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基于430單片機的出租車計價器設計與實現

2015年微型機與應用第17期

葉磊，黃瑩，齊軒晨，劉艷

（南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京 210023）

摘要： 出租車在交通出行中起到十分重要的作用，司機與消費者都迫切需要能夠科學合理地顯示出租車費用的計價器。在總結以往設計不足的基礎上，實現了基于430單片機的出租車計價器。該計價器主體以觸摸式液晶顯示器取代機械按鍵，以MSP430F149單片機為核心，實現參數設定、狀態選擇以及多重信息顯示等。實驗測試結果表明，該系統實用可靠，能準確顯示模擬小車信息，可投入到實際應用中去。

關鍵詞： 出租車計價器單片機觸摸式液晶

Abstract：

Key words :

　　摘要：出租車在交通出行中起到十分重要的作用，司機與消費者都迫切需要能夠科學合理地顯示出租車費用的計價器。在總結以往設計不足的基礎上，實現了基于430單片機的出租車計價器。該計價器主體以觸摸式液晶顯示器取代機械按鍵，以MSP430F149單片機為核心，實現參數設定、狀態選擇以及多重信息顯示等。實驗測試結果表明，該系統實用可靠，能準確顯示模擬小車信息，可投入到實際應用中去。

　　關鍵詞：出租車計價器；單片機；觸摸式液晶

0 引言

　　隨著城市化進程的加快，出租車需求量不斷增加、車型逐漸多樣化[1]；隨著司機對自身權益的要求，針對夜間出車、堵塞等待，分模式計費是必然趨勢；物價升高以及附加燃油費的變動，引起出租車收費調整，計價器計價算法卻不能及時更新[2]。出租車計價器的計費方式以及準確性與司機、乘客的利益息息相關。

　　傳統出租車計價器的設計是采用普通液晶顯示加機械按鍵控制，機械按鍵頻繁使用之后易發生故障[3]；計價器依賴硬件，易被篡改，計價頁面信息單一，不利于乘客監督和保障自身利益；計價器更新麻煩，不能及時跟上市場變化。針對這些不足，本文基于低功耗的MSP430單片機設計了一款出租車計價器，采用觸摸液晶顯示器，電路單元簡單，調整方便，模式、單價、車速等信息一目了然，很好地彌補了已有出租車計價器的不足。

1 設計思路

　　傳統計價器利用外部芯片的定時器捕捉脈沖信號實現測速、測里程的功能，同時通過使用外部ROM芯片進行掉電保護。MSP430F149單片機集成了這些硬件條件，同時F149單片機內部定時器還具有捕獲上升或下降沿的工作方式[4]，結果更精確。計價器正常工作時，點擊觸摸式液晶屏上選項，將觸點坐標送給單片機，單片機識別出用戶指令，選擇相應狀態；光電傳感器將機械轉動信號轉為電脈沖信號送入單片機處理；單片機通過定時中斷獲取脈沖周期，根據車輪半徑等實際參數算出速度、里程等信息送液晶更新顯示；單片機通過SPI方式連接SD卡，送入液晶的數據同時緩存在其中，起到掉電保護的作用；根據市場對起步價及單價的調整，出租車公司可隨時更新系統程序。

2 硬件設計

　　整個出租車計價器設計包括四個部分：單片機模塊、掉電保護模塊、液晶顯示模塊和光電傳感器測速模塊。整個系統由8節干電池供電，整體結構如圖1所示。

　　2.1 單片機單元電路設計

　　單片機MSP430F149的單元電路圖如圖2所示。16位超低功耗MSP430F149單片機包括時鐘模塊、定時器A、定時器B、串行通信接口、比較器以及多個I/O口等。單片機的定時器有比較/捕獲模式，工作時鐘可以由對內部時鐘分頻得到或者外接時鐘提供，定時器工作在捕獲模式，設置為上升沿捕獲，可以獲得脈沖周期間隔內的主計數器的計數差值。為了提高系統的防作弊能力[5]，可以從變速箱的輸入齒輪以及輸出齒輪處獲取脈沖信號，按固有齒輪比編寫的程序，比較兩者計數值，允許極小誤差。如果改換變速箱齒輪，出租車運行之后，兩處脈沖不滿足確定關系，計價器不會進行計費。

　　計價器的時間顯示可以不需要外部的實時時鐘芯片，利用單片機的定時器的定時中斷，由司機根據實際時間設定初值，當定時中斷觸發時，時間加上1 s，并更新液晶顯示的日期時間。

