基于单片机的出租车计价器实验教学案例设计

摘　要为了让学生加深单片机的理解，加强学生的单片机技术应用、实践动手、创新能力的培养，根据单片机课程设计教学情况精心设计了基于单片机的出租车计价器实验教学案例。本教学案例的基本原理是速度的检测，里程、价格的计算和显示。学生通过全程参与项目的构思、设计、实现和制作环节，掌握了单片机应用系统的整个开发过程，培养了硬件设计和软件设计技能，开发了学生的创新思维，提高了学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。

关键词单片机；出租车计价器；实验教学案例

1 引言

《单片机原理与应用》课程是电子信息相关专业一门重要的专业基础课程，也是一门理论和实践结合非常紧密、突出动手能力的课程。课程设计是单片机课程教学过程中非常重要的实践教学环节之一，通过课程设计可以锻炼并提高学生综合运用知识、分析问题解决问题、实践动手能力、软硬件设计能力、系统测试、团队合作、撰写报告等相关能力。为了让学生加深单片机的理解，加强学生的单片机技术应用、实践动手、创新能力的培养，根据单片机课程设计教学情况精心设计了基于单片机的出租车计价器实验教学案例 [1-3]。

2 教学案例设计

2.1 实验内容与任务

本实验任务是设计制作一个基于单片机的出租车计价系统。具体实验内容：

(1) 键盘扫描，通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能；

(2)通过传感器检测出租车的实时速度以及走过的路程，并在屏幕上显示；

(3) 用户可以通过按键设置白天和夜间头三公里的起步价，和三公里后每公里的价格，最终会在屏幕上显示价格；

(4) 系统还带有时钟显示，能实时显示时间和等待时间，能调节时间；

(5) 扩展功能：系统还带有超速报警，门限速度可以用户自己设置，超速后会语音提醒，语音提醒内容可自行录制。

2.2 实验原理、方案和设计

2.2.1 实验原理

本实验的基本原理是速度的检测，里程、价格的计算和显示。为实现整个设计，先将设计分为七个模块：主控模块、按键模块、显示模块、时钟模块、速度检测模块、语音模块、电源模块，然后分别完成各模块原理图及程序设计，最后连接各模块电路，整体调试、验证设计结果。系统总体硬件结构图如图 1 所示。

2.2.2 实现方案

本系统实现方案很多，每个模块在设计实现过程中都有

多种选择。

(1) 单片机选择，可供选择的单片机有 51 系列、MSP430系列、AVR 系列、STM32 系列等。

(2) 按键模块，可供选择的有独立按键和矩阵键盘。

(3) 显示模块，可供选择的显示模块有 LED 数码管和LCD 液晶显示屏。

(4) 时钟模块，可供选择的有时钟芯片和程序计数计时。

(5) 速度检测模块，可供选择的有光电传感器和霍尔传感器。

(6) 语音模块，可以实现录放功能的语音芯片有 ISD、APR、WT、PM 等系列。

(7)系统供电，可供选择的方式有：电池盒供电、USB供电、电源接口供电。

综合考虑实验室现有资源和成本，本系统选用 51 系列单片机作为主控芯片，选择独立按键实现功能选择，选用 LCD1602 液显示屏显示时间、里程、价格，选用 DS1302 时钟芯片提供时钟信号，选择霍尔传感器进行检测电机转速，选择常用语音芯片 ISD1820 实现语音信号的录入和播放，选择 USB 供电。

2.2.3 系统设计

根据选择的系统实现方案设计电路图如图 2 所示。

根据设计好的电路原理图绘制 PCB 板图如图 3 所示 :

再经过打印、热转印、腐蚀、焊接元器件等环节，出租车计价器的成品图如图 4 所示。

3 实验教学过程与指导

3.1 实验教学

本实验体现了一个完整的系统设计过程，需要经历学习研究、方案论证、系统软硬件设计、仿真调试、实物制作与测试、设计总结等过程。在实验进行前，教师需要讲解的主要内容：

(1) 学习查阅资料。充分利用网络、电子图书馆等资源获取知识、查阅芯片技术资料和手册。

(2)模块化设计思想。将出租车计价的功能分成 7个模块，主控模块、按键模块、显示模块、时钟模块、速度检测模块、语音模块、电源模块。

(3) 结合出租车计价系统框图，介绍单片机应用系统的设计思路和方法。简要介绍各个模块的多种实现方案及优缺点。

(4) 介绍 KEIL C、PROTEUS 软件的功能、开发环境，介绍基于 KEIL C、PROTEUS 软件搭建的仿真平台的使用和注意事项；介绍 PROTEL 软件的功能、开发环境，如何画原理图、PCB 板图，讲解元件布局、布线规则等方面的注意事项；介绍制板过程中注意事项；介绍焊接注意事项。

(5) 衡量电子产品的标准：满足任务指标要求，电路的稳定性、可靠性，电路简单、成本低、元件品种少，便于调试与维修等

(6) 提出撰写课程设计总结报告的基本要求。

3.2 实验指导

在实验教学过程中，教师主要指导、检查的内容：

(1) 指导学生查阅与使用器件数据手册。

(2) 指导学生选择合理电路方案。

(3) 检查实验方案、电路原理图。

(4) 指导学生使用 Keil 软件编程，Proteus 软件画仿真图，在仿真过程中，注意硬件原理图和软件程序的紧密结合，检查仿真现象及结果。

(5) 指导学生利用 Protel DXP 软件画原理图、PCB 板图，指导学生制板、焊接电路。

(6) 引导学生找出在调试和测试过程中遇到具体问题的解决方法。

(7) 验收实物。验收内容包括检查功能的完成程度、性能是否稳定可靠，有无自制 PCB 板，有无创新，设计方案的合理性，电路设计的规范性，焊接质量，组装工艺，实验数据，是否充分利用实验室资源，材料与元器件选择合理性，成本核算等。

(8) 检查实验报告完成的规范性、完整性。

4 结束语

本实验要求学生综合运用所学过的模拟电路、数字电路、传感器、单片机原理及其相关接口的理论知识完成出租车计价器的系统设计和制止。以学生为中心，让学生全程参与单片机应用系统的整个开发过程。通过对项目的构思、设计、实现和制作环节，让学生主动获取知识，培养硬件设计和软件设计技能，开发学生的创新思维，提高学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。

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