摘 要： 介紹了新型太陽能公交車站牌報(bào)站顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽能、LED顯示和微控制技術(shù)，采用W78E58單片機(jī)作為系統(tǒng)的中央控制單元，可實(shí)現(xiàn)同一站牌不同路數(shù)公交車站點(diǎn)的靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示和定時(shí)顯示控制。利用VB軟件編程可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通信，通過RS232接口可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)，提高了系統(tǒng)的可操作性。整個(gè)系統(tǒng)采用太陽能供電，蓄電池作為后備電源，可有效節(jié)約電能。
關(guān)鍵詞： 太陽能電池板；LED點(diǎn)陣屏；控制器；靜態(tài)顯示；動(dòng)態(tài)顯示
目前，多數(shù)公交車站牌都采用固定板塊方式顯示站點(diǎn)信息，其內(nèi)容固定、信息量少，修改站點(diǎn)信息麻煩，不能快速、便捷地更新站點(diǎn)信息。本文設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制的報(bào)站屏，可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示公交車站的站點(diǎn)信息，同時(shí)采用太陽能供電，減少了城市供電的壓力，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。
1 系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)采用華邦公司的W78E58單片機(jī)作為系統(tǒng)的中央控制單元，可實(shí)現(xiàn)同一站牌不同路數(shù)公交車站點(diǎn)的靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示和定時(shí)顯示控制；結(jié)合VB軟件編程，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)通信、控制界面以及安全措施，豐富了系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)的可操作性，符合未來交通系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。
系統(tǒng)由主控制單元和輔助控制單元兩大模塊組成，分別如圖1和圖2所示。圖1為主控制單元結(jié)構(gòu)圖，主要完成LED點(diǎn)陣顯示和定時(shí)顯示控制。其中6264為64Kbit的RAM擴(kuò)展，用來補(bǔ)充W78E58內(nèi)部RAM空間不足；AT24C256是容量為256Kbit的E2ROM，用來保存站點(diǎn)信息及更新數(shù)據(jù)信息；RS232通信模塊用來更新站點(diǎn)信息和升級(jí)系統(tǒng)。
圖2為輔助控制單元結(jié)構(gòu)圖，主要完成電源動(dòng)態(tài)管理和蓄電池充放電控制。由于太陽能電池板輸出電能不穩(wěn)定，所以要對(duì)其動(dòng)態(tài)管理，以保證正常供電；蓄電池組是為了防止陰雨天時(shí)不能正常使用太陽能電池板供電的后備電源。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 顯示屏驅(qū)動(dòng)顯示電路
顯示屏分成屏體和控制器兩部分。屏體的主要部分是顯示陣列及行列驅(qū)動(dòng)電路。顯示時(shí)掃描方式分為兩步，每行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器。由單片機(jī)給出行選通信號(hào)，從第一行開始依次對(duì)各行掃描；對(duì)于列，根據(jù)各列所存數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器是否將該列與行接通，如果接通，則該行該列的LED點(diǎn)亮，全部各行都掃描一遍后(一個(gè)掃描周期)，再?gòu)牡谝恍虚_始，進(jìn)行下一個(gè)周期的掃描。只要一個(gè)掃描周期的時(shí)間比人眼1/25s的滯留時(shí)間短，人眼就不會(huì)感覺到閃爍現(xiàn)象。
