基于PLC 出租车计价器的设计.doc

1、 摘要本文具体介绍了如何使用PLC设计出租车计价器。出租车计价器是安装在出租汽车上的专用计量仪器，能连续累加，并指示出行程中任一时刻乘客应付费用总额数及出租车行驶的里程。作为出租车的一个重要组成部分，计价器关系着出租车运营方和乘客的双方利益，起着重要的作用。ABSTRACTThis article mainly introduced how to design the rental car mileage fare meter with PLC.The taxi mileage fare meter is a special-purpose gaging instrument which in

2、stalls on the taxi, it can accumulate continuously, and instructs in the travelling schedule no matter what a time passenger accrued expenditure total fixed number and rental car travel course. As a rental car important constituent, the mileage fare meter is relating the rental car operation side an

3、d passengers bilateral benefit, is playing the vital role.关键词：出租车计价器,计量仪器,PLC控制KEYWORDS：taxi fare meter,gaaing instrument,PLC control目录一.引言 11出租车计价器的发展概况12课程设计来源和现状二总体方案设计2.1 出租车计价器的计价原理2.2 计价器的计程方法2.3 计价器的计时方法2.4 宁波市出租车计价器计价标准2.5 计价器工作流程图2.6 I/O分配表2.7 PLC的选型三软件设计3.1 程序梯形图3.2 程序语句四硬件设计4.1 元器件介绍4.2 主

4、电路的设计五.系统调试与检测六.参考文献七.致谢八.产品使用说明书一.引言1.1 出租车计价器的发展概况出租车计价器最早出现在我国是在1911年，当时，美国汽车公司引进的法国雷诺牌汽车就装有计价器，这种计价器，按实用行驶英里计费，路程及车价均可显示，计费起码1英里，以后以每1/4英里递增计费。由于各种原因，这种计价器此后在上海未推广应用出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业，随着出租车的产生，计价器也就应运而生。但当时在全国还没有一家企业能够生产，因此早期的计价器是由台湾引进的。我国第一家生产计价器的企业是重庆市起重机厂，最早的计价器全部采用机械齿轮结构，只能完成简单的计程功能，可以说

5、，早期的计价器就是一个里程表。台湾是计价器的主要生产场地，目前全世界的计价器中有90%为台湾所生产。现今我国生产计价器的企业有上百家，但由于技术原因，大部分厂家的产品都不能达标，因此生产厂家主要还是集中在北京、上海、沈阳和广州。近年来，随着改革开放的深入，市场日益繁荣，作为现代都市象征之一的出租汽车得到蓬勃发展。经济的发展，人民生活水平的提高，促使出租汽车越来越普及。与此相应，人们对出租汽车的合理收费也提出越来越高的要求。因此，出租汽车计价器得到人们的日益重视，已成为必不可少的营运专用设施。不仅受到客运管理部门的监督，同时还受到国家计量机关定期的强制检定。出租车计价器已成为乘客和驾驶员之间公正

6、合理收费的依据，起到双方“公平秤”的作用。随着汽车行业的发展，出租车计价器已发展到了第三代，这种计价器集税控、IC卡、计价、自动打印等功能于一体，乘客卡、司机卡、管理卡三类IC卡，分别用于运费支付、营运锁定、营运数据采集和营运结算，现在很多地区都在推行这种税控计价器。1.2课程设计来源和现状 出租车计价器是安装在出租汽车上的专用计量仪器，能连续累加，指示出行程中任一时刻乘客应付费用总额数，作为出租车的一个重要组成部分，计价器关系着出租车司机和乘客双方利益，起着重要的作用，因此，具有良好性能的计价器对广大出租车司机朋友来说是很必要的。目前市场上大多用的是基于单片机控制的计价器，虽然其性能较稳定，

