最终出租车计价器设计报告Word文档格式.docx
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AT24C02存储芯片;
第一章、方案论证与设计………………………………………………………………………………….1
1.1控制器方案及其选择.……………………………………………………………………………1
1.2测量里程方案及其选择………………………………………………………………………..1
1.3显示方案及其选择………………………………………………………………………………..1
1.4键盘方案及其选择………………………………………………………………………………..1
1.5掉电保护及其选择………………………………………………………………………………..2
1.6系统电源选择………………………………………………………………………………………..2
1.7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………………………………………………………………………………………3
3.1控制器模块…………………………………………………………………………………………….3
3.2输入模块……………………………………….………………………………………………….……4
3.3测里程模块…………………………………………………………………………………………….4
3.4显示模块………………………………………………………………………………………………..4
3.5掉电保护及密码模块…………………..………………………………………………………..5
3.6系统电源模块…………………………………………………………………………………………5
3.7语音播报模块…………………………………………………………………………………………5
第四章、硬件设计……………………………………………………………………………………………….5
4.1输入部分硬件设计………………………………………………………………………………….5
4.2测量里程部分硬件设计………………………………………………………………………….6
4.3七段数码管部分硬件设计……………………………………………………………………..7
4.4掉电保护硬件设计………………………………………………………………………………….9
4.5系统电源硬件设计…………………………………………………………………………………10
4.6语音播报模块硬件设计…………………………………………………………………………10
4.7总体电气连接图…………………………………………………………………………………….11
第五章、软件设计………………………………………………………………………………………………13
5.1键盘部分软件设计……………………………………………………………………………......13
5.2测里程部分软件设计……………………………………………………………………………..14
5.3掉电保护及密码设置部分软件设计………………………………………………………16
5.4七段数码管显示部分软件设计………………………………………………………………20
5.5语音播报部分软件设计………………………………………………………………………….21
第六章、仿真与实现……………………………………………………………………………………………24
6.1电源模块仿真…………………………………………………………………………………………24
6.2数码管模块仿真……………………………………………………………………………………..25
6.3键盘部分仿真…………………………………………………………………………………………26
6.4测里程部分仿真……………………………………………………………………………………..27
6.5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
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。
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
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。
采用七段数码管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
:
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。
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
加接不间断电源,让整个系统在掉电时继续工作,这种方法体积大、成本高,对单片机系统来说,对于本系统来说,不宜采用。
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。
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
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。
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。
综合上述两种方案,选择方案二。
1.7语音播报数据芯片选择
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。
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。
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。
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
MSP430F149是一种新型的混合信号处理器,采用了美国德州仪器(TexasInstruments)公司最新低功耗技术(工作电流为0.1一400pA),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。
MSP430F149单片机主要具有如下特点:
①低电压、超低功耗。
工作电压3.3V,等待方式下工作电流为1.3wA,在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0.巧RA。
②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。
③拥有大容量的存储空间。
存储器方面包括多达60kFlashROM和2kRAM,如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要。
④两通道串行通信接口。
可用于与计算机进行异步或同步串行通信。
⑤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。
⑥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3.1.1MSP430F149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-40℃~150℃,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LED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CMOSE2PROMAT24C02,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3~4V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60s,可重复录放10万次。
该芯片采用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P5.0~P5.3作为输出口,P5.4~P5.7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P5.4~P5.7的状态,以确定哪条列线为“0”状态,若P5.4为“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SW0~SW9对应数字0~9,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,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。
其工作原理为当车轮上的磁钢接近霍尔片(HallPlate)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4.2.2SS41F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4.3.14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D0~D7为段选数据输入口,Q0~Q7为段选数据输出口,分别于七段数码管的a~dp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4.3.274HC573管脚图
图4.3.374HC573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1~2ms,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00~FF,共256个寻址单位。
对于最后一页用于储存密码。
图4.4.1AT24C02管脚图
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-0.3<
V2=VCC,比较器输出高电平,系统正常工作,U1>
0;
掉电瞬间,U2=0,由于C3的储电功能,U1>
0,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4.4.2AT24C02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7~36V,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),给地址A0~A9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0~599作为分段用,见表4.6.1,地址600~767未使用,地址768~1023为工作模式选择。
表4.6.1ISD2560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4.6.2ISD2560电气连接图
4.7总体电气连接图
其总体电气原理图如图4.7.1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;
voidCheck_Key(void)
{
unsignedcharrow,col,tmp1,tmp2;
tmp1=0x10;
//tmp1用来设置P5口的输出,取反后使P5.0~P5.3中有一个为0
for(row=0;
row<
4;
row++)//行检测
{
P5OUT=0x0f;
//先将P5.0~P5.3置高
P5OUT=~tmp1;
//使P5.0~P5.3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
{
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