基于AVR的太陽能高速公路智能電子顯示屏設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

近幾年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，電子信息類產(chǎn)品得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，形形色色的電子信息類產(chǎn)品滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，給人們的生活帶來了方便。但是電子產(chǎn)品在給人們的生活帶來快捷、便利、高效的同時(shí)，也存在過度消耗現(xiàn)有能源和環(huán)境污染的問題，因此，如何運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新，大力發(fā)展環(huán)保、節(jié)能的電子產(chǎn)品，已成為電子信息行業(yè)的首要問題。本項(xiàng)目就是在這一大環(huán)境下，通過應(yīng)用太陽能技術(shù)配置能源供應(yīng)，融入創(chuàng)新思維，有效地達(dá)到了環(huán)保節(jié)能與創(chuàng)新的目的。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

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。但是對(duì)于高速公路上LED電子顯示屏的利用存在如下問題：① LED電子顯示屏耗電量大，為了保證LED電子顯示屏的正常顯示效果，大部分情況下要通過燃燒大量的化石能源產(chǎn)生足夠的電量，造成了環(huán)境污染；② 高速公路上車流量相對(duì)較小，LED電子顯示屏現(xiàn)行的全天候工作模式使其在沒有車輛通過時(shí)依然工作，造成了不必要的能量損失；③ 高速公路里程長，周圍環(huán)境空曠，必須通過長距離的供電電纜給每一個(gè)LED電子顯示屏供電，增加了工程的成本。

為了達(dá)到環(huán)保、創(chuàng)新的要求，本設(shè)計(jì)基于ATMEGA128單片機(jī)，配合太陽能電池板和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速路電子顯示屏的智能化控制。設(shè)計(jì)中通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能作為整套裝置的能源，達(dá)到了環(huán)保的目的；同時(shí)在設(shè)計(jì)中融入創(chuàng)新思維，利用超聲波傳感器對(duì)距離屏一定區(qū)域處的車輛進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)“有車屏亮，無車屏滅”，達(dá)到了創(chuàng)新的目的。才外該設(shè)計(jì)還將根據(jù)周圍環(huán)境的亮度對(duì)電子顯示屏做16級(jí)亮度調(diào)整。

二、需求分析

2.1 功能要求

1．整套系統(tǒng)由太陽能供電，不需要外接電源；

2．對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行檢測，有車屏亮，無車屏滅；

3．根據(jù)外部環(huán)境的亮度對(duì)顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度調(diào)整；

5．內(nèi)嵌LCD和鍵盤實(shí)現(xiàn)功能調(diào)整；

2.2 性能要求

1．無光照環(huán)境下系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10天；

2．可靠檢測速度在200km/h以下的小型車輛；

3．任何光強(qiáng)下可清晰閱讀電子屏內(nèi)容；

4．時(shí)間精度達(dá)到±2分鐘/年；

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由框圖可以看出該系統(tǒng)可以分為上下兩個(gè)部分：① 上半部分由太陽能供電副模塊、ATMEGA8、超聲波傳感器和無線發(fā)射組成，整個(gè)上半部分合稱為超聲波檢測模塊；② 下半部分由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)鐘模塊組成，整個(gè)下半部分合稱為主控模塊。

設(shè)計(jì)中各個(gè)部分的作用為：① 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(duì)LED顯示模塊做出相應(yīng)的調(diào)整；② 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；③ 太陽能供電模塊儲(chǔ)存太陽能作為整套系統(tǒng)的能源；④ LED顯示模塊顯示時(shí)間和提示信息；⑤ LCD調(diào)整模塊通過按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定；⑥ 時(shí)鐘模塊提供當(dāng)前時(shí)間。

該系統(tǒng)工作原理為：在距離LED電子顯示屏200米處架設(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米區(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。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

1．ATMEGA128

采用ATMEGA128單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)有64個(gè)引腳，片內(nèi)有128KB的FLASH和4KB的SRAM，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。

在該設(shè)計(jì)中ATMEGA128主要完成以下四個(gè)功能：① 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；② 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(duì)LED電子顯示屏亮度做出實(shí)時(shí)的調(diào)整；③ 利用ATMEGA128的I/O口接收LCD調(diào)整模塊的調(diào)整信息，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；④ 此外ATMEGA128還用于采集時(shí)鐘模塊的計(jì)時(shí)信息，以對(duì)LCD屏上的信息作出及時(shí)的更新。

2．超聲波檢測模塊

圖2 超聲波檢測模塊框圖

如圖2所示，為該系統(tǒng)的超聲波檢測模塊框圖。該部分由ATMEGA8、無線發(fā)射、超聲波傳感器和太陽能供電副模塊組成。之所以選用ATMEGA8，是因?yàn)樵诖四K中功能相對(duì)主控模塊比較簡單，而ATMEGA8與ATMEGA128相比功能上并沒有減少，同時(shí)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)。該部分主要對(duì)距離LED電子顯示屏200米區(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。