7、但在长时间的运行工作中，也很容易出现故障。因此，研究具有更高性能的计价器具有着非常高的现实应用意义。二 总体方案设计出租车计价器是安装在出租汽车上的专用计量仪器，作用是显示出出租车行驶的里程和乘客所需要付的金额，具有良好性能的计价器是乘客和司机都希望的。2.1 出租车计价器的计价原理乘客应付的金额值是路程和时间的函数，计程和计时是计价器计价的依据，为方便起见，计程划分为起程和续程两部分，计时也分起始时间和后续时间。起程、续程值和起始时间、后续时间值的大小，一般由当地政府有关部门（如客运交通管理、物价部门）视当地诸因素如城市大小、交通情况、生活和物价水平等确定，通常起程、起始时间大于续程、后续时

8、间。起程内的车费通称为基本车费、基价或起步价，乘客乘车计程不足基价里程是按基价收费，超过基价里程时超出部分按后续单价累计；计价器设定有免费等候时间，即运营时乘客要求停车免费等候时间，超过免费等候时间按等候单价累计收费。计价器按照一定间隔作跳跃式变化（例如图2.1），显示金额。 图2.1出租车的行进状态分为两种：一种是在没有乘客情况下的状态，称为空车；一种是在有乘客情况下的状态，称为重车。出租车上备有一个空车牌标志，当处于空车情况下时，空车牌翻上，此时计价器不计价；当有乘客上车时，首先翻下空车牌，表示重车，然后计营运数据。计价器是按计程和计时计价的，它可以有两种不同的计价方式：一种叫做时距并计式

9、，是指重车时等候时间和里程同时收费；另一种叫做时距分离式，是指重车时等候时间和里程分开收费。一般认为时距分离式计价对乘客有利，时距并计式对经营者有利，从采用的情况来看，世界上大多数国家采用时距并计式。在时距并计式收费方式下，切换速度是计价器从计程收费转换为时距并计收费的车速切换点，切换速度是对时距并计式计价器而言的，而对时距分离式计价器，由于计价时不需要进行速度判别，也就不存在切换速度的问题。2.2 计价器的计程方法现有的单片机式计价器计价方法是首先累计汽车轮胎转动的圈数，然后将圈数乘以轮胎周长得到行驶的里程。在此次设计中，采用的计程方法略有不同：首先按轮胎周长计算好每公里车轮要转的圈数，因为

10、续乘部分的基本里程为1公里，1公里就成为一个关键值，因此，程序中只需要比较其是否到达一公里所需的圈数，若达到该值，便将里程寄存器中的内容加上1，采用这种方法可以有效的防止误差的累积。2.3 计价器的计时方法计时是指营运时乘客要求等候时的时间计算，按找计价标准，1分钟为一个基本单位，因此可以设计一个1分钟的振荡程序，每到一分钟，将时间寄存器中的内容加1。2.4 宁波市出租车计价器计价标准本文按照宁波市2005年11月30日起新执行的计价标准中的普通型设计。其相关计价标准如下：基价里程为3公里，起租金额为8元，每公里租价为每车1.80元，车辆在营运时乘客要求停车等候的免费等候时间为5分钟，超过5分

11、钟的按每分钟0.40元计收（出租车司机如遇上述情况，按键计费），车辆抛锚、路阻、肇事、待渡等不属于乘客原因造成的停车等候，不得向乘客收取等候费，凡23时至次日5时前租用客运出租车的，每公里加收0.20元，超过基价公里和免费等候时间计程和计时金额按实际四舍五入到元（即当乘客乘足或等候时间足0.5元时起跳为1元），计价器显示金额为整元。2.5 计价器工作程序流程图2.6 I/O分配表表2.1 I/O分配表X0空车牌D12等候时间D24续程单价Y24-Y27里程百位X1轮胎手动脉冲D13等候金额D25等候单价备注：当里程及金额的较高位为零时，Y4-Y27相应的输出点将作为消隐信号输出。X2开始等候D

