基于A(yíng)VR的太陽(yáng)能高速公路智能電子顯示屏設計

一、項目概述

1.1 引言

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

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

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(wú)可比擬的優(yōu)勢彰顯出了極大的魅力。但是對于高速公路上LED電子顯示屏的利用存在如下問(wèn)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(guò)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(chē)流量相對較小，LED電子顯示屏現行的全天候工作模式使其在沒(méi)有車(chē)輛通過(guò)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(cháng)，周?chē)h(huán)境空曠，必須通過(guò)長(cháng)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。

為了達到環(huán)保、創(chuàng )新的要求，本設計基于A(yíng)TMEGA128單片機，配合太陽(yáng)能電池板和超聲波傳感器實(shí)現了對高速路電子顯示屏的智能化控制。設計中通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉化為電能作為整套裝置的能源，達到了環(huán)保的目的；同時(shí)在設計中融入創(chuàng )新思維，利用超聲波傳感器對距離屏一定區域處的車(chē)輛進(jìn)行檢測，實(shí)現了區域內“有車(chē)屏亮，無(wú)車(chē)屏滅”，達到了創(chuàng )新的目的。才外該設計還將根據周?chē)h(huán)境的亮度對電子顯示屏做16級亮度調整。

二、需求分析

2.1 功能要求

1．整套系統由太陽(yáng)能供電，不需要外接電源；

2．對一定區域內的車(chē)輛進(jìn)行檢測，有車(chē)屏亮，無(wú)車(chē)屏滅；

3．根據外部環(huán)境的亮度對顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度調整；

5．內嵌LCD和鍵盤(pán)實(shí)現功能調整；

2.2 性能要求

1．無(wú)光照環(huán)境下系統連續運行10天；

2．可靠檢測速度在200km/h以下的小型車(chē)輛；

3．任何光強下可清晰閱讀電子屏內容；

4．時(shí)間精度達到±2分鐘/年；

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

圖1 系統結構框圖

如圖1所示為該系統結構框圖。由框圖可以看出該系統可以分為上下兩個(gè)部分：① 上半部分由太陽(yáng)能供電副模塊、ATMEGA8、超聲波傳感器和無(wú)線(xiàn)發(fā)射組成，整個(gè)上半部分合稱(chēng)為超聲波檢測模塊；② 下半部分由ATMEGA128、無(wú)線(xiàn)接收、太陽(yáng)能供電模塊、LED顯示模塊、LCD調整模塊和時(shí)鐘模塊組成，整個(gè)下半部分合稱(chēng)為主控模塊。

設計中各個(gè)部分的作用為：① ATMEGA128負責采集無(wú)線(xiàn)接收、LCD調整模塊和時(shí)鐘模塊的信息，經(jīng)處理后對LED顯示模塊做出相應的調整；② 超聲波檢測模塊檢測距離LED電子屏200處車(chē)輛的情況并向主控模塊發(fā)送相應的信息；③ 太陽(yáng)能供電模塊儲存太陽(yáng)能作為整套系統的能源；④ LED顯示模塊顯示時(shí)間和提示信息；⑤ LCD調整模塊通過(guò)按鍵對系統進(jìn)行參數的設定；⑥ 時(shí)鐘模塊提供當前時(shí)間。

該系統工作原理為：在距離LED電子顯示屏200米處架設超聲波傳感器，當沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)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，此時(shí)的LED電子顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)，LCD屏上顯示無(wú)車(chē)輛并顯示當前時(shí)間；當200米區域處有車(chē)輛經(jīng)過(guò)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，當主控模塊接收到此信號時(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(chē)經(jīng)過(guò)和LED屏已點(diǎn)亮的時(shí)間。作為整套系統的能源由太陽(yáng)能供電模塊提供，當外界光線(xiàn)較強時(shí)，太陽(yáng)能轉換的電能一部分作為系統的能源，一部分儲存在鋰電池中；當外界光線(xiàn)較弱時(shí)，則系統能源全部由鋰電池提供。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1．ATMEGA128

采用ATMEGA128單片機作為控制核心，該單片機有64個(gè)引腳，片內有128KB的FLASH和4KB的SRAM，支持中斷、定時(shí)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(mǎn)足本設計的要求。

在該設計中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(lái)的車(chē)輛檢測信號，當接收到此信號時(shí)觸發(fā)中斷，在LED上顯示出時(shí)間和提示信息；② 利用ATMEGA128的模數轉換功能檢測周?chē)h(huán)境的亮度，根據周?chē)h(huán)境的亮度對LED電子顯示屏亮度做出實(shí)時(shí)的調整；③ 利用ATMEGA128的I/O口接收LCD調整模塊的調整信息，及時(shí)對系統的各項參數進(jìn)行調整；④ 此外ATMEGA128還用于采集時(shí)鐘模塊的計時(shí)信息，以對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，為該系統的超聲波檢測模塊框圖。該部分由ATMEGA8、無(wú)線(xiàn)發(fā)射、超聲波傳感器和太陽(yáng)能供電副模塊組成。之所以選用ATMEGA8，是因為在此模塊中功能相對主控模塊比較簡(jiǎn)單，而ATMEGA8與ATMEGA128相比功能上并沒(méi)有減少，同時(shí)其內部的FLASH和SRAM也足夠此模塊使用，同時(shí)采用ATMEGA8節約了成本，簡(jiǎn)化了電路的設計。該部分主要對距離LED電子顯示屏200米區域處的車(chē)輛進(jìn)行檢測，當有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生檢測信號，該信號經(jīng)無(wú)發(fā)射部分傳送給主控模塊。

