基于AVR的太陽能高速公路智能電子顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉暉，杜學(xué)東

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

目前，LED電子顯示屏被廣泛的應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(xiàn)行的全天候工作模式不符合當(dāng)下的節(jié)能要求；3）高速公路里程長，長距離的布設(shè)供電電纜，增加了工程的成本。綜上所述，本文中設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)，配合太陽能電池板和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對高速公路電子顯示屏的智能化控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[1-5]，ATMEGA128負(fù)責(zé)采集無線接收、LCD調(diào)整模塊和時(shí)鐘模塊的信息，經(jīng)處理后對LED顯示模塊做出相應(yīng)的調(diào)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(yīng)的信息，太陽能供電模塊儲(chǔ)存太陽能作為整套系統(tǒng)的能源，LED顯示模塊顯示時(shí)間和提示信息，LCD調(diào)整模塊通過按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，時(shí)鐘模塊提供當(dāng)前時(shí)間。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)超聲波傳感器，當(dāng)沒有車輛經(jīng)過時(shí)，超聲波每次發(fā)射和返回的時(shí)間保持不變，超聲波檢測模塊不會(huì)像主控模塊發(fā)送信號(hào)，此時(shí)的LED電子顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)，LCD屏上顯示無車輛并顯示當(dāng)前時(shí)間；當(dāng)200 m區(qū)域處有車輛經(jīng)過時(shí)，超聲波發(fā)射和返回的時(shí)間變短，此時(shí)超聲波檢測模塊向主控模塊發(fā)送信號(hào)，當(dāng)主控模塊接收到此信號(hào)時(shí)，首先在LED顯示屏上顯示時(shí)間然后刷屏顯示提示信息，并在LCD屏上顯示有車經(jīng)過和LED屏已點(diǎn)亮的時(shí)間。作為整套系統(tǒng)的能源由太陽能供電模塊提供，當(dāng)外界光線較強(qiáng)時(shí)，太陽能轉(zhuǎn)換的電能一部分作為系統(tǒng)的能源，一部分儲(chǔ)存在鋰電池中；當(dāng)外界光線較弱時(shí)，則系統(tǒng)能源全部由鋰電池提供。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(diào)整模塊和時(shí)鐘模塊構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)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(jī)ATMega128，該單片機(jī)有64個(gè)引腳，具有128 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 k字節(jié)的 SRAM和 4 k字節(jié)的 EEPROM，53個(gè)通用I/O口線，支持中斷、定時(shí)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，支持ISP下載、JTAG調(diào)試，其功能強(qiáng)大足以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

設(shè)計(jì)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(hào)，當(dāng)接收到此信號(hào)時(shí)觸發(fā)中斷，在LED上顯示出時(shí)間和提示信息，同時(shí)利用ATMEGA128的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能檢測周圍環(huán)境的亮度，根據(jù)周圍環(huán)境的亮度對LED電子顯示屏亮度做出實(shí)時(shí)的調(diào)整，利用ATMEGA128的I/O口接收LCD調(diào)整模塊的按鍵調(diào)整信息，及時(shí)對系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；此外ATMEGA128還用于采集時(shí)鐘模塊的計(jì)時(shí)信息，以對LCD屏上的信息作出及時(shí)的更新。

2.1.1 無線接收模塊

本設(shè)計(jì)使用的是國產(chǎn)的CC1100無線數(shù)傳模塊，采用以CC1100射頻芯片為節(jié)點(diǎn)的無線模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)物如圖2所示。

圖2 CC1101數(shù)傳模塊Fig.2 CC1101 data transmission module

CC1100無線接收模塊接收數(shù)據(jù)信息時(shí)，首先讓CC1100進(jìn)入接收狀態(tài)，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)我們收到了一組數(shù)據(jù)，GDO2上面就可以檢測到一個(gè)高低電平的脈沖。從而觸發(fā)中斷，讀出CC1100接收數(shù)據(jù)緩沖的第1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是現(xiàn)在CC1100接收到的數(shù)據(jù)長度。如果這個(gè)長度是想要接收數(shù)據(jù)的長度，就可以開始讀出CC1100接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里所有的數(shù)據(jù)了。

2.1.2 LED點(diǎn)陣顯示模塊

CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片。CH452通過可以級(jí)聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)，并且可以對單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用的就是4線串行接口級(jí)聯(lián)的方式來驅(qū)動(dòng)16片8×8LED點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)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(dāng)前時(shí)間和安全提示信息，此外還可由ATmega128根據(jù)當(dāng)前外界光照強(qiáng)度模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行分級(jí)亮度調(diào)整。