12、15总额暂存D26时间（时）X3计算总额D16总额（角）Y0-Y3金额个位X4轮胎自动脉冲D17总额（元）Y4-Y7金额十位D8超出基价的金额D18总额（角）余数Y10-Y13金额百位D10轮胎圈数D19显示的里程Y14-Y17里程个位D11行驶里程D23起步价Y20-Y23里程十位图2.2 程序流程图2.7 PLC的选型PLC是一种通用工业控制装置，功能的设置总是面向大多数用户的。众多PLC产品既给用户提供了广阔的选择余地。PLC的选用不同于继电器接触器控制系统的元件的选用，它在应用设计的开始即可根据工艺提供的资料及控制要求等预先进行。本文从以下几个放面考虑PLC的选型。2.7.1 成本的考

13、虑目前，工业控制上所用到的PLC大致有三菱、欧姆龙、西门子三大类。设计控制系统时，成本是一项很重要的考虑因素，因此在保证系统质量的前提下，要尽可能地减少成本。相比之下，三菱PLC的价格较其它两类更为实惠。2.7.2 功能上的需求PLC的选型基本原则是满足控制系统的功能需要。控制系统需要什么功能，就选择具有什么样功能的PLC。当然也要兼顾维修、备件的通用性。对于小型单机仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC都可以满足要求。到了90年代，小型、中型和大型PLC已普遍进行PLC与PLC、PLC与上位机的通信与联网，具有数据处理、模拟量控制等功能，例如三菱的FX2与P X2C系列小型PLC。对于设计

14、出租车计价器，需要有数据处理能力及逻辑控制功能，另外，在设计中加进了昼夜单价自动转换，也就是用到了特殊功能（时钟），对此，FX2型PLC是一个比较好的选择。2.7.3 I/O 点数的确定根据课题控制要求及它需要的I/O点数，FX2N-48MR型PLC有足够的点数来完成出租车计价器的设计。2.7.4 程序存储器容量的选择PLC的程序存储容量通常以字或步为单位。例如叫1K字、4K步等叫法。PLC的程序步是由一个字构成的，即每个程序步占一个存储器单元。大多数PLC的存储器采用模块式的存储器卡盒，同一型号的PLC可以选配不同容量的存储器卡盒，实现可选择的多种用户存储器的容量，例如FX2型PLC可以有2

15、K步、8K步等。根据本课题的控制要求及流程图可大致估算出：程序步数应为几百步。因此三菱FX2系列的PLC拥有足够的空间来存储程序。2.7.5 PLC的可靠性选择出租车计价器的工作环境较恶劣，因此对PLC的性能上有一定的要求。通过了解，三菱PLC的性能比较好。综上所述，并结合实际情况，最终选用三菱FX2N-48MR型PLC，编程工具使用FX-20P型简易编程器。三软件设计3.1 程序梯形图3.2 程序语句0LDX062LDT204118ANIM121ZRST4063OUTT205119OUTT10Y0K2K50Y2066OUTM11122LDT106ZRST4067LDX1123INCP24D8

16、68ORM11D12D2269ANIX2126OUTM1211ZRST4070INCP24127LDM12M0D10128ANIM26M3073PLSM10129CMP1016MOV1275LDM10K5K8076CMP10D12D23K50M2321MOV12D10136LDM24K18M0137ORM25D2483LDM1138ORM2626MOV1284INCP24139OUTM26K4D11140LDM26D2587RSTD10141SUBP2131MOV1290LDIM16D12D801591CMP10K5D26K3D1236ZCP11D11148OUTM30K5M3149LDM30

17、K2398LDM4150MUL22D2699ANIM16D25M27100OUTM9D1245LDM27101RSTD11D1346ORM29104LDM9157LDX347MOV12105ORM16158ADD20K86106ANIX0D8D23107OUTM16D2352MOV12108LDM16D15K20109MUL22165OUTT200D24D24K157LDX4D11169ADD2058ANIT205D8D1359OUTT204116LDX2D15K2117ANIM10D16176OUTT203213ORX0247ANIY11K1214ADD20248ANIY12179LDT20

