張曉暉，杜學東

（山東科技大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266590）

目前，LED電子顯示屏被廣泛的應用在高速公路的信息提示牌中，作為新一代的信息顯示工具LED電子顯示屏以其無可比擬的優(yōu)勢彰顯出了極大的魅力。但是實際應用中存在著以下問題：1）LED電子顯示屏耗電量大且消耗和燃燒化石能源帶來大氣污染 ；2）高速公路上車流量相對較小，LED電子顯示屏現行的全天候工作模式不符合當下的節(jié)能要求；3）高速公路里程長，長距離的布設供電電纜，增加了工程的成本。綜上所述，本文中設計了一種基于AVR單片機，配合太陽能電池板和超聲波傳感器實現對高速公路電子顯示屏的智能化控制系統(tǒng)。實驗證明，該系統(tǒng)完全符合高速公路智能化管理系統(tǒng)中節(jié)能降耗、低碳環(huán)保要求。

1 系統(tǒng)總體結構及工作原理

圖1為該系統(tǒng)結構框圖[1-5]，ATMEGA128負責采集無線接收、LCD調整模塊和時鐘模塊的信息，經處理后對LED顯示模塊做出相應的調整，超聲波檢測模塊檢測距離LED電子屏200處車輛的情況并向主控模塊發(fā)送相應的信息，太陽能供電模塊儲存太陽能作為整套系統(tǒng)的能源，LED顯示模塊顯示時間和提示信息，LCD調整模塊通過按鍵對系統(tǒng)進行參數設定，時鐘模塊提供當前時間。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

該系統(tǒng)工作原理[6]為：在距離LED電子顯示屏200 m處架設超聲波傳感器，當沒有車輛經過時，超聲波每次發(fā)射和返回的時間保持不變，超聲波檢測模塊不會像主控模塊發(fā)送信號，此時的LED電子顯示屏處于關閉狀態(tài)，LCD屏上顯示無車輛并顯示當前時間；當200 m區(qū)域處有車輛經過時，超聲波發(fā)射和返回的時間變短，此時超聲波檢測模塊向主控模塊發(fā)送信號，當主控模塊接收到此信號時，首先在LED顯示屏上顯示時間然后刷屏顯示提示信息，并在LCD屏上顯示有車經過和LED屏已點亮的時間。作為整套系統(tǒng)的能源由太陽能供電模塊提供，當外界光線較強時，太陽能轉換的電能一部分作為系統(tǒng)的能源，一部分儲存在鋰電池中；當外界光線較弱時，則系統(tǒng)能源全部由鋰電池提供。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ATMEGA128主控模塊

主控模塊有ATMEGA128、無線接收、太陽能供電模塊、LED顯示模塊、LCD調整模塊和時鐘模塊構成，硬件結構如圖1下半部分所示[3-4]。

系統(tǒng)核心是 Atmel公司的高檔 8位 AVR單片機ATMega128，該單片機有64個引腳，具有128 k字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，4 k字節(jié)的 SRAM和 4 k字節(jié)的 EEPROM，53個通用I/O口線，支持中斷、定時器和模數轉換等功能，支持ISP下載、JTAG調試，其功能強大足以滿足本設計的要求。

設計利用ATMEGA128的中斷功能接收超聲波檢測模塊發(fā)來的車輛檢測信號，當接收到此信號時觸發(fā)中斷，在LED上顯示出時間和提示信息，同時利用ATMEGA128的模數轉換功能檢測周圍環(huán)境的亮度，根據周圍環(huán)境的亮度對LED電子顯示屏亮度做出實時的調整，利用ATMEGA128的I/O口接收LCD調整模塊的按鍵調整信息，及時對系統(tǒng)的各項參數進行調整；此外ATMEGA128還用于采集時鐘模塊的計時信息，以對LCD屏上的信息作出及時的更新。

2.1.1 無線接收模塊

本設計使用的是國產的CC1100無線數傳模塊，采用以CC1100射頻芯片為節(jié)點的無線模塊來實現數據傳輸，實物如圖2所示。

圖2 CC1101數傳模塊Fig.2 CC1101 data transmission module

CC1100無線接收模塊接收數據信息時，首先讓CC1100進入接收狀態(tài)，如果在設定的時間內我們收到了一組數據，GDO2上面就可以檢測到一個高低電平的脈沖。從而觸發(fā)中斷，讀出CC1100接收數據緩沖的第1個字節(jié)的數據，這個數據就是現在CC1100接收到的數據長度。如果這個長度是想要接收數據的長度，就可以開始讀出CC1100接收數據緩沖區(qū)里所有的數據了。

2.1.2 LED點陣顯示模塊

CH452是數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片。CH452通過可以級聯的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數據，并且可以對單片機提供上電復位信號。本設計采用的就是4線串行接口級聯的方式來驅動16片8×8LED點陣實現刷屏顯示。

該模塊主要由LED電子顯示屏和CH452組成。ATMEGA128通過CH452控制LED顯示屏刷屏顯示當前時間和安全提示信息，此外還可由ATmega128根據當前外界光照強度模數轉換后進行分級亮度調整。

2.1.3 DS1302實時時鐘模塊

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。該模塊主要由DS1302時鐘芯片和DS32KHZ溫補晶振組成。用于提供系統(tǒng)時間，以及時間信息的存儲、調整。

2.2 超聲波檢測模塊

超聲波檢測模塊由ATMEGA8、太陽能供電副模塊、超聲波傳感器和無線發(fā)送構成，硬件結構如圖1上半部分所示。

系統(tǒng)核心是atmel公司的一款高性能、低功耗8位AVR微處理器Atmega8，有28個引腳，選用它是因為此模塊功能相對主控模塊簡單，而ATMEGA8與ATMEGA128相比功能上并沒有減少，其內部的FLASH和SRAM也足夠此模塊使用，同時采用ATMEGA8節(jié)約了成本，簡化了電路的設計。