顯示數(shù)據(jù)從驅(qū)動(dòng)芯片到顯示模塊以并行方式傳輸，但顯示數(shù)據(jù)從單片機(jī)到驅(qū)動(dòng)芯片則以串行方式傳輸。串行傳輸?shù)目刂齐娐泛?jiǎn)單、設(shè)計(jì)容易，但串行數(shù)據(jù)傳輸需要較長(zhǎng)時(shí)間，這可由軟件彌補(bǔ)，也可考慮單片機(jī)的控制速度。
顯示驅(qū)動(dòng)電路由74HC595組成。74HC595輸入端是8位串行移位寄存器，輸出端是8位并行緩存器，具有鎖存功能。由于CLK、LOAD端相連，而數(shù)據(jù)線分開，這樣在同一脈沖下，行列數(shù)據(jù)可同時(shí)傳入。行列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，啟動(dòng)LOAD信號(hào)使所有數(shù)據(jù)同時(shí)輸出并鎖存，這樣較傳統(tǒng)方法速度提高了4倍。由于CLK、LOAD引線較長(zhǎng)，為避免線間干擾，在驅(qū)動(dòng)6片74Ls595之后再加驅(qū)動(dòng)芯片74LS244，以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。
LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路與控制系統(tǒng)相配合，分為動(dòng)態(tài)掃描型驅(qū)動(dòng)和靜態(tài)鎖存型驅(qū)動(dòng)兩種。本設(shè)計(jì)使用單色點(diǎn)陣，16行×64列為一個(gè)基本單元，共用8片74HC595、16個(gè)行掃描管，將8片74HC595級(jí)聯(lián)，共用一個(gè)串行時(shí)鐘CLK及數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)STR。當(dāng)?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經(jīng)過8×8=64個(gè)CLK時(shí)鐘后將全部移入74HC595中，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)STR，使數(shù)據(jù)鎖存到74HC595的后級(jí)鎖存器中，同時(shí)由行掃描控制電路產(chǎn)生信號(hào)使第一行掃描管導(dǎo)通，相當(dāng)于第一行LED的正端都接高平，顯然第一行LED管的亮、滅取決于74HC595中鎖存的信號(hào)；在第一行LED管點(diǎn)亮的同時(shí)，在74HC595中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，并同時(shí)由行掃描控制電路將第一行掃描管關(guān)閉而接通第二行，使第二行LED管點(diǎn)亮。依此類推，當(dāng)?shù)谑袙呙柽^后再回到第一行，只要掃描速度足夠高，就可形成一幅完整的文字或圖像，其工作時(shí)序如圖3所示。
參考文獻(xiàn)
[1] 袁茵.太陽能電池陽光普照[J].電子技術(shù)，2006(3)：40-42.
[2] 郭兆正.LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(12)：25-27.
[3] 眭碧霞.用單片機(jī)串行口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描LED顯示[J].電子工程師，2006(6)：31-32.
[4] 李熹霖.談LED大屏的刷新頻率和換幀頻率[J].現(xiàn)代顯示，2004(1)：17-19.
[5] 龐家成.多功能LED信息顯示屏的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代顯示技術(shù)，2006(9)：25-27.
[6] 周小平.LED顯示屏及其掃描電路的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)[J].印刷電路信息，2005(1)：45-47.
[7] 虞鶴松.LED顯示屏高速數(shù)據(jù)通訊接口設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件，2005(2)：38-40.