設計中各個(gè)部分的作用為：① ATMEGA8負控制超聲波傳感器和無(wú)線(xiàn)發(fā)射的工作狀態(tài)；② 無(wú)線(xiàn)發(fā)射用于向主控模塊發(fā)送車(chē)輛檢測信號；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(yáng)能供電副模塊負責為該部分提供能源。

該模塊工作原理為：超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波，當超聲波遇到障礙物時(shí)返回，在程序中統計該次超聲波發(fā)射和返回的時(shí)間，并將此時(shí)間保存起來(lái)；當區域內沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，超聲波每次發(fā)射和返回的時(shí)間保持不變，ATMEGA8對此不做處理，超聲波傳感器繼續向外發(fā)射超聲波，當有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，超聲波發(fā)射和返回的時(shí)間變短，此時(shí)ATMEGA8將車(chē)輛信號送往無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分，經(jīng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射發(fā)送至主控模塊。

3．太陽(yáng)能供電模塊

圖3 太陽(yáng)能供電模塊框圖

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

設計中各個(gè)部分的作用為：① 太陽(yáng)能電池板負責采集太陽(yáng)光，將太陽(yáng)能轉化為電壓輸出；② DC/DC降壓模塊用于對太陽(yáng)能電池板的輸出電壓進(jìn)行降壓；③ 脈沖充電模塊用于對設計中的鋰電池充電；④ 鋰電池保護模塊對鋰電池進(jìn)行充電時(shí)的保護，延長(cháng)鋰電池的壽命；⑤ 鋰電池用于儲存電能和為系統提供能源；⑥ 同步整流升壓模塊對鋰電池的電壓升壓，以供整套系統使用。

該模塊工作原理為：太陽(yáng)能電池板采集太陽(yáng)光，將光能轉化為電壓輸出，該電壓經(jīng)DC/DC降壓模塊之后輸出穩定的5V電壓，之后通過(guò)脈沖沖模塊對鋰電池進(jìn)行充電。當外界光線(xiàn)很強時(shí)，太陽(yáng)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(guò)同步整流升壓模塊之后給整套系統提供能源，而當外界光線(xiàn)較弱時(shí)，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電流較小，此時(shí)系統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(guò)CH452控制LED顯示屏刷屏顯示當前時(shí)間和提示信息，此外還可進(jìn)行分級亮度調整。

5．LCD調整模塊

該模塊由LCD顯示屏和按鍵組成。該模塊主要是通過(guò)按鍵對各項系統參數進(jìn)行調整，并將調整后的信息及時(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溫補晶振組成。該模塊主要是用于提供系統時(shí)間。

7.資源配置

3.3系統軟件架構

在該系統中采用了兩種型號的單片機，ATMEGA128作為主控模塊的單片機而ATMEGA8作為超聲波檢測模塊的單片機。在主控模塊中，軟件模塊主要包括初始化、LCD屏顯信息、周?chē)h(huán)境亮度檢測、LCD調整模塊系統參數設定以及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域內車(chē)輛檢測兩個(gè)模塊。

3.4 系統軟件流程

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(kāi)始運行，首先在LCD屏上顯示出相應的系統信息，包括當前系統時(shí)間、有無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)以及LED屏已亮時(shí)間等信息。然后對周?chē)h(huán)境的亮度進(jìn)行檢測，以便對LED屏的亮度級別做出相應的調整。接著(zhù)檢測LCD調整模塊是否有調整動(dòng)作，包括系統功能的調整和時(shí)間的調整，若有動(dòng)作則對相應的參數進(jìn)行調整，并將調整后的信息顯示在LCD上，之后進(jìn)行車(chē)輛標志位判斷，否則直接進(jìn)入車(chē)輛標志位判斷階段。車(chē)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(lái)的信息之后便將車(chē)輛標志位置位，一段時(shí)間過(guò)后將標志位清零，在標志位為1的時(shí)間段內表示區域內有車(chē)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(wú)線(xiàn)發(fā)射工作狀態(tài)的初始化。之后主程序開(kāi)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(shí)變觸發(fā)中斷，在中斷中統計此次發(fā)射與接收的時(shí)間，若采樣的時(shí)間變短則表示區域內有車(chē)，此時(shí)通過(guò)程序將信息寫(xiě)入無(wú)線(xiàn)發(fā)射，經(jīng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射將信息發(fā)送至主控模塊，否則繼續對區域內的車(chē)輛進(jìn)行檢測。

3.5 系統預計實(shí)現結果

1．整套系統由太陽(yáng)能供電，不需要外接電源；

2．對一定區域內的車(chē)輛進(jìn)行檢測，有車(chē)屏亮，無(wú)車(chē)屏滅；

3．根據外部環(huán)境的亮度對顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度調整；

4．刷屏顯示當前時(shí)間；

5．內嵌LCD和鍵盤(pán)實(shí)現功能調整；