一、項目概述

1.1 引言

近幾年來，隨著我國國民經濟的快速增長，電子信息類產品得到突飛猛進的發展，形形色色的電子信息類產品滲透到社會的各個領域，給人們的生活帶來了方便。但是電子產品在給人們的生活帶來快捷、便利、高效的同時，也存在過度消耗現有能源和環境污染的問題，因此，如何運用技術創新，大力發展環保、節能的電子產品，已成為電子信息行業的首要問題。本項目就是在這一大環境下，通過應用太陽能技術配置能源供應，融入創新思維，有效地達到了環保節能與創新的目的。

1.2 項目背景/選題動機

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電子顯示屏以其無可比擬的優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生足夠的電量，造成了環境污染；② 高速公路上車流量相對較小，LED電子顯示屏現行的全天候工作模式使其在沒有車輛通過時依然工作，造成了不必要的能量損失；③ 高速公路里程長，周圍環境空曠，必須通過長距離的供電電纜給每一個LED電子顯示屏供電，增加了工程的成本。

為了達到環保、創新的要求，本設計基于ATMEGA128單片機，配合太陽能電池板和超聲波傳感器實現了對高速路電子顯示屏的智能化控制。設計中通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能作為整套裝置的能源，達到了環保的目的；同時在設計中融入創新思維，利用超聲波傳感器對距離屏一定區域處的車輛進行檢測，實現了區域內“有車屏亮，無車屏滅”，達到了創新的目的。才外該設計還將根據周圍環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．整套系統由太陽能供電，不需要外接電源；

2．對一定區域內的車輛進行檢測，有車屏亮，無車屏滅；

3．根據外部環境的亮度對顯示屏進行實時的亮度調整；

5．內嵌LCD和鍵盤實現功能調整；

2.2 性能要求

1．無光照環境下系統連續運行10天；

2．可靠檢測速度在200km/h以下的小型車輛；

3．任何光強下可清晰閱讀電子屏內容；

4．時間精度達到±2分鐘/年；

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

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射組成，整個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調整模塊和時鐘模塊組成，整個下半部分合稱為主控模塊。

設計中各個部分的作用為：① ATMEGA128負責采集無線接收、LCD調整模塊和時鐘模塊的信息，經處理后對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處車輛的情況并向主控模塊發送相應的信息；③ 太陽能供電模塊儲存太陽能作為整套系統的能源；④ LED顯示模塊顯示時間和提示信息；⑤ LCD調整模塊通過按鍵對系統進行參數的設定；⑥ 時鐘模塊提供當前時間。

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，當沒有車輛經過時，超聲波每次發射和返回的時間保持不變，超聲波檢測模塊不會像主控模塊發送信號，此時的LED電子顯示屏處于關閉狀態，LCD屏上顯示無車輛并顯示當前時間；當200米區域處有車輛經過時，超聲波發射和返回的時間變短，此時超聲波檢測模塊向主控模塊發送信號，當主控模塊接收到此信號時，首先在LED顯示屏上顯示時間然后刷屏顯示提示信息，并在LCD屏上顯示有車經過和LED屏已點亮的時間。作為整套系統的能源由太陽能供電模塊提供，當外界光線較強時，太陽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；當外界光線較弱時，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個引腳，片內有128KB的FLASH和4KB的SRAM，支持中斷、定時器和模數轉換等功能，支持ISP下載、JTAG調試，其功能強大足以滿足本設計的要求。

在該設計中ATMEGA128主要完成以下四個功能：① 利用ATMEGA128的中斷功能接收超聲波檢測模塊發來的車輛檢測信號，當接收到此信號時觸發中斷，在LED上顯示出時間和提示信息；② 利用ATMEGA128的模數轉換功能檢測周圍環境的亮度，根據周圍環境的亮度對LED電子顯示屏亮度做出實時的調整；③ 利用ATMEGA128的I/O口接收LCD調整模塊的調整信息，及時對系統的各項參數進行調整；④ 此外ATMEGA128還用于采集時鐘模塊的計時信息，以對LCD屏上的信息作出及時的更新。

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、無線發射、超聲波傳感器和太陽能供電副模塊組成。之所以選用ATMEGA8，是因為在此模塊中功能相對主控模塊比較簡單，而ATMEGA8與ATMEGA128相比功能上并沒有減少，同時其內部的FLASH和SRAM也足夠此模塊使用，同時采用ATMEGA8節約了成本，簡化了電路的設計。該部分主要對距離LED電子顯示屏200米區域處的車輛進行檢測，當有車經過時產生檢測信號，該信號經無發射部分傳送給主控模塊。

