基于AVR的太阳能高速公路智能电子显示屏设计

一、项目概述

1.1 引言

近几年来，随着我国国民经济的快速增长，电子信息类产品得到突飞猛进的发展，形形色色的电子信息类产品渗透到社会的各个领域，给人们的生活带来了方便。但是电子产品在给人们的生活带来快捷、便利、高效的同时，也存在过度消耗现有能源和环境污染的问题，因此，如何运用技术创新，大力发展环保、节能的电子产品，已成为电子信息行业的首要问题。本项目就是在这一大环境下，通过应用太阳能技术配置能源供应，融入创新思维，有效地达到了环保节能与创新的目的。

 

1.2 项目背景/选题动机

目前，LED电子显示屏被广泛的应用在高速公路的信息提示牌中，作为新一代的信息显示工具LED电子显示屏以其无可比拟的优势彰显出了极大的魅力。但是对于高速公路上LED电子显示屏的利用存在如下问题：① LED电子显示屏耗电量大，为了保证LED电子显示屏的正常显示效果，大部分情况下要通过燃烧大量的化石能源产生足够的电量，造成了环境污染；② 高速公路上车流量相对较小，LED电子显示屏现行的全天候工作模式使其在没有车辆通过时依然工作，造成了不必要的能量损失；③ 高速公路里程长，周围环境空旷，必须通过长距离的供电电缆给每一个LED电子显示屏供电，增加了工程的成本。

 

为了达到环保、创新的要求，本设计基于ATMEGA128单片机，配合太阳能电池板和超声波传感器实现了对高速路电子显示屏的智能化控制。设计中通过太阳能电池板将太阳能转化为电能作为整套装置的能源，达到了环保的目的；同时在设计中融入创新思维，利用超声波传感器对距离屏一定区域处的车辆进行检测，实现了区域内“有车屏亮，无车屏灭”，达到了创新的目的。才外该设计还将根据周围环境的亮度对电子显示屏做16级亮度调整。

 

二、需求分析

2.1 功能要求

1．整套系统由太阳能供电，不需要外接电源；

2．对一定区域内的车辆进行检测，有车屏亮，无车屏灭；

3．根据外部环境的亮度对显示屏进行实时的亮度调整；

5．内嵌LCD和键盘实现功能调整；

 

 

2.2 性能要求

1．无光照环境下系统连续运行10天；

2．可靠检测速度在200km/h以下的小型车辆；

3．任何光强下可清晰阅读电子屏内容；

4．时间精度达到±2分钟/年；

 

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

图1 系统结构框图

 

如图1所示为该系统结构框图。由框图可以看出该系统可以分为上下两个部分：① 上半部分由太阳能供电副模块、ATMEGA8、超声波传感器和无线发射组成，整个上半部分合称为超声波检测模块；② 下半部分由ATMEGA128、无线接收、太阳能供电模块、LED显示模块、LCD调整模块和时钟模块组成，整个下半部分合称为主控模块。

 

设计中各个部分的作用为：① ATMEGA128负责采集无线接收、LCD调整模块和时钟模块的信息，经处理后对LED显示模块做出相应的调整；② 超声波检测模块检测距离LED电子屏200处车辆的情况并向主控模块发送相应的信息；③ 太阳能供电模块储存太阳能作为整套系统的能源；④ LED显示模块显示时间和提示信息；⑤ LCD调整模块通过按键对系统进行参数的设定；⑥ 时钟模块提供当前时间。

该系统工作原理为：在距离LED电子显示屏200米处架设超声波传感器，当没有车辆经过时，超声波每次发射和返回的时间保持不变，超声波检测模块不会像主控模块发送信号，此时的LED电子显示屏处于关闭状态，LCD屏上显示无车辆并显示当前时间；当200米区域处有车辆经过时，超声波发射和返回的时间变短，此时超声波检测模块向主控模块发送信号，当主控模块接收到此信号时，首先在LED显示屏上显示时间然后刷屏显示提示信息，并在LCD屏上显示有车经过和LED屏已点亮的时间。作为整套系统的能源由太阳能供电模块提供，当外界光线较强时，太阳能转换的电能一部分作为系统的能源，一部分储存在锂电池中；当外界光线较弱时，则系统能源全部由锂电池提供。

 

3.2 硬件平台选用及资源配置

1．ATMEGA128

采用ATMEGA128单片机作为控制核心，该单片机有64个引脚，片内有128KB的FLASH和4KB的SRAM，支持中断、定时器和模数转换等功能，支持ISP下载、JTAG调试，其功能强大足以满足本设计的要求。

 

在该设计中ATMEGA128主要完成以下四个功能：① 利用ATMEGA128的中断功能接收超声波检测模块发来的车辆检测信号，当接收到此信号时触发中断，在LED上显示出时间和提示信息；② 利用ATMEGA128的模数转换功能检测周围环境的亮度，根据周围环境的亮度对LED电子显示屏亮度做出实时的调整；③ 利用ATMEGA128的I/O口接收LCD调整模块的调整信息，及时对系统的各项参数进行调整；④ 此外ATMEGA128还用于采集时钟模块的计时信息，以对LCD屏上的信息作出及时的更新。

 

2．超声波检测模块

 

图2 超声波检测模块框图

 

如图2所示，为该系统的超声波检测模块框图。该部分由ATMEGA8、无线发射、超声波传感器和太阳能供电副模块组成。之所以选用ATMEGA8，是因为在此模块中功能相对主控模块比较简单，而ATMEGA8与ATMEGA128相比功能上并没有减少，同时其内部的FLASH和SRAM也足够此模块使用，同时采用ATMEGA8节约了成本，简化了电路的设计。该部分主要对距离LED电子显示屏200米区域处的车辆进行检测，当有车经过时产生检测信号，该信号经无发射部分传送给主控模块。

