基于S51单片机的毕业设计 .doc

本科生毕业（设计）论文基于AT89S51的计费器设计 摘要单片机具体的专业名词又称为微控制器。于70年代中期创建出来的一种体积小，价格低廉，功能又很强大的大规模集成电路器件。计价器的出现可以随时计算人们该次行程应该支付的费用并以直观的方式通过液晶显示屏显示出来，得到解决司机和乘客都认可的车费支付问题的方案。在很多的国家，单片机技术无声无息的进入了每个人的生活中。尤其是在我国，各种工业控制、航空技术、仪表、家用电器等等都装有着单片机。所以单片机无疑是所有先进科技和人们生活中必不可少的一份子。本课题主要研究出租车计费器的软、硬件设计，选择AT89S51单片机为核心，选择A44E霍尔传感器将车辆行驶距离转换成信号输入单片机，采用1602作为结果显示部件，显示当前时间、行车里程、等待时间、应支付金额等信息。关键字：AT89S51单片机；A44E霍尔传感器；1602ABSTRACT SCM specific terminology known as ed in the mid 70 out of a small size, low cost, functional and powerful LSI ithic integrated circuit by the presence of many high-tech and industrial control saves a lot of resources, has become essential for their many countries, silent entered the single-chip microcomputer in everyone's ially in our country, industrial control, aerospace technology, instruments, household appliances, and so on are equipped with a MCU is undoubtedly the advanced technology and an essential part of people's lives. The main research topics are the taximeter internal hardware AT89S51 within the meter's single-chip, in addition to A44E Hall sensor measuring distance.1602 LCD display the total amount, such as travel time, waiting many countries, silent entered the single-chip microcomputer in everyone's life.Key words: AT89S51 single-chip;A44E Hall sensors；1602 LCD.目 录第一章 绪论······················································11.1 选题的依据及意义···········································11.2 国内外研究现状及发展趋势···································21.3 本课题研究方法·············································21.4 方案论证与比较·············································31.5 系统的设计与思想···········································4第二章 系统整体设计及其硬件组成2.1 电路总框图················································112.2 系统硬件的选择············································112.3 系统硬件设计··············································122.4 里程测试··················································122.5 掉电存储芯片AT24C02的概述和设计··························132.6 复位电路的设计············································142.7 晶振系统模块设计··········································182.8 时钟电路模块 ·············································192.9 显示电路模块 ·············································20第三章 系统软件设计3.1 主程序设计················································223.2 