設計中各個部分的作用為：① ATMEGA8負控制超聲波傳感器和無線發射的工作狀態；② 無線發射用于向主控模塊發送車輛檢測信號；③ 超聲波傳感器向外發射超聲波，遇到障礙物時返回；④ 太陽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射超聲波，當超聲波遇到障礙物時返回，在程序中統計該次超聲波發射和返回的時間，并將此時間保存起來；當區域內沒有車輛經過時，超聲波每次發射和返回的時間保持不變，ATMEGA8對此不做處理，超聲波傳感器繼續向外發射超聲波，當有車輛經過時，超聲波發射和返回的時間變短，此時ATMEGA8將車輛信號送往無線發射部分，經無線發射發送至主控模塊。

3．太陽能供電模塊

圖3 太陽能供電模塊框圖

如圖3所示為該系統中的太陽能供電模塊框圖。該模塊主要是將太陽能轉化為電能，為整套系統提供能源。由太陽能電池板、DC/DC降壓模塊、脈沖充電模塊、鋰電保護模塊、鋰電池和同步整流升壓模塊組成。

設計中各個部分的作用為：① 太陽能電池板負責采集太陽光，將太陽能轉化為電壓輸出；② DC/DC降壓模塊用于對太陽能電池板的輸出電壓進行降壓；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行充電時的保護，延長鋰電池的壽命；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：太陽能電池板采集太陽光，將光能轉化為電壓輸出，該電壓經DC/DC降壓模塊之后輸出穩定的5V電壓，之后通過脈沖沖模塊對鋰電池進行充電。當外界光線很強時，太陽能電池板產生的電流較大，此時該電流一部分用于給鋰電池充電，另一部分經過同步整流升壓模塊之后給整套系統提供能源，而當外界光線較弱時，太陽能電池板產生的電流較小，此時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CH452控制LED顯示屏刷屏顯示當前時間和提示信息，此外還可進行分級亮度調整。

5．LCD調整模塊

該模塊由LCD顯示屏和按鍵組成。該模塊主要是通過按鍵對各項系統參數進行調整，并將調整后的信息及時的在LCD屏上顯示。

6．時鐘模塊

該模塊主要由DS1302時鐘芯片和DS32KHZ溫補晶振組成。該模塊主要是用于提供系統時間。

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、周圍環境亮度檢測、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輛檢測兩個模塊。

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。上電之后進行初始化操作，包括ATMEGA128定時器和中斷的初始化、LED顯示屏的初始化、LCD顯示屏的初始化以及實時時鐘芯片DS1302的初始化。之后主程序開始運行，首先在LCD屏上顯示出相應的系統信息，包括當前系統時間、有無車輛經過以及LED屏已亮時間等信息。然后對周圍環境的亮度進行檢測，以便對LED屏的亮度級別做出相應的調整。接著檢測LCD調整模塊是否有調整動作，包括系統功能的調整和時間的調整，若有動作則對相應的參數進行調整，并將調整后的信息顯示在LCD上，之后進行車輛標志位判斷，否則直接進入車輛標志位判斷階段。車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的信息之后便將車輛標志位置位，一段時間過后將標志位清零，在標志位為1的時間段內表示區域內有車便將在LED屏上刷屏顯示時間和提示信息，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。上電之后進行初始化操作，包括ATMEGA8定時器和中斷的初始化、超聲波傳感器和無線發射工作狀態的初始化。之后主程序開始運行，超聲波傳感器不間斷的向外發射超聲波，當接收到返回信號時變觸發中斷，在中斷中統計此次發射與接收的時間，若采樣的時間變短則表示區域內有車，此時通過程序將信息寫入無線發射，經無線發射將信息發送至主控模塊，否則繼續對區域內的車輛進行檢測。

3.5 系統預計實現結果

1．整套系統由太陽能供電，不需要外接電源；

2．對一定區域內的車輛進行檢測，有車屏亮，無車屏滅；

3．根據外部環境的亮度對顯示屏進行實時的亮度調整；

4．刷屏顯示當前時間；

5．內嵌LCD和鍵盤實現功能調整；