2.1.3 DS1302實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。該模塊主要由DS1302時(shí)鐘芯片和DS32KHZ溫補(bǔ)晶振組成。用于提供系統(tǒng)時(shí)間，以及時(shí)間信息的存儲(chǔ)、調(diào)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(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)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(gè)引腳，選用它是因?yàn)榇四K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(nèi)部的FLASH和SRAM也足夠此模塊使用，同時(shí)采用ATMEGA8節(jié)約了成本，簡化了電路的設(shè)計(jì)。

該模塊主要對距離LED電子顯示屏200 m區(qū)域處的車輛進(jìn)行檢測，當(dāng)有車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生檢測信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)無發(fā)射部分傳送給主控模塊。具體實(shí)現(xiàn)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(hào)，超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物時(shí)返回，太陽能供電副模塊負(fù)責(zé)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(shù)傳模塊對外有4個(gè)引腳，VCC、GND、Echo回響信號(hào)輸出、Trig觸發(fā)控制信號(hào)輸入，實(shí)物如圖3所示。

圖3 HC-SR04超聲波數(shù)傳模塊Fig.3 HC-SR04 ultrasonic module

本設(shè)計(jì)中ATmega8 I/0引腳不斷給超聲波Trig輸入10μs的觸發(fā)信號(hào)，則超聲波傳感器自動(dòng)發(fā)射超聲波，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，超聲波收到回波信號(hào)，則由回響信號(hào)輸出口Echo輸出一高電平，然后在程序中統(tǒng)計(jì)該次超聲波發(fā)射到發(fā)出回響信號(hào)的時(shí)間間隔，并將此時(shí)間保存起來由ATmega8經(jīng)過計(jì)算處理，得出該車在車道中的位置，并顯示在12864液晶上；當(dāng)區(qū)域內(nèi)沒有車輛經(jīng)過時(shí)，超聲波發(fā)射出去后沒有回波信號(hào)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(shù)傳模塊，本設(shè)計(jì)采用數(shù)傳模塊時(shí)，當(dāng)?shù)缆窙]有車輛經(jīng)過時(shí)，無線模塊處于暫停工作狀態(tài)；當(dāng)?shù)缆酚熊囕v經(jīng)過時(shí)，由超聲波檢測到并產(chǎn)生回響信號(hào)輸入給主控ATmega8，ATmega8查詢到該信號(hào)之后，啟動(dòng)無線模塊向外發(fā)送數(shù)據(jù)信息。CC1100發(fā)送數(shù)據(jù)，首先從IO口寫入要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，然后寫入想要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后再寫入發(fā)送使能命令，CCll00便開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到GD02產(chǎn)生一個(gè)脈沖后，即發(fā)送成功。如果在一定時(shí)間內(nèi)，GD02上沒有任何動(dòng)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(hù)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(zhuǎn)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(jìn)行初始化操作，包括ATMEGA128定時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的初始化。之后主程序開始運(yùn)行，首先在LCD屏上顯示出相應(yīng)的系統(tǒng)信息，包括當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間、有無車輛經(jīng)過以及LED屏已亮?xí)r間等信息。然后對周圍環(huán)境的亮度進(jìn)行檢測，以便對LED屏的亮度級(jí)別做出相應(yīng)的調(diào)整。接著檢測LCD調(diào)整模塊是否有調(diào)整動(dòng)作，包括系統(tǒng)功能的調(diào)整和時(shí)間的調(diào)整，若有動(dòng)作則對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的信息顯示在LCD上，之后進(jìn)行車輛標(biāo)志位判斷，否則直接進(jìn)入車輛標(biāo)志位判斷階段。車輛標(biāo)志位是在中斷中完成的，當(dāng)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(biāo)志位置位，一段時(shí)間后將標(biāo)志位清零，在標(biāo)志位為1的時(shí)間段內(nèi)表示區(qū)域內(nèi)有車，將在LED屏上刷屏顯示時(shí)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(jìn)行初始化操作，包括ATMEGA8定時(shí)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(yùn)行，超聲波傳感器不間斷的向外發(fā)射超聲波，當(dāng)接收到返回信號(hào)時(shí)變觸發(fā)中斷，在中斷中統(tǒng)計(jì)此次發(fā)射與接收的時(shí)間，若采樣的時(shí)間變短則表示區(qū)域內(nèi)有車，此時(shí)通過程序?qū)⑿畔懭霟o線發(fā)射，經(jīng)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(nèi)的車輛進(jìn)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(jié)束語

文中對基于AVR的太陽能高速公路智能電子顯示屏設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，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(diǎn)陣顯示模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、超聲波傳感器模塊、太陽能轉(zhuǎn)換模塊等。軟件給出了主要的軟件流程。項(xiàng)目的最終效果，基本達(dá)到最初的環(huán)保、節(jié)能、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)要求[7]。

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