毕业设计（论文）-基于单片机出租车计费系统.doc

信息工程学院毕业设计（论文）第2章 系统设计2.1 系统组成电源的电压为可调稳压电源。用霍尔传感器获取脉冲，设汽车运行1圈提供1个脉冲信号。采用led数码管显示。具体功能要求如下：图2.1系统方框图2.1.1 计费及显示单价显示格式为“x.x”，单价为元/，不同的时间段单价不同： 06：0023：00时单价为1.4元/，23:0006:00时间段内单价为1.80元/。里程显示格式为“xxx.x”，单位为km，精确度为0.1km。 等候单价有两种情况：等候时间小于1小时等候单价为0.5元/分；等候时间大于1小时等候单价为20元/时。等候时间显示格式为“xx-xx”，车子处于等候状态的定义是：当行驶速度等于0时为“等候时间”。在等候时间大于1小时时可以不显示等候时间，但要计算等候时间。 费用的计算，起步价为7.00元，当里程小于或等于2时，按起步价算；当里程大于2时按如下公式计算费用：。费用显示格式为“xxx.x”，单位为元。2.1.2 时钟及显示 在出租车的正常运行过程中，应显示当前的时间，在汽车熄火时，时间可不显示，但时钟仍须正常运行。2.1.3 计费开始提示当载客出租车起步后，随着空车指示牌扳倒指示灯熄灭，此时有语音或灯光信号提示。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整个计费系统可分为两个大的模块，单片机模块与cpld模块，单片机模块分为：等待判别，里程计算，等待计时，参数调整。cpld模块分为：按键处理模块，数据处理及整合模块，显示模块。cpld模块：按键处理模块：受硬件影响，本次系统的所有按键都由cpld处理，在接收到按键信号后，将所得的信号传递给单片机，单片机再对这些信号做相应的处理。数据整合及处理模块：该模块将单片机所传来的高八位和低八位的数据整合成十六位，然后将这十六位数据转换成十进制数据并按位取数据传给数码管扫描显示模块。显示模块：将接收的数据进行数码管动态扫描显示。cpld模块图单片机模块：等待判别模块：根据定时器中断产生的基准时钟信号和速度传感器脉冲信号wclk，本系统的传感器连的是单片机的外部中断0即p32口，每个脉冲都会触发一次外部中断，同时会关闭定时器中断t1，ddbz=0，当没有脉冲来时就会打开定时中断t1，当2秒内还没脉冲系统就会判断此时出租车为等待状态，ddbz=1；开启等待计时。里程计算模块lc：依据速度传感器脉冲信号wclk，测算租车行驶的里程数，并且发出里程计费标志信号和里程标志信号lc。当lcr10，因此rst为高电平，cpu复位，按键结束后，同上面所讲一样，结束复位。其中r10还有保护电路的作用3.2.6 中断控制假如使用中断法写程序，那么程序的写法就会变得较简单，通常中断程序含有以下一个或多个特征，如果我们的应用中发现有这些特征时，在程序规划前就要考虑是否采用中断的写法。3.3 cpld3.3.1 cpld的特点20世纪80年代中期, xilinx和altera分别推出了与标准门阵列类似的fpga和类似于pal结构的扩展型cpld ,它们的特点是：集成度高、体系结构和逻辑单元灵活以及适用范围宽等。这两种器件容和了通用门阵列和pld的优点,能实现较大规模的电路,其编程也很灵活,特点如下：(1) 目前的 cpld主要是基于flash 或e2 prom存储器编程 ,其编程次数达 1万次。它的优点是在系统断电之后 ,编程信息不存在丢失。cpld还可分为在系统编程 (isp) 和在编程器上编程cpld两种。 isp器件具有不需要编程器的优点 ,可先将器件于印制板装焊 ,然后经过编程电缆进行编程,它方便于编程、调试和维护。(2) cpld芯片是将多个可编程阵列逻辑 (pal)器件集成到一起,类似 pal的结构。通常情况下cpld器件至少包含三种基本结构 : 可编程 i/ o单元 ;可编程逻辑功能块 (fb);可编程内部连线 。(3) cpld的处理速度优于 fpga。因为cpld是逻辑块级编程 ,且其逻辑块互连是集总式的而fpga是门级编程 ,并且 clb之间是采用分布式互连。所以cpld比 fpga有较大的时间可预测性和较高的速度 ,其产品能给出引脚到引脚的最大延迟时间 。(4) fpga/cpld软件包中有各种仿真工具和输入工具,以及版图设计工具和编程器等,该电路设计人员能在很短的时间内完成电路的输入、编译、仿真、优化,再到芯片最后的制作。(5)设计fpga/cpld电路的软件易学、易用。