18、3K3249ANIY13180DIV23D11250BIN19D16D19D24K10221LDM17K1Y10D17222ANIX0255LDIY20187CMP10223BCD18256ANIY21K5D17257ANIY22D18K3Y0258ANIY23M6228BCD18259ANIY24194LDM8D19260ANIY25195ANDX3K3Y14261ANIY26196ADD20233LDIY4262ANIY27K1234ANIY5263BIN19D17235ANIY6D24D17236ANIY7K1Y20203LDIT0237ANIY10268LDIY24204OUTT123

19、8ANIY11269ANIY25K1239ANIY12270ANIY26207LDT1240ANIY13271ANIY27208OUTT0241BIN19272BIN19K2D24D24211OUTM17K1Y4K1Y24212LDM4246LDIY10277END程序语句是由梯形图转化而来，主要意思说明如下：第1到第11步是在运行前对相应的输出点、数据寄存器、辅助继电器进行清零；第16到第31步是对相应的寄存器进行赋值，例如D23中存放的是起步价，D24中存放的是续程单价，D25中存放的是等候续时的单价，D26中存放的是起租时的时间（时）；第36到第52步是比较是否在昼夜单价转换的时间段内，

20、如是，则在单价上作相应的调整，如不是则按原来的程序进行；第57到第68步是在模拟运行时的两种轮胎圈数脉冲产生方式，其中一种是频率为150次/分钟的自动脉冲，另一种则是手拨开关，每拨动一次代表轮胎转一圈，两种方式可自由选择；第70到第109步为正常行驶时的里程计算和续程部分金额的计算，其中第76到第87步是比较轮胎转动圈数是否到达一公里所需的圈数（K的相应值，为了调试及演示时方便，此处K值设为50，实际中 k=1km/c,c为轮胎周长），若到达，则在里程寄存器中加1，同时对D10清零，以便再次累计，第90到第107步为比较行驶里程是否到达基价里程数，若到达，则对里程寄存器D11清零， M16及其

21、联锁开关让其只比较一次，以正确累计续程部分里程，第109步是计算续程部分的金额；第116到第150步为中途停车等待时的计时及计费，第119步是比较是否到达免费等候的时间（为了调试及演示的方便，此处K值设为50，实际中应设为5分钟即K=3000）。每到一分钟，在时间寄存器中加1，当等候结束并时间大于5分钟时，计算超出部分的时间并计算相应的金额；第157到第228步是分步计算出总金额并完成单位转换，以及显示金额和里程；第233到第272步是在金额和里程的较高位为零时对相应的数码管进行消隐。四 硬件设计4.1 元器件介绍4.1.1 七段数码显示管LED数码管是目前最常用的数字显示器，图4.2(a)所

22、示为共阴管的电路，图4.2(b)为共阴型数码管的引出脚功能图。 (b) 引脚图(a) 共阴连接（“1”电平驱动）图4.2 LED数码管4.1.2 电阻的选择在数码管的前面需要接合适的电阻进行限流，电阻的规格也有要求，即要能完成限流功能，还要让通过的电流足够点亮数码管，同时，功率不能超过电阻的额定功率。根据实验室现有的元件，这里选择510欧、0.25瓦的电阻，据测量，通过的电流能驱动数码管（大约6ma），功率上也能符合电阻的额定功率。4.1.3 CC4511译码驱动器CC4511是共阴型BCD码锁存/七段译码/驱动器，其引脚排列如图4.1所示。图4.1 CC4511引脚排列其中：A、B、C、D为

23、BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。测试输入端，=“0”时，译码输出全为“1”。为消隐输入端，=“0”时，译码输出全为“0”。LE为锁定端，LE=“1”时，译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE =“0”时的数值，LE=“0”为正常译码。表4.1为CC4511功能表。CC4511内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。表4.1 CC4511 功能表4.2 主电路的设计根据要求，计价器要显示金额和里程，也就是要将PLC中相应