　　2.2 測速單元電路設計

　　以往出租車計價器中檢測脈沖的霍爾傳感器易受磁鐵干擾，有一種作弊方式：增加磁鐵個數導致電脈沖信號增加[5]，使得計價器多計費。采用光電傳感器能有效地避免電磁干擾?；诠怆妭鞲衅鱗6]的原理設計測速電路：將機械轉動信號轉變為光脈沖信號，再轉變為電脈沖信號送入單片機處理，電路原理圖如圖3所示。為了避免可見光的影響同時提高響應速度，選用GaAlAs紅外對管；為保護紅外發光管和光敏接收管，兩管通過電阻接地，起限流作用；用三極管對光強變化引起的電位升降信號進行放大；最后通過反相器74HC04對三極管集電極的電脈沖信號進行消抖整形，避免單片機誤判造成顯示不穩定。

　　2.3 液晶顯示單元電路設計

　　液晶顯示單元電路[7]包括控制電路（圖4）、輸入輸出接口電路（圖5）。液晶屏采用DMTFT-28型TFT彩色觸摸屏，觸摸屏的結構[8]包括三個部分：導體層之間的隔離層、電極以及兩層透明的阻性導體層。如果有外力使上下兩層在某個點接觸，控制電路通過觸摸屏控制芯片XPT2046分別采集觸點在X軸和Y軸上產生的數字電壓量，運用公式計算觸摸點坐標，根據坐標位置對應的指令，單片機對液晶顯示做出狀態更改或者頁面切換。輸入輸出接口電路中，第35~40腳為觸摸控制接口；第26~33腳為液晶數據口高8位；第21~24腳是SD卡的控制接口；第17腳為I/O擴展控制位LE腳（74HC573鎖存芯片的LE腳）；第4~16腳與控制器之間增加了限流電阻，可以在使用5 V控制器驅動液晶時，保護液晶避免過流而損壞，限流電阻阻值1 k、2 k均可。

　　2.4 掉電保護單元電路設計

　　掉電保護電路設計的關鍵是選用合適的外部存儲器以及相應的通信方式。Flash寫入速度比較慢，而且即使速度能跟上，內部的Flash寫入次數也有限，很快就不能工作了，給程序空間帶來很多風險。這里采用SD卡以及SPI串行通信協議[9]，接口電路如圖6所示。由SCLK提供時鐘脈沖，SDI、SDO基于此脈沖完成數據傳輸。串行數據通過SDO線送入到單片機，數據在時鐘下降沿或上升沿時改變，在緊接著的上升沿或下降沿被讀取。輸入數據時原理類似。

3 軟件設計

　　軟件部分程序采用模塊化的設計方法，主要是液晶顯示程序、定時器中斷測速程序和掉電存儲程序，其中液晶顯示程序包括定時中斷計時程序、觸點坐標判斷程序以及預先設置的3個界面。

　　當車啟動時，出租車自身的電氣系統給計價器供電，MSP430單片機對定時器、液晶初始化。當電機開始轉動時，會產生光脈沖由光電傳感器轉換為電脈沖送入單片機的定時器捕捉相鄰上升沿，根據定時器所使用的時鐘頻率可以算出脈沖頻率，繼而算出電機的轉動速度，再根據齒輪比等參數即可得到里程數。由里程數以及計費規則，單片機會自動算出總車費并顯示在屏幕上。當司機點觸屏幕時，單片機會根據點觸的坐標位置，選擇相應的指令，或是更新數據或是切換到預先配置的界面中。如果電路系統供電突然中斷，單片機在下次上電啟動時，將儲存在SD卡中的數據、狀態取出繼續運行。

　　源程序中已經設定了白天、黑夜兩種模式，對應了兩種不同的計費規則，由單片機根據系統時間自行選擇模式，乘客能在液晶屏上看到此時的時間、模式。當有乘客上車時，司機只需點擊“載客”，系統就會進行計費；未載客時，點擊“空閑”即可。計費規則綜合考慮了起步價、每公里車費、燃油附加費，只需要根據最終顯示的總車費付費即可。當需要對起步價或單價或燃油附加費進行調整時，只需要修改源程序的參數，再將新程序裝載到MSP430單片機中即可。主程序框圖如圖7所示。

4 測試及分析

　　設計完成后，編寫了相關功能的程序燒入單片機，通過在小車模型上模擬出租車運行，觀察計價器工作情況。小車通過4個LM298N芯片驅動直流電機轉動；在某兩個電機轉軸處用光電傳感器取脈沖分別送入單片機比較，誤差在運行范圍內即可正常計價（模擬真實出租車系統變速箱的兩個齒輪，防作弊措施）；整個小車系統以8節干電池供電，主要用于驅動直流電機工作，計價器部分功耗很低，在出租車系統中完全能穩定工作；計價器頁面清晰顯示載客狀態、時間、模式、單價、里程數以及車費。表1是模擬運行顯示的信息，實物見圖8。