設(shè)計(jì)中各個(gè)部分的作用為：① ATMEGA8負(fù)控制超聲波傳感器和無線發(fā)射的工作狀態(tài)；② 無線發(fā)射用于向主控模塊發(fā)送車輛檢測信號(hào)；③ 超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物時(shí)返回；④ 太陽能供電副模塊負(fù)責(zé)為該部分提供能源。

該模塊工作原理為：超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)返回，在程序中統(tǒng)計(jì)該次超聲波發(fā)射和返回的時(shí)間，并將此時(shí)間保存起來；當(dāng)區(qū)域內(nèi)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，ATMEGA8對(duì)此不做處理，超聲波傳感器繼續(xù)向外發(fā)射超聲波，當(dāng)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)ATMEGA8將車輛信號(hào)送往無線發(fā)射部分，經(jīng)無線發(fā)射發(fā)送至主控模塊。

3．太陽能供電模塊

圖3 太陽能供電模塊框圖

如圖3所示為該系統(tǒng)中的太陽能供電模塊框圖。該模塊主要是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為整套系統(tǒng)提供能源。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。

設(shè)計(jì)中各個(gè)部分的作用為：① 太陽能電池板負(fù)責(zé)采集太陽光，將太陽能轉(zhuǎn)化為電壓輸出；② DC/DC降壓模塊用于對(duì)太陽能電池板的輸出電壓進(jìn)行降壓；③ 脈沖充電模塊用于對(duì)設(shè)計(jì)中的鋰電池充電；④ 鋰電池保護(hù)模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)的保護(hù)，延長鋰電池的壽命；⑤ 鋰電池用于儲(chǔ)存電能和為系統(tǒng)提供能源；⑥ 同步整流升壓模塊對(duì)鋰電池的電壓升壓，以供整套系統(tǒng)使用。

該模塊工作原理為：太陽能電池板采集太陽光，將光能轉(zhuǎn)化為電壓輸出，該電壓經(jīng)DC/DC降壓模塊之后輸出穩(wěn)定的5V電壓，之后通過脈沖沖模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)外界光線很強(qiáng)時(shí)，太陽能電池板產(chǎn)生的電流較大，此時(shí)該電流一部分用于給鋰電池充電，另一部分經(jīng)過同步整流升壓模塊之后給整套系統(tǒng)提供能源，而當(dāng)外界光線較弱時(shí)，太陽能電池板產(chǎn)生的電流較小，此時(shí)系統(tǒng)能源則主要由鋰電池提供。

4．LED顯示模塊

該模塊由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)間和提示信息，此外還可進(jìn)行分級(jí)亮度調(diào)整。

5．LCD調(diào)整模塊

該模塊由LCD顯示屏和按鍵組成。該模塊主要是通過按鍵對(duì)各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的信息及時(shí)的在LCD屏上顯示。

6．時(shí)鐘模塊

該模塊主要由DS1302時(shí)鐘芯片和DS32KHZ溫補(bǔ)晶振組成。該模塊主要是用于提供系統(tǒng)時(shí)間。

7.資源配置

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在該系統(tǒng)中采用了兩種型號(hào)的單片機(jī)，ATMEGA128作為主控模塊的單片機(jī)而ATMEGA8作為超聲波檢測模塊的單片機(jī)。在主控模塊中，軟件模塊主要包括初始化、LCD屏顯信息、周圍環(huán)境亮度檢測、LCD調(diào)整模塊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定以及LED刷屏顯示五個(gè)部分組成；在超聲波檢測模塊中，軟件模塊主要包括初始化和區(qū)域內(nèi)車輛檢測兩個(gè)模塊。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

1．主控模塊程序流程圖

圖4 主控模塊程序流程圖

如圖4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(duì)周圍環(huán)境的亮度進(jìn)行檢測，以便對(duì)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(duì)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之后便將車輛標(biāo)志位置位，一段時(shí)間過后將標(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)有車便將在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。

2．超聲波檢測模塊程序流程圖

圖5 超聲波檢測模塊程序流程圖

如圖5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(duì)區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行檢測。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

1．整套系統(tǒng)由太陽能供電，不需要外接電源；

2．對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行檢測，有車屏亮，無車屏滅；

3．根據(jù)外部環(huán)境的亮度對(duì)顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度調(diào)整；

4．刷屏顯示當(dāng)前時(shí)間；

5．內(nèi)嵌LCD和鍵盤實(shí)現(xiàn)功能調(diào)整；