3.3.2ep1k30管脚分配1、时钟源本次实验板中cpld芯片振荡频率为4m，与p125管脚相接。p55管脚接22.1184mhz的时钟信号。2、输入开关本实验器中的开关引脚为 p7,p8,p9,p10,p11,p12,p13,p14，同时作为输出脚可用led指示电平状态。3、rs232接口4、数码管显示本次cpld实验板含有6个数码管seg1seg6，是采用段led共阴极显示，并采用动态扫描显示方式。5、键盘4x4键盘的接口电路如下图所示：cpld的输出扫描码为p44；p46；p47；p48管脚，依次接到键盘的输入端，其查询输出接到cpld的p49；p51；p59；p60四个管脚上。键盘与cpld的接口示意图5、单片机扩展槽及外扩槽在主板上留有一个模拟单片机扩展槽，用于cpld模拟单片机之用，其与cpld的接口分别为，6、扩展接口 3.4 显示及按键控制系统3.3.1led数码管 发光二极管（led）可以将电信号转换成光信号。如果把led制成条状，再按照一定方式连接，组成数字“8”，就构成led数码管。为组成09的一系列数字,使用时按需求使某些笔段上的发光二极管点亮。 led数码管的性能优势： 1) 能够在小电流、低电压条件下驱动发光，能和cmos、ttl电路兼容。2) 体积小，重量轻，抗冲击性能好。 3) 单色性好，亮度高，发光响应时间特别短，高频特性非常好。4) 使用寿命长，基本在10万小时以上，部分甚至可达到100万小时，且其成本低。 led数码管已广泛用于数控装置、数字仪表、计算机的数显器件的制作. led数码管的结构 led数码管分共阴极与共阳极, a g 代表7个笔段电极,dp代表小数点。3与8内部连通, “”表示公共阴极，“”表示公共阳极。对于共阳极led数码管,短接8只发光二极管的阳极(正极)后作为公共阳极。它的工作特点是,当公共阳极接高电平，对应笔段电极接低电平时, ,相应笔段才能发光。共阴极的led数码管与之相反,它是短接发光二极管的阴极(负极)后作为公共阴极,当驱动信号为高电平“”端接低电平时才能发光. 图 3.3.1 led数码管市场led数码管的产品中,以发红、绿、黄光的居多。led数码管与多只具有发光性能的pn结等效，当pn结导通的时候,依据少数载流子的注入及随后的复合辐射发光,得出其伏安特性与普通二极管类似。3.3.2 数据显示电路的设计表3.3.1 数码管的编码表图3.3.2 显示电路3.5稳压电源3.5.1直流稳压电源组成图3.5.1直流稳压电源组成变压器：交流降压；整流：交流变脉动直流；滤波：滤除脉动；稳压：进一步消除纹波，提升电压的带载能力和稳定性。3.5.2固定输出稳压电源3.5.2.1电路原理图图3.4.2.1固定输出稳压电源原理图3.5.2.2电路组成1变压电路 2整流电路 3滤波电路 4稳压电路3.5.2.3电路波形 图3.5.2.3（1）变压器波形 图3.5.2.3（2）滤波波形图3.5.2.3（3）稳压波形第4章 系统检测及分析4.1 系统仿真/硬件验证 4.1.1 系统的调试方法本系统即含有cpld自编程硬件设计电路，又含有单片机控制电路的设计，整个系统比较复杂，因此我们采用自底向上的调试方法，也就是先对各个单元模块电路的软件仿真和硬件调试，在各个单元模块电路调试好后再进行系统联调，最后再对硬件的编程固化及系统的组装。4.1.2 系统的硬件验证 单元电路的调试发送控制程序和单片机数据接收的调试：使用计算机、51单片机学习开发板，示波器，及keil、proteus等软件和设备，对单片机的数据接收和发送控制程序进行调试。单片机程序调试图cpld按键及显示控制程序的调试：使用计算机，cpld实验开发系统箱，max plus ii软件，示波器等，对cpld按键及显示控制程序进行调试 系统的联合调试 将各个单元电路调试好后，再连接系统电路进行系统联调。 系统的硬件验证 在系统联调成功之后，将其程序通过编程器固化到单片机中，并且插到cpld实验开发板中的单片机底座上，输入相关的信号，并且进行相关性能指标的测试，直到能满足系统设计要求为止。具体硬件验证说明如下： 本模拟系统设置了5个功能按键按：拨码开关的1号8号键分别为模拟空车牌压下和23.00到6.00时间段，kp1是状态切换键，kp2是加，kp3是减。 系统开始计费时先按下空车牌压下模拟键，显示初始值为起步价，按功能切换键可依序显示里程单价、总里程、用车费用和等待时间。