2.2 顯示屏主控制電路
華邦51系列單片機(jī)中W78E58是8位微控制器，最高工作頻率為40MHz，W78E58與8052完全兼容，具有256B的片內(nèi)RAM和32KB的可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器。片內(nèi)EPROM允許對(duì)程序存儲(chǔ)器在線重新編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程，具有編程后的編碼保護(hù)功能，全靜態(tài)設(shè)計(jì)。顯示屏主控制電路如圖4所示。
為了使更新的站點(diǎn)信息和定時(shí)顯示時(shí)間在系統(tǒng)掉電后仍能恢復(fù)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮將常數(shù)保存起來。由于W78E58單片機(jī)片內(nèi)沒有EEPROM，所以采用了外部擴(kuò)展方式。對(duì)于一個(gè)公交車報(bào)站屏來說，為了獲得較大的系統(tǒng)余量，選用了AT24C256存儲(chǔ)芯片，按照16×16的點(diǎn)陣計(jì)算，可存儲(chǔ)1 000個(gè)字符，容量足夠。
靜態(tài)顯示只需在定時(shí)中斷處理程序中從顯示緩沖區(qū)調(diào)入相應(yīng)的一行顯示數(shù)據(jù)，然后選中該行即可實(shí)現(xiàn)該行的顯示，如此循環(huán)，便可顯示整個(gè)內(nèi)容。閃動(dòng)顯示與此類似，不同的是要間隔一個(gè)“軟定時(shí)器”的定時(shí)時(shí)間，在行掃描時(shí)，行移位寄存器的D端打入的數(shù)據(jù)全為0，可使得整屏不顯示，以確保黑屏?xí)r間與顯示時(shí)間相等，從而實(shí)現(xiàn)漢字的閃動(dòng)顯示。滾動(dòng)顯示要求顯示內(nèi)容每隔一定時(shí)間向左移動(dòng)，要求在下次移動(dòng)顯示之前對(duì)顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行更改，從而完成相應(yīng)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的移位操作。設(shè)置一個(gè)顯示緩沖區(qū)，該區(qū)應(yīng)包括兩部分，一部分用來保存當(dāng)前LED顯示屏上顯示的4個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，另一部分為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)預(yù)裝載區(qū)，用來保存即將進(jìn)入LED顯示屏的1個(gè)漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。滾動(dòng)指針始終指向顯示屏的最右邊原點(diǎn)。當(dāng)滾動(dòng)指針移動(dòng)到需要顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)第1個(gè)漢字的首地址時(shí)，顯示緩沖區(qū)LED顯示區(qū)為空白，而預(yù)裝載區(qū)已保存了第1個(gè)待顯示漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。當(dāng)需要滾動(dòng)顯示時(shí)，可在接下來的掃描周期的每個(gè)行掃描中斷處理程序中，對(duì)顯示緩沖區(qū)的相應(yīng)行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)左移一位，同時(shí)更改顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容。該操作要確保在1.25ms的中斷時(shí)間內(nèi)完成(W78E58采用24MHz晶振，可以實(shí)現(xiàn)該操作）。這樣，在一個(gè)掃描周期后，整個(gè)漢字將左移一列，而顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容也同時(shí)更改。由于預(yù)裝載區(qū)保存了1個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，即16×16點(diǎn)陣，所以當(dāng)前顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容只能移動(dòng)16列。當(dāng)下一個(gè)滾動(dòng)到來時(shí)，滾動(dòng)指針將移動(dòng)到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的下一個(gè)漢字的首地址，并在預(yù)裝載區(qū)存入該漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，然后重復(fù)操作便可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)顯示。打字顯示要求漢字在顯示屏上按從左到右順序一個(gè)個(gè)出現(xiàn)，如同打字效果。設(shè)計(jì)時(shí)可采用如下方法：首先將LED顯示屏對(duì)應(yīng)的顯示緩沖區(qū)全部清零，即LED顯示空白，然后每間隔一個(gè)“軟定時(shí)器”設(shè)定的動(dòng)態(tài)顯示時(shí)間，顯示緩沖區(qū)依次加入一個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)并進(jìn)行掃描顯示，這樣就可達(dá)到打字顯示的效果。