24、寄存器中的内容通过硬件显示出来，根据4.1中的元件说明，可设计出总的硬件电路图如图4.3所示。图4.3中，1、2、3、4、5、6号元件为4511译码驱动芯片，1号译码百位金额，输入信号为PLC上的Y13、Y12、Y11、Y10的BCD码输出信号；2号译码十位金额，输入信号为PLC上的Y7、Y6、Y5、Y4的BCD码输出信号；3号译码个位金额，输入信号为PLC上的Y3、Y2、Y1、Y0的BCD码输出信号；其中，每个译码器的和端和Vcc端都接高电平（5V电源正极），LE端和Vss端都接低电平（5V电源负极），；a、b、c、d、e、f号元件为七段发光（LED）数码管，信号经译码器译码后，由七个输出端

25、经限流电阻输入至数码管相应端口，该数码管为共阴型数码管，因此每个管中都有两个端口需要接地（图中未标出），否则数码管不能工作。图中的译码器及数码管的详细资料和功能可参照4.1中的介绍。根据实际情况，当金额及里程的较高位为零时，应该不显示数值（消隐），由于硬件上的这种接线无法完成消隐，因此这项功能需在软件中通过编程实现，这个在软件设计中已作相应说明。图4.3 硬件电路图五 系统调试与检测5.1 软硬件调试程序编写完成之后，就要对所编的程序进行调试。调试前先将程序通过编程器输入到PLC中，再模拟运行同时监控PLC的工作状态，以判定是否达到控制目的。在调试期间，我发现了很多问题，程序上也作了很大的改动

26、，具体情况叙述如下：第一阶段是对初步的设计程序进行调试。该部分程序完成的功能主要是正常的行驶计价，不包括金额、里程的显示和中途等候计费，按照预先的设想，调试比较成功，但同时发现了几点不足之处： 存放行驶里程的寄存器中的数值比较大； 没有完成最终金额的四舍五入功能； 系统运行前没有对相应的寄存器及其它部件复位。这些问题在调试中未能解决。第二阶段是在第一次的程序基础上加入了中途等候计费及部分的运行前复位功能，调试时较好的解决了、两个问题，同时也存在着诸多问题： 运行前虽对相应的寄存器等作了复位，但用的是RST指令，由于程序中用到的寄存器和辅助继电器较多，占用的指令步数也较多，程序不简洁； 当出租车

27、行驶里程到一定值时，寄存器出现了溢出； 中途等候部分的程序单独调试成功，但在串入之后，原先程序中的几个寄存器里的内容出现了异常；期间通过反复的查找及修改，发现了问题的原因是：等候部分的程序中也用到了寄存器，由于寄存器的安排有点乱，执行除法指令时占用了原来程序中的个别寄存器，导致计算出错。该问题已成功解决，但第一阶段调试中发现的问题仍未解决。第三阶段调试期间，经过指导老师的指导，对前面的梯形图做了完善性的修改，主要内容是：原来计算里程是按圈计算的，即轮胎每转一圈，就乘以周长送入寄存器，PLC中不能输入小数，而实际轮胎周长往往是小数，若将其放大10倍或100倍，再加上单价也需按角为单位计算，总的算

28、起来数据会比较大，如果可以将轮胎周长设为整数，又会发生误差累积的问题，而现在宁波所执行的计价标准中说明，里程1公里是一个基本的计量单位，因此，计程方法改成了现行的按每公里轮胎转动圈数来计算，这样即解决了程序中轮胎周长设定的困难，也有效防止了误差的累积，这样一来，问题及问题也得到了一定的改善，但问题仍未有效解决。第四阶段调试时，将原先的RST复位指令改成了现行的ZRST成批复位指令，这样一来，大大地减少了指令步数，有效解决了问题，同时，还加入了显示功能，用的是七段译码指令SEGD，并调试成功，至此，出租车计价器已初具雏形。但经过反复研究，亦发现了新的问题： 运用SEGD指令虽然可以显示出数据，但

