张晓晖，杜学东

（山东科技大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266590）

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。但是实际应用中存在着以下问题：1）LED电子显示屏耗电量大且消耗和燃烧化石能源带来大气污染 ；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不符合当下的节能要求；3）高速公路里程长，长距离的布设供电电缆，增加了工程的成本。综上所述，本文中设计了一种基于AVR单片机，配合太阳能电池板和超声波传感器实现对高速公路电子显示屏的智能化控制系统。实验证明，该系统完全符合高速公路智能化管理系统中节能降耗、低碳环保要求。

1 系统总体结构及工作原理

图1为该系统结构框图[1-5]，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，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，太阳能供电模块储存太阳能作为整套系统的能源，LED显示模块显示时间和提示信息，LCD调整模块通过按键对系统进行参数设定，时钟模块提供当前时间。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

该系统工作原理[6]为：在距离LED电子显示屏200 m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 m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。

2 系统硬件设计

2.1 ATMEGA128主控模块

主控模块有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构成，硬件结构如图1下半部分所示[3-4]。

系统核心是 Atmel公司的高档 8位 AVR单片机ATMega128，该单片机有64个引脚，具有128 k字节的系统内可编程Flash，4 k字节的 SRAM和 4 k字节的 EEPROM，53个通用I/O口线，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。

设计利用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，同时利用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，利用ATMEGA128的I/O口接收LCD调整模块的按键调整信息，及时对系统的各项参数进行调整；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。

2.1.1 无线接收模块

本设计使用的是国产的CC1100无线数传模块，采用以CC1100射频芯片为节点的无线模块来实现数据传输，实物如图2所示。

图2 CC1101数传模块Fig.2 CC1101 data transmission module

CC1100无线接收模块接收数据信息时，首先让CC1100进入接收状态，如果在设定的时间内我们收到了一组数据，GDO2上面就可以检测到一个高低电平的脉冲。从而触发中断，读出CC1100接收数据缓冲的第1个字节的数据，这个数据就是现在CC1100接收到的数据长度。如果这个长度是想要接收数据的长度，就可以开始读出CC1100接收数据缓冲区里所有的数据了。

2.1.2 LED点阵显示模块

CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。CH452通过可以级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据，并且可以对单片机提供上电复位信号。本设计采用的就是4线串行接口级联的方式来驱动16片8×8LED点阵实现刷屏显示。

该模块主要由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安全提示信息，此外还可由ATmega128根据当前外界光照强度模数转换后进行分级亮度调整。

2.1.3 DS1302实时时钟模块

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5 V。该模块主要由DS1302时钟芯片和DS32KHZ温补晶振组成。用于提供系统时间，以及时间信息的存储、调整。

2.2 超声波检测模块

超声波检测模块由ATMEGA8、太阳能供电副模块、超声波传感器和无线发送构成，硬件结构如图1上半部分所示。

系统核心是atmel公司的一款高性能、低功耗8位AVR微处理器Atmega8，有28个引脚，选用它是因为此模块功能相对主控模块简单，而ATMEGA8与ATMEGA128相比功能上并没有减少，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。

该模块主要对距离LED电子显示屏200 m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。具体实现为ATMEGA8控制超声波传感器和无线发射的工作状态，无线发射用于向主控模块发送车辆检测信号，超声波传感器向外发射超声波，遇到障碍物时返回，太阳能供电副模块负责为该部分提供能源。

2.2.1 超声波传感器模块

HC-SR04超声波数传模块对外有4个引脚，VCC、GND、Echo回响信号输出、Trig触发控制信号输入，实物如图3所示。

图3 HC-SR04超声波数传模块Fig.3 HC-SR04 ultrasonic module

本设计中ATmega8 I/0引脚不断给超声波Trig输入10μs的触发信号，则超声波传感器自动发射超声波，当有车辆经过时，超声波收到回波信号，则由回响信号输出口Echo输出一高电平，然后在程序中统计该次超声波发射到发出回响信号的时间间隔，并将此时间保存起来由ATmega8经过计算处理，得出该车在车道中的位置，并显示在12864液晶上；当区域内没有车辆经过时，超声波发射出去后没有回波信号返回，ATMEGA8对此不做处理，超声波传感器则继续向外发射超声波。

2.2.2 无线发送模块

无线发送同样用的是图2 CC1101数传模块，本设计采用数传模块时，当道路没有车辆经过时，无线模块处于暂停工作状态；当道路有车辆经过时，由超声波检测到并产生回响信号输入给主控ATmega8，ATmega8查询到该信号之后，启动无线模块向外发送数据信息。CC1100发送数据，首先从IO口写入要发送数据的字节数，然后写入想要发送的数据，最后再写入发送使能命令，CCll00便开始发送数据。当检测到GD02产生一个脉冲后，即发送成功。如果在一定时间内，GD02上没有任何动作，表示发送失败。发送完成之后，我们就把CC1100发送缓冲区的数据清除掉。

2.3 太阳能供电模块

如图4所示为该系统中的太阳能供电模块硬件结构及电路图。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。该模块主要是将太阳能转化为电能，为整套系统提供持续的5 V不间断电源。

3 系统软件流程

3.1 主控模块程序流程图

如图5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后便将车辆标志位置位，一段时间后将标志位清零，在标志位为1的时间段内表示区域内有车，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。

图5 主控模块程序流程图Fig.5 Main control module program flow

3.2 超声波检测模块程序流程图

如图6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。

图6 超声波检测模块程序流程图Fig.6 Ultrasionic detecting module program flow

4 结束语

文中对基于AVR的太阳能高速公路智能电子显示屏设计系统硬件进行了模块化设计，并着重介绍了系统的主要模块ATMEGA128主控模块、无线发送接收模块、LED点阵显示模块、DS1302时钟模块、超声波传感器模块、太阳能转换模块等。软件给出了主要的软件流程。项目的最终效果，基本达到最初的环保、节能、创新的设计要求[7]。

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