计数里程的中断服务程序····································243.3 途中等待的中断服务程序····································24第四章 结论4.1 结论······················································26 参考文献···························································27附录 ······························································28致谢·······························································29第一章 绪 论1.1 选题的依据及意义我们国家的经济发展越来越快，城市的交通也慢慢的完善，人民生活水平的也越来越好，出租车计价器的应用也越来越广泛。虽然很多人都拥有了私家车，但是出租车在我国的交通运输中还是承担着非常重要的角色，为此，国家特别设计出了出租车计价器，它是负责出租车营运收费的专用智能化仪表。我国出租汽车行业因而迅猛发展，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。出租汽车必须安装出租汽车计价器才能投入营运，因此出租汽车服务行 业和出租汽车计价器紧密相关，出租车计价器也就随着出租车行业的发展而 日益完善。 出租汽车计价器是一种能为乘客专门制作出来，可以直接显示车费值的计量器具。计价器是乘坐出租车的消费者和出租车司机之间用于公平交易的工具，所以计价器的计价是否精确，就直接关系到消费者和出租车司机之间的经济利益。为了保护出租车司机和乘坐出租车的消费者的经济利益,世界上的很多国家都对作为交易的出租汽车计价器进行强制管理。1.2 国内外研究现状及发展趋势我国生产的第一台计价器是在重庆，最早的计价器是用机械齿轮制造的，只能做简单计价工作，而不能够自动的完成一系列的报价功能。第二代计价器也随着时代的变迁制造出来。第二代计价器不像最初的计价器一样，只能完全靠着机械化的方式运作，它加入了手摇计算机的功能，成为了半机械半电子化的计价器。第二代的计价器就有了又可以计程还能进行计价的功能。过了几年后，国家慢慢发现了大规模集成电路，进而又制作出了第三代计价器，它也被称作是全电子化的计价器。第三代计价器的功能更强大也更加完善，当国家制作出单片机后，就将单片机应用于计价器中，就出现了现在的出租车计价器，这个单片机制作的计价器它完善了之前两代计价器都不太全面的工作。所以说单片机的出现不仅实现了计价器的发展，很多电子元件都需要到单片机。出租车计价器最初的作用就是简单的计价以及它的可靠性要好。 框图：单片机显示器变换电路信号源单片机单元框图: AT89S518255并行编程1602液晶显示时钟电路 单片机单元系统1.3 本课题研究方法这次的课题我们必须使用到单片机来完成设计要求。因为单片机功能强大，也很方便，可以运用到很少的硬件和适当的软件相互配合就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不同地区价格差异的调整。对于计费模式的变换，我们可以通过软件的编程就方便我们实现这个问题。避免了其他不必要的麻烦。1.设计思想 出租车计价器的设计主要分为两大部分：硬件电路设计和软件结构的设计。 出租车计价器的硬件电路由速度传感电路、 空车等电路、 时钟电路、存储电路和电源电路等部分构成。 1.硬件框图 各电路主要功能： 1) 单片机电路： 检测空车灯信号和速度传感电路的脉冲信号，进行里程计算等。 2) 里程传感电路：利用霍尔传感器送入单片机，供里程计算。 3) 时钟电路：显示出时间。 4) 串口显示电路：显示单价、路程、金额、等待时间、时钟 。2.硬件组成 系统硬件组成框图采用 AT89S51单片机为核心，利用它丰富的管脚及功能，以霍尔传感器为出租车速度检测元件，结合外围电路，来完成出租车计价器的基本功能。 这次的课题我采用菲利普公司产的AT89S51单片机作为主要的控制器，并采用掉电存储单元来控制当系统掉电的时候可以自动保存系统的时间和单价，最后采用液晶1602显示出来。1.4 方案论证与比较方案一：方案框图如图（1）所示。出租车的驱动轮转数和转轴转数的传动是成一定的比率的，磁感应传感器会产生出一个大概为20 ms的低脉冲，这样就可以通过计算磁感应传感器产生出来的低脉冲数来计算出出租车行驶的里程数以及相应的价格。编码器的单片机可以通过其中的一个I/O口来实现检测磁感应传感器的信号，当确定是由这个是传感器发出的信号时，就能够通过另外的一个I/O口来向解码器的单片机发送出来另外的一组编码，然后解码器的单片机就会对出当前所准备接收的数据进行判断识别，判断它到底是从编码器发送的编码还是从解码写入器发送出来的解码。如果判断并识别出是经过解码写入器发送出来的解码的话，解码器的单片机就会接收这个解码，并且会使用12C总线协议来将解码保存到EEPROM中；如果判断并识别出是从编码器发送出来的编码的话，解码器的单片机就会先接收到该编码，然后会读出里面EEPROM中的解码，再将其和接收到的编码进行比较，如果相同的话那么解码器单片机就会通过一个I/0口向计价器里发送出计价脉冲，反正就不会发出计价脉冲1。