1、最终出租车计价器设计报告北京化工大学课程设计课题名称：出租车计价器 学院：信息科学与技术学院专业：测控技术与仪器 班级：测控1004 组员：杨明 2010014294 董兵兵 2010014311指导教师：冯晓东 2013年12月23日出租车计价器摘要本系统以MSP430F149控制器为核心，主要功能是计价显示、时钟显示、里程显示，根据白天、黑夜、途中等待来调节营运参数、计量数据查询等。开关式霍尔传感器SS41F负责测量里程功能。七段数码管LED负责显示计价、时间、里程等功能。4X4矩阵键盘负责LED显示模式切换、单价设置、复位、等功能。ISD2560语音芯片负责语音播报功能。ATMEL 公司
2、的电可擦除存储芯片AT24C02负责掉电保护等功能。关键词：MSP430F149控制器；霍尔传感器SS41F；七段数码管LED；ISD2560语音芯片；AT24C02存储芯片；第一章、方案论证与设计.11.1控制器方案及其选择.11.2测量里程方案及其选择.11.3显示方案及其选择.11.4键盘方案及其选择.11.5掉电保护及其选择.21.6系统电源选择.21.7语音播报数据芯片选择2第二章、系统总体设计2第三章、功能模块设定33.1控制器模块.33.2输入模块.43.3测里程模块.43.4显示模块.43.5掉电保护及密码模块.53.6系统电源模块53.7语音播报模块5第四章、硬件设计.54.
3、1输入部分硬件设计.54.2测量里程部分硬件设计.64.3七段数码管部分硬件设计.74.4掉电保护硬件设计.94.5系统电源硬件设计104.6语音播报模块硬件设计104.7总体电气连接图.11第五章、软件设计135.1键盘部分软件设计.135.2测里程部分软件设计.145.3掉电保护及密码设置部分软件设计165.4七段数码管显示部分软件设计205.5语音播报部分软件设计.21第六章、仿真与实现246.1电源模块仿真246.2数码管模块仿真.256.3键盘部分仿真266.4测里程部分仿真.276.5掉电保护仿真27参考文献.28第一章、方案论证与设计1.1 控制器方案及其选择方案一：采用FPGA
4、为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用STC89C52作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软
5、件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用STC89C52处理输入的数据并控制电机运动。方案三：采用16位的MSP430单片机作为系统的控制方案，430主要特点就是低功耗，同时集成AD转换电路，JTAG调试端口，多个中断源触发，自带看门狗，以及温度采集电路和RC振荡电路。内部有自带的12位模/数转换器。ADC12模块有模拟多路其、参考电压发生器、具有采样保持功能的12位模数转换器、采样及转换所需的时序控制电路、转换结果缓冲器等功能模块构成。处理精度和运算速
6、度明显高于52。综合上述三种方案，选择方案三更为合理。1.2 测量里程方案及其选择方案一：投射式光电传感器如光电码盘，对轮子的机械加工较难精确实现。方案二：开关式霍尔传感器SS41F，其工作性能稳定，在车轮上安装一个小磁铁即可实现测圈数，进而得到距离值。综合上述两种方案，方案二能更好的满足设计要求。1.3 显示方案及其选择方案一：采用字符型LCD显示。LCD具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点，可显示英文、汉字及数字。利用单片机来驱动液晶显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电少，显示内容丰富。但其背光效果不好，特别是在白天，较远距离很难看清屏幕上显示的内容。价格也比较昂贵。方案二：采用七段数码
7、管LED显示。LED发光二极管亮度高、醒目、直观、稳定性好，其对比度明显比LCD好。价格也比LCD低。综合上述两种方案，结合题目要求，选择方案二。1.4 键盘方案及其选择方案一：矩阵键盘虽然占用单片机的端口少，节约单片机的硬件资源，但是电路设计较为复杂，开发时间相对较长，软件设计也相对复杂，主要针对多键盘设计，适用于控制要求高、控制功能多的系统。方案二：采用简单独立键盘，设计简单，易于实现。键盘在系统中主要作运行控制选 择，简单键盘减少了系统的复杂度。综合上述两种方案，由于本系统的输入量与功能较多，选择方案一。1.5 掉电保护及其选择方案一：加接不间断电源，让整个系统在掉电时继续工作，这种方法