29、在这之前，需要将寄存器中的数据分成一个个一位数存放在不同的寄存器中，因为SEGD指令只对低四为进行译码，而且，每条SEGD指令需占用至少7个输出点，而我们所选择的PLC总共只有24个输出点，这样一来，便只能显示金额，为了增加计价器的功能，必须寻找更简洁的显示指令。经过反复比较PLC的指令功能，最后采用BCD码转换指令，它很好地解决了上述问题，除此之外，还利用了BIN变换指令将数据为零的较高位数码管进行消隐。之后，经过很多次反复修改和调试，终于完成了出租车计价器的软件设计。软件完成之后便开始了硬件上的调试，由于电路中所用到的元件比较多，接线也比较复杂，尽管焊接的时候非常仔细，在调试时仍出现了很多

30、的问题，比如数码管显示不清楚，有的根本不工作，但通过查手册、书本并反复仔细的检查每个焊点，问题都一一解决了。在完成硬件的单独调试之后，便将PLC与硬件连接，进行联合调试。虽然软件硬件单独调试都已成功，但在联合调试中也出现了不少问题。刚开始数码管无显示，经过多次的反复检查，发现是排线的接法错误，通过了解排线的结构，重新安排每根线的走向，再次运行，数码管已能显示，但是数值仍有出错，经过反复多次的排查测试，调试终于成功。 六 参考文献1王兆义.小型可编程控制器实用技术M.北京:机械工业出版社,20042卢菊洪,程菊花,傅越千,等.数字电路与逻辑设计实训教程M.北京:科学出版社,20033陈有根.可编

31、程控制器概述J.大众用电杂志，(1)：34-354陈浩.新技术形势下PLC的发展前景J.机械工程与自动化，2004，84-855顾克勤.出租汽车计价器发展现状之我见J.中国计量第34期6廖常初.PLC的发展趋势J.电气时代，2003，(12):53-557蔡庆.出租车计价器的计价标准及其设计思想J.特区科技，1996，(6)：12-138杨建潮.出租车计价器的计价原理J.上海计量测试，2001，(1)：27-299王泽民.出租车计价器的发展J.特区科技，1994，8(1)：13-1510马永翔.可编程控制器在应用中的细节问题J.电气开关，2001，411张万忠，袁新生.可编程控制器的时间设立及

32、时间控制浅析J.苏盐科技，2001，(1):13-14七 致谢为期四个月的毕业设计终于顺利结束了。本次毕业设计得到指导老师余辉晴老师的悉心指导，老师严谨求实的治学作风，丰富的实践经验和广泛的专业知识使我受益非浅，为我以后的发展奠定了良好的基础，在此表示深深的感谢。三年的大学时光转眼即逝，回顾这三年所学的知识，感觉就像一盘沙，没有用处。通过此次毕业设计，我对以前的知识有了更深层的理解，同时，设计中涉及到了几门不同的学科，这就需要了解两者之间的相互联系，这样才能将它们结合起来使用。通过这次毕业设计，我对以前的知识进行了总结与联系，使这些知识更加地系统化，可以说，因为这次毕业设计，以前的知识才真正的

33、成为是自己的东西，感谢学校给我们提供这么好的机会。最后，对一直以来支持和鼓励我的同学及朋友们表示诚挚的谢意，没有你们的支持，也就没有我的成功！八 产品使用说明书使用说明：乘客上车后翻下空车牌，表示重车，计价器开始工作，数码管上显示车子行驶里程及乘客所应付的金额；中途乘客若要求停车等候，则接通X2，进行等候计时，等候时间超过免费等候的时间后，所收的费用将与等候前的金额相加并显示在数码管上；X3为计算金额按钮，一般均为接通，不需要拨动；到达目的地并结清费用后乘客下车，翻上空车牌，表示空车。该计价器量程：里程 0999公里 金额 0999元对一般出租车直径的不同程序中可更改相应K值，对应的误差关系见下表(不计轮胎充气情况)：表8.1误差关系表(=3.14)直径520mm540mm560mm580mm周长1.6328m1.6956m1.7584m1.8212mK值612590569549公里误差0.8m0.5m0.6m0.2m19