚，按下后P1.2为低电平，调用清零子程序，用于将显示数据清零，方便下次计价。

当按下S3按键时，进入车费调节界面，在此界面中，每按一次S3键，计数器加一，车费增加1元；每按一次S2按键，计数器减一，车费减少1元。

当按下S4按键时，进入时间调节界面，在此界面中，每按一次S3键，计数器加一，时间增加1单位；每按一次S2按键，计数器减一，时间减少1单位。

图3.8 按键电路

3.6 测速传感器电路设计

出租车行驶路程的计算公式为；总路程=车轮的周长*车轮的旋转圈数。如果能够测量出转速，就可以通过计算得出，出租车行驶一公里的路程需要车轮旋转多少圈。本设计中采用红外测速传感器测量车轮旋转的圈数。选用YwRobot公司生产的红外测速计数传感器B款。该传感器工作电压5V ，端口为数字式，测频率gt;100KHz，输出方式为电平脉冲，可直接与单片机相连。

红外测速计数传感器电路原理如图3.9所示，右侧是一个NPN的三级管，当中间有光线（图中以箭头表示）时，三极管截止，输出低电平信号；当中间的光线被遮挡时，三极管导通，输出高电平信号。

图3.9 传感器电路

3.7 串口通讯模块设计

串口通信是一种单片机和计算机之间按位进行传输数据的通讯方式。常用的单片机串口通讯方式有RS485、RS422、RS232等。

在本设计采用的单片机内部就具有一个全双工串行接口，能同时接收和发送串行数据，支持上述三种通讯方式。出于精简电路，降低联线的复杂程度，提升系统的稳定性的目的，选择了RS232串口通讯的方式。并且为了方便与计算机进行连接，最终采用了PL2303，做为RS232-USB接口转换器。

PL2303一种集成度非常高的RS232-USB 接口双向转换器。它既可以从电脑接收USB 数据并将其翻译为RS232 信息的格式发送给单片机；又可以从单片机接收数据并翻译为USB 数据的格式传送给电脑。这些工作全部由PL2303自动完成，所以本设计中无需考虑额外的电路设置。

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