8、体积大、成本高，对单片机系统来说，对于本系统来说，不宜采用。方案二：采用备份电源，掉电后保护系统中全部或部分数据存储单元的内容，此方法可能丢失重要的数据。方案三：采用EEPROM来保存数据。EEPROM既具有ROM掉电不丢失数据的特点，又有RAM随机读写的特点，其速度稍微有点慢，但能够很好的满足题目的要求。综合上述两种方案，结合题目要求，选择方案三。1.6 系统电源选择方案一：采用普通干电池供电，随着电源的耗电可能会出现电量不足，噪声较大，稳定性差，优点是简单，方便。方案二：出租车电源经稳压模块稳压后为系统供电，此供电电压精度高，稳定，噪声小，能够满足一些对电压精度要求较高的芯片。综合上述两种
9、方案，选择方案二。1.7语音播报数据芯片选择方案一：WT系列语音芯片，是一种简单的SRAM 录放芯片. 录音时间可以通过调节振荡电阻的频率在4-8S范围内改变，只能储存一段语音，需要很小电流保存语音。特点：录放电路简单；语音存储时间较短；价格较廉。方案二：ISD系列语音芯片，以FLASHRAM闪烁存储器为IC介质 ，断电后语音还能保存。特点：内部没有单片机，语音的音质是高保真的，不经过数据转换，控制有两种：并口和串口控制，控制简单，可以直接使用按键控制录放音，语音可以划分为256段语音。综合上述两种方案，结合题目要求，选择方案二。第二章、系统总体设计本系统完成的主要功能是计价显示、时钟显示、里
10、程显示，根据白天、黑夜、途中等待来调节营运参数、计量数据查询，语音播报等。以MSP430F1491控制器为核心，通过键盘输出与七段数码管LED的显示。以至司机与乘客一目了然。计价器系统总体框架图如图2.1.1所示。图2.1.1 系统总体设计框架图第三章、功能模块设定3.1 控制器模块 MS P43 0F 149是一种新型的混合信号处理器，采用了美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术(工作电流为0.1一400 p A )，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。MS P4 30 F149单片机主要具有如下特点: 低 电 压、超低功耗。工作电压3.
11、3V ，等待方式下工作电流为1.3 w A，在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0.巧RA 。 具 有 12位的模数转换器(ADC12) ，可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。 拥 有 大容量的存储空间。存储器方面包括多达60 k Flash ROM和2 k RAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要。 两 通 道串行通信接口。可用于与计算机进行异步或同步串行通信。 硬 件 乘法器。该乘法器独立于CPU进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了CPU的利用效率。 串 行 在系统编程。通过仿真器对程序进行下载，并通过专用软件对程序及单
12、片机的工作状态进行监控，极大地方便了程序的调试。如图3.1.1所示其引脚图。图3.1.1 MSP430F149功能引脚图3.2 输入模块本系统采用4X4矩阵键盘作为输入控制器，输入的命令包括LED的显示方式切换，例如显示计价、时钟；运营模式选择，例如白天、黑夜、途中等待；单价输入；复位等。本系统中的键盘采用逐行扫描查询法。3.3 测里程模块 本系统采用开关式霍尔传感器SS41F进行里程测量，霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL兼容。SS41F内部电源调整器为霍尔内电路提供带温度补偿稳定电源，满足宽电压工作电压范围.SS41F工作温度范围为-
13、40150，耐压60V，可适用于各种位置检测，本系统测量中在车轮上安装一个圆盘，圆盘上安装磁钢即可，磁钢个数越多越精确，考虑到本系统对里程精度的要求不高，安装一个磁钢即可。霍尔开关固定在小磁钢附近，车轮转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出脉冲个数N，车轮周长为L，则里程S为L*N。3.4 显示模块 本系统采用七段数码管LED作为显示输出，LED主要显示单价、时间、里程，计价显示。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件，其采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可是距离远等特点。结合系统的里程要求，选择4位七段数码管作为L