经过这样的一个过程就解决了以往的计价器计价的不准确、使用的寿命短等缺点，但是这个方法经常使干扰信号也会产生出计数脉冲，而且分立元件太复杂，电路稳定性也不是很好。解码器编码器磁感应传感器 计价装置计价脉冲解码写入器图（1） 编码器方案方案二：电路框图如图（2）所示。如果我们采用数字电路控制。应用传感器件，然后输出脉冲信号，再经过放大整形来作为移位寄存器的脉冲，以此来实现计价，这种电路过于简单，性能不够稳定，而且还不能调节单价，也不能随着时段的变化来调节计费表准，所以这个方案不够实用。金额显示单价显示电源电路及保护电路里程传感器移位寄存器电路图（2） 数字电路方案方案三：这个方案我们使用单片机控制。以单片机为主要核心,设计上采用89S51单片机做为主控器，采用A44E霍尔传感器来进行测距，并且使用AT24C02在系统在掉电时保存单价和时间等信息，输出采用了1602LCD液晶显示。然后利用单片机丰富的I/O端口以及控制的灵活性，实现了基本的里程的计价功能和价格调整、时钟显示功能等功能2。原理结构如图（3）所示。 AT89S51单片机 数据存储及时钟模块 里程采集模块 显示模块 存储区扩展模块 键盘模块打印模块图（3）单片机控制方案这个方案的电路设计的计价器不仅能够实现最基本的计价功能，还能根据不同的时间段来调节计费单价，并且还能在不计价的时候显示当前时间。总价的公式为：总价=6+1.2*（总里程-2）+等待时间*0.3。AT89S51作为一个单片微型的计算系统，不仅灵活性高，而且它强大的控制处理功能以及可扩展功能能够为本次的电路设计提供了很好的选择。 经过上面的三种方案的比较，很明显单片机的方案有很大的灵活功能提升空间，这样不仅能够实现所有要求的功能并且还能根据需要预留了功能扩展的。因此我采用第三种方案来设计计价器，用AT89S51单片机来完美的实现出租车计价的功能。1.5 系统的设计与思想出租车计价器已经不知不觉深入了我们的生活当中。随着世界上经济的不断发展，人民的生活也得到了很好的改善，城市的交通也在日益的完善着，无论是出租车还是公交车都得到了很好的使用环境。而计价器则安装在了出租车上，避免了人们之间的买卖纠纷。但是早期的出租车计价器没有那么多功能，也没有那么的准确。因此出租车计价器不断的得到了完善。出租车计价器是一种能够根据乘客乘坐出租车时的所行驶时间、行驶距离、等待时间等等进行的计价，并且能够之间在LCD管中直接显示出价格。所以出租车计价器是出租车司机和乘坐的乘客之间用于公平交易的工具。计价器的是否精确，直接关系到消费者和司机经济利益。所以国家十分重视这个问题，所以近几年来，国家质量技术监督部门是开始强化管理出租车计价器。由此可见，计价器的应用十分重要。第二章 系统整体设计及其硬件组成2.1 电路总框图 LCD液晶显示车轮转动检测模块 按键控制模块 AT89S51 单片机 电源模块2.2系统硬件的选择AT89S51与AT89C51的区别MCS51单片机是在早期时由美国的INTE公司所创造出来的一款单片机，这款单片机我们一直用到了现在，而如今，51单片机仍然是全国市场的主流。3由于ATMEL公司的89C51已经停产，所以现在很多高校都开始使用PHILPS(菲利普）公司的89S51。而我们常用的89C51其实也很优秀，在很多的基础上增强了很多的特性，比如说时钟上，更优秀的是由Flash存储器取代了原来的ROM。所以说AT89C51的性能相对于8051已经算得上是质的飞跃了。但是由于时代在进步，市场的要求也越来越高，89C51受到很多挑战，89C51最严重的不足是在于不支持ISP（在线更新程序）功能，所以必须要加上ISP功能等新的功能才能更好的延续MCS51的历程。然而89S51就是在这样的市场下赢得了89C51，因此89S51顺利的成为了现今市场的所需，完全的取代了89C51的地位。AT89S51与AT89C51相比(1)AT89S51增加了很多的性能，论价格来比，甚至比89C51的还要低。(2)原来的89C51的最高的工作频率是24M，但是新出现的89S51拥有着更高的工作频率，这样使工作的速度提高了一个层次4。所以在这个设计中，我们毫无疑问的选择了AT89S51单片机作为了计价器的核心。2.3系统硬件设计本文的出租车计价器以AT89S51单片机为核心，由里程计算电路、液晶管显示电路等硬件组成。利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性5。这个全面的实现了计价器上的计价价格调节、时钟显示，并且能在原有基础上实现了扩展的功能，还能够方便日后的升级功能。2.4里程测试霍尔传感器我们是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。在这里我使用到霍尔传感器的原因是因为它有很多的优点，比如它安装方便、使用的寿命长、体积小且轻、最重要的还是它的消耗功率小而且频率又高等。里程计算是通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号6，再送到单片机里，经过计算和处理，发送到显示单元。