按确定键可进入时间校正状态在正常时间显示状态下，此时被修改位闪烁，按修改键修改当前的时间，如果不修改则自动跳出。我们在本设计的显示系统一共设置了6个数码管，其中常规显示的有5个，另外一个是状态显示，显示情形如下： 本出租车计费器具备里程单价、行驶里程、用车费用、当前时间等多项显示功能，可以校正系统时间，由键盘完成显示的切换，车在启动时伴随语音提示信号。本系统具有计费正确，操作方便，显示直观，功能齐全等优点。4.2 设计技巧分析 出租车车计费体系，在总体设计上，结合了单片机和cpld各自的优点和硬件及软件的限制。我们采用了单片机进行采集和处理数据，并将采集及处理的数据发送给单片机，单片机采用c语言编程，因为c语言，程序结构简洁，经凑，规整，表达式简练，使用灵活，程序可读性强，而且具有丰富大量的运算符，可以处理相对复杂的表达式，有关数据的计算和处理，我们要注意一些数据关系的换算，转换和放大。数据关系的换算，转换是为了方便设计控制程序，而数据的放大则为了避免了浮点数的运算，数据被放大后的还原是由显示数据时在对应的数码管处显示小数点来处理的。并且结合实际情况，采用按键调参数，以实现不同地方的实际需要，后期还可以通过专门的软件对参数进行调整，以防止司机私自篡改参数。 在测控cpld芯片的设计中： 1）由于受芯片及软件的影响,cpld的编程软件采用max plus ii，并且分模块化自上而下，使每个模块的设计功能相对单一，降低了设计难度，也便于程序调试。，2） 本系统中许多模块的程序设计，都涉及多个控制信号，通过嵌套的条件语句完成多个控制信号，这些条件信号的作用方式（高，低电平和上升，下降沿）和作用时机（先作用和后作用）都非常有技巧，很值得揣摩与关注。 设置了很多标志信号（其中包括初始设置和中间运算处理产生），在单片机和cpld的数据处理中，这极大的方便了数据的处理。按下按键，分别处理各工作状态或各按键的标志位，在显示的时候可以按照标志位分别去处理参数。这种方法灵活且相当有技巧，效率也很高。 在显示上，运用了分屏显示和串行显示，这不仅减少了数码管的数量同时也简化了驱动电路的设计。通过对显示模式的切换，满足了在各种状态下对数码管的显示方式的系统工作要求。 4.3 设计过程出现的问题及解决方法本次设计过程中出现的问题主要有程序和硬件两方面，1、硬件问题及解决方法在设计硬件时列出了两个方案，方案一是设计好系统硬件然后在altium designer软件画出原理图，在通过刻电路板将整个体统集成在一个电路板上，但是由于芯片、软件及时间原因此方案被否决，方案二是利用学校提供的cpld学习开发板，虽此板并非单一的实现所需功能，但能实现该系统的基本功能，所以最终采取方案二。2、程序问题及解决方法单片机程序：本次设计中单片机主要作用为获取数据、处理数据、传送数据。出租车在实际计费时会出现好多情况，比如起步价计费过程，红绿灯的等待计费过程，在不同的时间段计费的单价以及在不同里程的计费单价等，由于本次设计所用的传感器为霍尔传感器，不能实时的检测速度，在编写单片机程序时所遇到最大的问题是如何自动判断等待及等待费用，为解决这个问题首先得解决如何判断目前为等待状态，霍尔传感器的特点是当轮子每转一周发送一个低脉冲，当单片机没有检测到低脉冲时，此时开启定时器中断t1，定时5秒，当5秒之后还没来脉冲，说明车速为零，开启等待计费，等待计时用定时器中断t0，通过硬件仿真后，这样就解决等待计费的问题。cpld程序：本次设计中cpld主要作用为获取数据、处理数据及显示数据，在设计时所选用的cpld芯片为ep1k30系列,编程软件为max plus,编程语言为vhdl语言，由于该软件不支持的vhdl语言的一些运算操作符，在编写cpld语言的程序时所遇到问题就是对数据的取整和取余，故采用让数据自减然后取出每位数据的方法，具体看附页程序。 五 结 论本次设计过程中由于采用了单片机和cpld芯片, 在keil和maxplus ii软件下顺利通过编译、仿真和下载，基本上实现了预定的功能。如果在硬件电路中不加其他的改变,它的功能更新十分便利, 能够满足使用环境的变化需求。我们从使用的情况来看, 这个计费器可靠性高、稳定性好, 具有良好的市场前景。我们将c语言与vhdl硬件描述语言的结合是对软硬件设计的突破，将数字系统的硬件结构和行为用语言的形式描述出来，直接对数字电路硬件系统进行设计。在本文中我们设计的出租车计费系统，在经过编程、下载后，实现了所需要使用复杂的数字电路功能了。因此，我们通过语言描述，不仅迅速缩短了开发周期，还降低了