2.3 電池板選用及控制電路
2.3.1 太陽能電池板和蓄電池的選用
通過分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)陣屏幕的顯示電流不是固定不變的，而是隨著點(diǎn)陣顯示內(nèi)容而變化。因此，選用電池板時(shí)，需要考慮這些因素。
紅色LED的正向壓降為1.8V，正向電流IF為8mA。要達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)時(shí)的顯示效果，掃描脈沖的平均電流Ia應(yīng)等于直流驅(qū)動(dòng)電流Io(約為IF，這里取6mA)，Ia必須滿足下式才能達(dá)到滿意的顯示效果：
IFM為脈沖電流的幅值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，T/ton取4比較合適，則一行LED的瞬時(shí)電流最大值為：
點(diǎn)陣屏的工作電壓為5V、工作電流約為1.6A。由于公交站牌一天工作24h，考慮陰天情況下系統(tǒng)的供電，后備電源應(yīng)具有24h的供電能力，且按80%的放電率計(jì)算，則蓄電池的容量為：
式中Qx為蓄電池容量，Tx為蓄電池放電時(shí)間， IFMN為點(diǎn)陣屏工作電流。因此應(yīng)選用5V/50Ah免維護(hù)蓄電池。
有日照時(shí)，要求太陽能電池既能給點(diǎn)陣屏供電，也能給蓄電池充電。如按15h充電計(jì)算，充電電流為：
式中IC為充電電流，Qx為蓄電池容量，TC為充電時(shí)間。
因此，太陽能電池板需提供的總電流為：
I=IC + IFMN =3.3+ 1.6 = 4.9A
計(jì)算中，加上30%的余量，則要求太陽能電池提供的輸出功率為：
P=VI(1+0.3)=5×4.9×1.3=31.85W
式中P為太陽能電池板的輸出功率，V為點(diǎn)陣屏的工作電壓。因此，給點(diǎn)陣屏供電應(yīng)選用5V/35W的電池板。
2.3.2 蓄電池供電控制電路
蓄電池供電控制電路如圖5所示。由于太陽能電池板輸出功率隨光照變化，其輸出電壓需要穩(wěn)壓，以減少輸出電壓的波動(dòng)。圖5中W7806用來穩(wěn)定電池板的輸出電壓，同時(shí)對(duì)蓄電池充電；T3、T4用來檢測(cè)蓄電池電壓并控制其充放電，在蓄電池充滿后自動(dòng)停止充電，若蓄電池電壓過低則自動(dòng)充電，保護(hù)蓄電池；電路中C4用來濾除干擾信號(hào)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 顯示屏主體顯示
程序在初始化后將存儲(chǔ)在ROM內(nèi)部的站點(diǎn)信息讀出，送至單片機(jī)的RAM進(jìn)行漢字點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過顯示效果處理，如站點(diǎn)信息的左移顯示、右移顯示、上下移動(dòng)顯示、滾動(dòng)顯示等，最后送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，調(diào)用顯示子程序，完成站點(diǎn)信息顯示。主程序流程圖如圖6所示。
顯示子程序的任務(wù)是將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出送到點(diǎn)陣屏顯示。點(diǎn)陣顯示的原理是按列選擇，通過串并轉(zhuǎn)換，將一列的顯示數(shù)據(jù)送至選擇的列排點(diǎn)陣中，然后選擇下一列。重復(fù)上述步驟，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。顯示子程序的流程圖如圖7所示。
3.2 定時(shí)顯示控制
報(bào)站屏的定時(shí)顯示是指在固定時(shí)間顯示相應(yīng)的站點(diǎn)信息或其他數(shù)據(jù)信息。定時(shí)顯示依靠外部時(shí)間芯片DS1302和主程序中的判斷子程序來實(shí)現(xiàn)。定時(shí)顯示程序流程圖如圖8所示。
3.3 顯示效果控制
主程序在開始時(shí)設(shè)置待顯示的效果，在顯示效果子程序中，程序判斷需要顯示的效果后調(diào)用不同顯示效果處理程序，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行效果處理，最后送入顯示緩沖區(qū)，等待顯示調(diào)用。其程序流程圖如圖9所示。
本系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，如加上升級(jí)模塊，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)；加上公交車到站時(shí)間預(yù)測(cè)模塊，可預(yù)測(cè)到公交車到站的時(shí)間，方便行人乘車；加上網(wǎng)絡(luò)模塊，可以連接互聯(lián)網(wǎng)，直接通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制，也為以后的智能交通打下基礎(chǔ)。此外，本系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)后還可以應(yīng)于廣告宣傳，通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)陣屏幕的遠(yuǎn)程控制。