A44E检测的原理图如图（4）所示，P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断07，车轮每转一圈（设车轮的周长是1M），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8，当所设定的计数到了1000次的时候，也就是1KM，单片机内部就会自动将金额增加，这个的计算公式如下：当前单价 × 公里数 = 所付金额 霍尔传感器 AT89S51单片机小磁铁车轮 图（4）传感器测距示意图我们在霍尔电势发生器的两个端口加上了VCC电压，由霍尔效应原理得知，当霍尔片在磁场中的时候，霍尔传感器A44E输入端输出了低电平。每当车轮转动一圈的时候小磁铁就能够产生一个磁场，然后霍尔传感器A44E就会输出一个低电平来完成一次数据的采集。2.5 掉电存储芯片AT24CO2的概述和设计由单片机所实现仪表仪器、监控系统、家用电器等系统中，对一些状态的参数，不仅要实现它们能够在线升级以及修改，还要在断电的时候保持供电状态。断电后保护数据的方法我们可选用具有断电保护功能的RAM以及电可擦存储器EEPROM。虽然拥有断电保护功能的RAM容量大，速度快，但是占用线多而且又成本高，而EEPROM适合数据交换量少，这个可以应有到对传送速度要求不高的场合。AT24CX系列串行EEPROM是先进的单片机应用系统中应有到比较多的EEPROM芯片。它的系列串行EEPROM不仅拥有消耗功率低、工作的电压范围大、体积比较小等特点外，还拥有着所被占用的I/O口线少，芯片扩展起来配置比较灵活方便，方便于人们读写、型号也有很多，容量的空间大等优点。在现在持续发展的社会中，也在大量的投入使用中。本文中，我们利用AT24C02芯片应用到该设计中的掉电存储模块中。图（5）为AT24C02芯片图。我们利用I2C总线的原理接线，应用掉电保护单元AT24C02。数据存储部分的用途是当没有电源的时候，会自动保存之前操作留下的信息。电路的连接图如下图（6）所示。这个设计的优点是它的高效性和简单性。一般的地址输入端是A0，A1，A2，写保护WP接Vcc或GND；SCL，SDA 接上拉电阻(上拉电阻的阻值可参考有关数据手册选择，通常可选用510 kQ的电阻，设计中选用的电阻阻值为51 k )后再接单片机的普通IO 口，这便可实现单片机对AT24C02的操作9。图（5）AT24C02型号 图（6）掉电存储电路连接图2.6 复位电路的设计单片机在开始启动之前都需要进行一次复位的操作，这样能使CPU和系统中的其它部件都能处于一个准确的初始状态，并且能从这个初始状态开始工作。AT89S51单片机有一个引脚是RST，它是触发器的输入端，该输出端是接复位电路的输入。复位信号所用的电频是高电平，它的有效时间应能持续二个机器周期以上，也就是24个振荡脉冲周期。复位了之后，使ALE、PSEN、P0、P1、P2口的输出都可视为高电平（即为输入状态），复位了以后，内部寄存器的状态如下表表1所示。当RST变为低电平了以后，就又会退出了复位的状态。CPU从初始化开始工作，由所给的状态表可知，复位了以后：程序寄存器由0000H开始执行程序，而内部RAM不受复位影响。复位有按键手动复位和电复位两种状态。而按键手动所具有的是脉冲方式和电平方式方式两种。在本次设计中，为了方便我们的操作，我们采用了按键手动复位的按键电平复位方式。其复位电路由表2所示：表1 端口引脚 复用功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（定时器0的外部输入） P3.5 T1（定时器1的外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P30FFHSCON00HIPXX000000HSBUF00HIE0X000000HPCON不定TMOD00H0XXX0000B表2 复位电路表复位电路连接图如图（7）所示：图（7） 复位电路连接图2.7 晶振系统模块本设计我们使用PCF8563作为芯片。它于该系统中的主要作用是设定。例如：它可以设定时间，单位可以为时、分、秒。我们都知道乘客或者司机在出租车上都需要用到时间来计价钱，或者能够看到现在的时间是多少，所以计价器在出租车上就需要显示实时时钟,因此要选择一个好的时钟芯片对计价器来说是很重要的。时钟要提供到秒、分、时，我们通过设计8563的控制/状态寄存器选择，时钟方式必须要经过初始校准后才能够工作使用。PCF8563是一款无论是性能又或者是价格都是比极高的时钟芯片，它已经被广泛的使用在了电表水表气表和电池供电的仪器仪表等产品当中。该电路连接图如图（8）所示。图(8) 8563晶振电路2.8 时钟电路模块时钟电路所产生了的脉冲是通过触发器进行二分频了之后，才可以形成的单片机的时钟脉冲信号。一般的电容为C3和C4，我们大概就取30pF左右。而晶体振荡频率的范围为1.2MHz12MHz。然而晶体振荡的频率与时钟振荡以及单片机的运行速度是成正比的，也就是说晶体振荡频率高的时候，时钟振荡频率也越高，而且单片机的运行速度就越快。我们在这次的设计中，这次的课题设计我选用了晶振频率为6MHz,C1和C2的值都均为30pF。