14、ED显示屏，里程的单位设置为KM。3.5 掉电保护及密码模块本系统掉电保护模块采用一个ATMEL 公司2K位串行CMOS E2PROM AT24C02，其采用两线串行的总线和单片机通讯，工作电压为2.7V至7V，额定电流为1mA，静态电流10Ua(5.5V)，片内防误擦除写保护，具有100万次擦写周期，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8 脚的DIP 封装，使用方便。该存储器能够在系统断电时，保存数据，再次给单片机上电时，数码管能够显示上次关机时的数据。题目要求输入单价是必须输入密码，对于STC89C52RC的ROM是不可通过编程擦出的，RAM中的数据掉电丢失，因此将需要设
15、置的密码保存在AT24C02中。3.6系统电源模块本系统采用三端稳压集成电路lm7805为系统供电，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装。输出为+5V稳定电压,最高输入极限电压36，最低输入电压7V,极限电流1000mA，集成稳压块的最佳工作状态是输入电压与输出电压间的压差在34V左右。压差太大可在输入前端串联几个二极管降压，这样稳压块就不会很烫了。3.7 语音播报模块 ISD2560是ISD系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60，可重复录放10万次。该芯片采用
16、多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为8.0KHz，同一系列的产品采样频率越低录放时间越长但通频带和音质会有所降低。此外，ISD2560还省去了A/D和D/A转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480k字节的EEPROM。ISD2560内部EEPROM存储单元均匀分为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址
17、单元的地址分辨率为100ms。此外，ISD2560还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。ISD2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。 第四章、硬件设计4.1输入部分硬件设计如图4.1.1所示键盘与控制器MSP430F149的电气连接图，4X4矩阵键盘与控制器的P1口相连，其中P5.0P5.3作为输出口，P5.4P5.7作为输入口。其工作原理为MCU先使行线P5.0为低，即0行为“0”，其余行为“1”；MCU读入P5.4P5.7的状态，以确定哪条列线为“0”状态，若P5.4为
18、“0”状态，则S0按下，以此类推，确定是那个键按下；若P5.0行线全为“1”状态，MCU继续使P5.1行线为“0”状态，其余行线为高，再次读入列线的状态，以确定是哪个键按下；判断出哪个键按下后转入相应的键处理程序。本系统键盘采用定式扫描方式，在初始化程序中对定时/计数器进行编程，使之产生10ms的定时中断，MCU响应定时中断，执行中断服务程序，对键盘扫描一遍，检查键盘的状态，实现对键盘的定时扫描。对键盘的功能定义如下SW0SW9对应数字09，SW10三个运营模式切换，白天、黑夜、途中等待。SW11显示模式切换。SW12表示接收键盘输入单价，SW13为复位功能。当按下上述按键时转入相应的程序处理
19、，SW14启动系统计时。图4.1.1 键盘工作原理图4.2测量里程部分硬件设计如图4.2.1所示霍尔传感器SS41F的工作原理图，41F反应速度快，灵敏度高，成了多个功能块于一个小封装内的霍尔效应器件。该电路主要有三部分组成，一、内部集成电源反接保护线路，防止电源极性意外接反损坏传感器。二、SS41F内置电源调节器，内部电源调整器为霍尔内电路提供带温度补偿稳定电源，满足宽电压工作电压范围，从而满足3.8V到28V宽工作电压范围。三、SS41F片内还集成霍尔电压发生器，温度补偿线路，比较器，抗噪音施密特触发器及集电极开路输出。在没有磁钢时输出高电平，磁钢接近磁感应面时输出低电平。其工作原理为当车
20、轮上的磁钢接近霍尔片（Hall Plate）时，会产生一个脉冲信号，经运算放大器放大后，再由施密特触发器和集电极开路输出。在没有磁钢时输出低电平，有磁钢经过霍尔片时输出高电平。图4.2.1 霍尔传感器SS41F原理图在本系统采用SS41F集成模块，只需要到VCC,GND,VOUT三个口，其与控制器的连接图如图4.2.2所示。VOUT接控制器的中断TO口，每检测到一个脉冲信号，里程就增加一个车轮周长。图4.2.2 SS41F接线图4.3七段数码管部分硬件设计 如图4.3.1所示为共阴极4位七段数码管内部结构图。管脚标号为从数码管正面观看，以第一脚为标号1，以逆时针方向排序。其中12-9-8-6分