 

设计中各个部分的作用为：① ATMEGA8负控制超声波传感器和无线发射的工作状态；② 无线发射用于向主控模块发送车辆检测信号；③ 超声波传感器向外发射超声波，遇到障碍物时返回；④ 太阳能供电副模块负责为该部分提供能源。

 

该模块工作原理为：超声波传感器向外发射超声波，当超声波遇到障碍物时返回，在程序中统计该次超声波发射和返回的时间，并将此时间保存起来；当区域内没有车辆经过时，超声波每次发射和返回的时间保持不变，ATMEGA8对此不做处理，超声波传感器继续向外发射超声波，当有车辆经过时，超声波发射和返回的时间变短，此时ATMEGA8将车辆信号送往无线发射部分，经无线发射发送至主控模块。

 

3．太阳能供电模块

图3 太阳能供电模块框图

 

如图3所示为该系统中的太阳能供电模块框图。该模块主要是将太阳能转化为电能，为整套系统提供能源。由太阳能电池板、DC/DC降压模块、脉冲充电模块、锂电保护模块、锂电池和同步整流升压模块组成。

 

设计中各个部分的作用为：① 太阳能电池板负责采集太阳光，将太阳能转化为电压输出；② DC/DC降压模块用于对太阳能电池板的输出电压进行降压；③ 脉冲充电模块用于对设计中的锂电池充电；④ 锂电池保护模块对锂电池进行充电时的保护，延长锂电池的寿命；⑤ 锂电池用于储存电能和为系统提供能源；⑥ 同步整流升压模块对锂电池的电压升压，以供整套系统使用。

 

该模块工作原理为：太阳能电池板采集太阳光，将光能转化为电压输出，该电压经DC/DC降压模块之后输出稳定的5V电压，之后通过脉冲冲模块对锂电池进行充电。当外界光线很强时，太阳能电池板产生的电流较大，此时该电流一部分用于给锂电池充电，另一部分经过同步整流升压模块之后给整套系统提供能源，而当外界光线较弱时，太阳能电池板产生的电流较小，此时系统能源则主要由锂电池提供。

4．LED显示模块

该模块由LED电子显示屏和CH452组成。ATMEGA128通过CH452控制LED显示屏刷屏显示当前时间和提示信息，此外还可进行分级亮度调整。

 

5．LCD调整模块

该模块由LCD显示屏和按键组成。该模块主要是通过按键对各项系统参数进行调整，并将调整后的信息及时的在LCD屏上显示。

 

6．时钟模块

该模块主要由DS1302时钟芯片和DS32KHZ温补晶振组成。该模块主要是用于提供系统时间。

 

7.资源配置

模块名称	资源配置
ATMEGA128	ATMEGA128
超声波检测模块	ATMEGA8，超声波传感器、无线CC1100
太阳能供电模块	太阳能电池板、MAX1879、升压板、降压板
LED显示模块	点阵、HC452
LCD调整模块	128*64液晶屏
时钟模块	DS1302、DS32KHZ

 

3.3系统软件架构

在该系统中采用了两种型号的单片机，ATMEGA128作为主控模块的单片机而ATMEGA8作为超声波检测模块的单片机。在主控模块中，软件模块主要包括初始化、LCD屏显信息、周围环境亮度检测、LCD调整模块系统参数设定以及LED刷屏显示五个部分组成；在超声波检测模块中，软件模块主要包括初始化和区域内车辆检测两个模块。

 

3.4 系统软件流程

1．主控模块程序流程图

                       

图4 主控模块程序流程图

 

如图4所示为该系统主控模块程序流程图。上电之后进行初始化操作，包括ATMEGA128定时器和中断的初始化、LED显示屏的初始化、LCD显示屏的初始化以及实时时钟芯片DS1302的初始化。之后主程序开始运行，首先在LCD屏上显示出相应的系统信息，包括当前系统时间、有无车辆经过以及LED屏已亮时间等信息。然后对周围环境的亮度进行检测，以便对LED屏的亮度级别做出相应的调整。接着检测LCD调整模块是否有调整动作，包括系统功能的调整和时间的调整，若有动作则对相应的参数进行调整，并将调整后的信息显示在LCD上，之后进行车辆标志位判断，否则直接进入车辆标志位判断阶段。车辆标志位是在中断中完成的，当主控模块接收到超声波检测模块送来的信息之后便将车辆标志位置位，一段时间过后将标志位清零，在标志位为1的时间段内表示区域内有车便将在LED屏上刷屏显示时间和提示信息，之后再次回到LCD屏显阶段，否则直接回到屏显阶段。

 

2．超声波检测模块程序流程图

 

图5 超声波检测模块程序流程图

如图5所示为该系统超声波检测模块程序流程图。上电之后进行初始化操作，包括ATMEGA8定时器和中断的初始化、超声波传感器和无线发射工作状态的初始化。之后主程序开始运行，超声波传感器不间断的向外发射超声波，当接收到返回信号时变触发中断，在中断中统计此次发射与接收的时间，若采样的时间变短则表示区域内有车，此时通过程序将信息写入无线发射，经无线发射将信息发送至主控模块，否则继续对区域内的车辆进行检测。

 

3.5 系统预计实现结果

1．整套系统由太阳能供电，不需要外接电源；

2．对一定区域内的车辆进行检测，有车屏亮，无车屏灭；

3．根据外部环境的亮度对显示屏进行实时的亮度调整；

4．刷屏显示当前时间；

5．内嵌LCD和键盘实现功能调整；