时钟电路图如图（9）所示。图（9） 时钟电路连接图2.9 显示电路模块在这次设计中，我们可以使用LED显示器或1602液晶显示器，但是由于1602液晶所使用到的接口比较少，显示效果更好，方便于设计，所以我们使用到了1602液晶显示器。然而我们本次设计中所使用到的液晶显示是字符型液晶，并且它是带字符库的，而且不需要去查找代码。液晶电路使用的时候，如果发现液晶不亮的话我们可以调节连接液晶的点位器，用此来改变液晶的亮度。显示电路如图（10）所示：图（10）1602液晶显示电路第三章 系统软件设计3.1 主程序设计在主程序模块的模拟中，我们需要建立对每个接口的单价的初始化、芯片的初始化以及出租车的起步价、开中断和循环等待和中断向量的设计等工作。并且，在主程序的建立的模块中我们还需要用到里程寄存器、价格寄存器和设置启动/ 清除标志寄存器，接着对它们进行初始化。然后，主程序将会随着不同程序的内容分别完成计价、计程、清除和启动等不一样的操作。有乘客上车的时候，就会当打下空车信号灯，这个时候就表示计价器开始运作，并且计价器自动开始计价，然后根据里程寄存器所给出的内容计算和判断出行驶路程是否已经超过起价公里数。如若已经超过，就会根据下面所给出的公式计算出当前的累计价格，并且将结果存储于价格寄存器当中，然后将当前的时间和累计出来的价格送到LCD 显示电路显示出来。当途中遇到等待时间的时候，计价器就会在一定的时间内将没有检测到传感器的脉冲信号，T0定时器就会自动启动进行计时，如果超过已设定的等待时间，计价器就会根据当前等待的价格进行现在的金额加上等待所用的金额并显示出来，并且在计价器上显示出等待的时间；如果到达目的地的时候，按下空车灯，霍尔传感器没有接收到信号，就会停止计价，并且显示出当前应付的金额，到下次打下空车灯的时候，系统就会自动将之前所显示的价格清零，并且重新进行初始化的过程10。 图3.1 主程序流程图计价1：起步价+里程×每公里价格（1.2元）计价2：起步价+里程×1.2元+等待时间×等待价格（0.3元/分钟） 计价3：起步价+等待时间×等待价格（0.3元/分钟）计价4：起步价 3.2 定时中断服务程序在定时中断服务程序中，每10ms产生一次中断，当产生100次中断的时候，也就到了一秒，按秒累积60次后恰好为1min,这样就可完成定时1min的功能。3.3 里程计数中断服务程序每当霍尔传感器输出一个低电平信号的时候就使单片机的运行中断一次，而当里程计数器T1对里程脉冲计满1000次的时候，就完成之前行驶路程的累计操作，并将结果存入里程寄存器中11。其程序流程如图3.2 所示. 图3.2 里程计数流程图3.4 中途等待中断服务程序当中途等待按键S4按下时，就启动T0开始计时，每当计时到达1min，等待时间累加器值就自加，并将结果存入时间寄存器中。当中途等待结束的时候，就再按一下S4键就会自动自动切换到正常的计价12。该程序流程如图3.3所示。 图3.3 中途等待流程图第四章 结论与展望4.1 结论单片机课程设计是电子技术基础教学中的一个实践环节，通过此次课程设计，巩固和加深了我们在数字电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能，训练了我们在电子产品制作时的动手能力。而此次我选用的AT89S51单片机作为本设计的主要控制元件，是因为AT89S51单片机具有很强的功能，连接的电路简单，使用的成本比较低再加上可以在上面使用简单程序编程，让它拥有了智能的水平。这样比以前的计价器更加稳定并且能使用的更久。设计过程中虽然会遇到很多困难，但通过查找各种相关的资料，并且从中学习到了很多的知识，这样不仅增长了我的知识面，还让我认识到了学习的重要性。然后通过自己不断的动手实验，也使我增长了动手实践的经验，提高了自身的动手能力和动脑能力，让我知道遇到问题不能逃避，要学会去分析问题，思考问题，解决问题。这是在学校中学不到的知识。参考文献1 张晓虎等.基于单片机的出租车计价器编码传感器的设计.自动化技术与应用 2005,10.2何俊池等.基于AT89S51的出租车计价器的设计.科技致富向导 .2011.3徐金增.单片机编程仿真实验系统的设计与实现.山东师范大学. 2009.4王宪等.基于单片机89S51的以太网通信.中国电子商情：通信市场.2009.5郑晓东，王志坚，周晓峰，等一种基于Web Service的分布式计算模型研究及其实现J计算机工程与应用，2006 (1)：1441476余洁，李治柱基于Web Service的上海巴符州科技经济信息通道的设计M计算机工程，2004，30(12)：189191.7戴胜华，蒋大明单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，2005.8黄代福出租车计价器传感器原理及检测J计量与测试技术，2006(8)；20 219求实科技单片机典型模块设计实例导航M。北京t人民邮电出版社，2004.10基于单片机的多功能出租车计价器设计.肖卫初、陈伟宏、杨明 J.湖南城市学院出版社，2005.11舒涛等.基于AT89S51单片机的出租车计价器系统设计.现代电子技术.2010.12肖卫初等.基于单片机的多功能出租车计价器的设计.现代电子技术.2008.