21、别为四个数码管的共阴极。11-7-4-2-1-10-5-3对应数码管的a-b-c-d-e-f-g-h-dp。图4.3.1 4位七段数码管内部结构图本系统采用驱动芯片74HC573来驱动4位七段数码管的显示。如图4.3.2所示为74HC573芯片管脚图。其中D0D7为段选数据输入口，Q0Q7为段选数据输出口，分别于七段数码管的adp相连。OE与LE为使能输入端口。其部分真值表如图4.3.3所示。图4.3.2 74HC573管脚图图4.3.3 74HC573真值表本系统中七段数码管采用动态显示方式，单片机通过74HC573给与七段数码管段选信号，七段数码管的位选端口由独立的单片机I/O口控制。当单
22、片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。点亮时间通过单片机的定时计数器控制。七段数码管
23、与驱动芯片74HC573及单片机的电气原理图如图4.3.4所示。当显示时间时让DP2，DP3亮，里程和计价时全灭。图4.3.4 七段数码管电气原理图4.4掉电保护硬件设计如图4.4.1所示AT24C02芯片的管脚图，其中A0、A1、A2 器件地址选择，SDA为串行数据地址，SCL为穿行时钟，WP为写保护。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。本系统采用片内子地址寻址：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00FF，共256个寻址单位。对于最后一页用于储存密码。图4.4.1 AT24C02管
24、脚图本系统中AT24C02与控制器的电气图如图4.4.2所示。其中是控制器的VCC，P3.3为控制器的INT1中断。本电路充分利用电容的储电功能，在掉电以后，通过电容中存储的电量给整个系统供电，以维持一段系统工作时间。在这个过程中将需要保护的数据写入AT24C02芯片中。其工作过程如下V1=VCC-0.30；掉电瞬间，U2=0，由于C3的储电功能，U10，比较器输出低电平，控制器进行中断处理，对需要保护的数据通过I2C总线写入AT24C02中，写入过程所需的时间同写入的数据有关。重新上电以后，微处理器必须延迟一段时间，保证外围芯片也达到正常工作电压，然后才能从AT24C02中读出数据，恢复掉电
25、前的状态。本系统中电容选取最为关键，系统掉电以后整个系统都由电容中储电供电，在选取电容时不光只考虑AT24C02的正常工作时间，否则会丢失部分数据。图4.4.2 AT24C02电气原理图4.5系统电源硬件设计本系统采用稳压芯片lm7805为系统其他芯片供电，其输入电压范围为736V，输出电压为+5V，精度较高。其电气原理图如图4.5.1所示，其中Vin为出租车电瓶电压，VO1为稳压后输出的+5V电压。采用7803稳压后输出3.3V为MSP430供电。图4.5.1 稳压电源模块电气图4.6 语音播报模块硬件设计 ISD2560系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前(不少于300纳秒)，
26、给地址A0A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。2560系列地址空间是这样分配的：地址0599作为分段用，见表4.6.1，地址600767未使用，地址7681023为工作模式选择。表4.6.1 ISD2560地址空间分配表在进行播报之前首先录入相应的语音，进行分段存储，进行语音播报时通过相应的语音播报子程序找到相应的语音段地址，然后播报相应的语音。其电气原理图如图4.6.2所示。图4.6.2 ISD2560电气连接图4.7 总体电气连接图 其总体电气原理图如图4.7
27、.1所示，总体PCB图如图4.7.2所示，所有元器件参数及个数如表4.7.3所示。图4.7.1 总体电气连接图图4.7.2 总体PCB图表4.7.3 元器件参数表第五章、软件设计5.1 键盘部分软件设计本系统键盘采用定式扫描方式，在初始化程序中对定时/计数器进行编程，使之产生10ms的定时中断，MCU响应定时中断，执行中断服务程序，对键盘扫描一遍，检查键盘的状态，实现对键盘的定时扫描，以确定是哪个按键按下。其总体流程图如图5.1.1所示。图5.5.1 键盘中断流程图键盘部分程序代码如下：P5DIR=0xff;void Check_Key(void)unsigned char row,col,tmp1,tmp2; tmp1 = 0x10; /tmp1用来设置P5口的输出,取反后使P5.0P5.3中有一个为0 for(row=0;row4;row+) / 行检测 P5OUT = 0x0f; / 先将 P5.0P5.3置高 P5OUT =tmp1; / 使P5.0P5.3中有一个为0 tmp1*=2; / tmp1左移一位 if (P5IN & 0x0f) 0x0f) / 检测P5.4 P5.7中是否有一位为0，只要有，则说明此行有键按下，进入列检测