該模塊主要對距離LED電子顯示屏200 m區(qū)域處的車輛進行檢測，當有車經過時產生檢測信號，該信號經無發(fā)射部分傳送給主控模塊。具體實現為ATMEGA8控制超聲波傳感器和無線發(fā)射的工作狀態(tài)，無線發(fā)射用于向主控模塊發(fā)送車輛檢測信號，超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物時返回，太陽能供電副模塊負責為該部分提供能源。

2.2.1 超聲波傳感器模塊

HC-SR04超聲波數傳模塊對外有4個引腳，VCC、GND、Echo回響信號輸出、Trig觸發(fā)控制信號輸入，實物如圖3所示。

圖3 HC-SR04超聲波數傳模塊Fig.3 HC-SR04 ultrasonic module

本設計中ATmega8 I/0引腳不斷給超聲波Trig輸入10μs的觸發(fā)信號，則超聲波傳感器自動發(fā)射超聲波，當有車輛經過時，超聲波收到回波信號，則由回響信號輸出口Echo輸出一高電平，然后在程序中統(tǒng)計該次超聲波發(fā)射到發(fā)出回響信號的時間間隔，并將此時間保存起來由ATmega8經過計算處理，得出該車在車道中的位置，并顯示在12864液晶上；當區(qū)域內沒有車輛經過時，超聲波發(fā)射出去后沒有回波信號返回，ATMEGA8對此不做處理，超聲波傳感器則繼續(xù)向外發(fā)射超聲波。

2.2.2 無線發(fā)送模塊

無線發(fā)送同樣用的是圖2 CC1101數傳模塊，本設計采用數傳模塊時，當道路沒有車輛經過時，無線模塊處于暫停工作狀態(tài)；當道路有車輛經過時，由超聲波檢測到并產生回響信號輸入給主控ATmega8，ATmega8查詢到該信號之后，啟動無線模塊向外發(fā)送數據信息。CC1100發(fā)送數據，首先從IO口寫入要發(fā)送數據的字節(jié)數，然后寫入想要發(fā)送的數據，最后再寫入發(fā)送使能命令，CCll00便開始發(fā)送數據。當檢測到GD02產生一個脈沖后，即發(fā)送成功。如果在一定時間內，GD02上沒有任何動作，表示發(fā)送失敗。發(fā)送完成之后，我們就把CC1100發(fā)送緩沖區(qū)的數據清除掉。

2.3 太陽能供電模塊

如圖4所示為該系統(tǒng)中的太陽能供電模塊硬件結構及電路圖。由太陽能電池板、DC/DC降壓模塊、脈沖充電模塊、鋰電保護模塊、鋰電池和同步整流升壓模塊組成。該模塊主要是將太陽能轉化為電能，為整套系統(tǒng)提供持續(xù)的5 V不間斷電源。

3 系統(tǒng)軟件流程

3.1 主控模塊程序流程圖

如圖5所示為該系統(tǒng)主控模塊程序流程圖。上電之后進行初始化操作，包括ATMEGA128定時器和中斷的初始化、LED顯示屏的初始化、LCD顯示屏的初始化以及實時時鐘芯片DS1302的初始化。之后主程序開始運行，首先在LCD屏上顯示出相應的系統(tǒng)信息，包括當前系統(tǒng)時間、有無車輛經過以及LED屏已亮時間等信息。然后對周圍環(huán)境的亮度進行檢測，以便對LED屏的亮度級別做出相應的調整。接著檢測LCD調整模塊是否有調整動作，包括系統(tǒng)功能的調整和時間的調整，若有動作則對相應的參數進行調整，并將調整后的信息顯示在LCD上，之后進行車輛標志位判斷，否則直接進入車輛標志位判斷階段。車輛標志位是在中斷中完成的，當主控模塊接收到超聲波檢測模塊送來的信息后便將車輛標志位置位，一段時間后將標志位清零，在標志位為1的時間段內表示區(qū)域內有車，將在LED屏上刷屏顯示時間和提示信息，之后再次回到LCD屏顯階段，否則直接回到屏顯階段。

圖5 主控模塊程序流程圖Fig.5 Main control module program flow

3.2 超聲波檢測模塊程序流程圖

如圖6所示為該系統(tǒng)超聲波檢測模塊程序流程圖。上電之后進行初始化操作，包括ATMEGA8定時器和中斷的初始化、超聲波傳感器和無線發(fā)射工作狀態(tài)的初始化。之后主程序開始運行，超聲波傳感器不間斷的向外發(fā)射超聲波，當接收到返回信號時變觸發(fā)中斷，在中斷中統(tǒng)計此次發(fā)射與接收的時間，若采樣的時間變短則表示區(qū)域內有車，此時通過程序將信息寫入無線發(fā)射，經無線發(fā)射將信息發(fā)送至主控模塊，否則繼續(xù)對區(qū)域內的車輛進行檢測。

圖6 超聲波檢測模塊程序流程圖Fig.6 Ultrasionic detecting module program flow

4 結束語

文中對基于AVR的太陽能高速公路智能電子顯示屏設計系統(tǒng)硬件進行了模塊化設計，并著重介紹了系統(tǒng)的主要模塊ATMEGA128主控模塊、無線發(fā)送接收模塊、LED點陣顯示模塊、DS1302時鐘模塊、超聲波傳感器模塊、太陽能轉換模塊等。軟件給出了主要的軟件流程。項目的最終效果，基本達到最初的環(huán)保、節(jié)能、創(chuàng)新的設計要求[7]。

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