摘 要： 介绍了新型太阳能公交车站牌报站显示系统。该系统利用太阳能、LED显示和微控制技术，采用W78E58单片机作为系统的中央控制单元，可实现同一站牌不同路数公交车站点的静态显示、动态显示和定时显示控制。利用VB软件编程可实现PC机通信，通过RS232接口可对整个系统升级，提高了系统的可操作性。整个系统采用太阳能供电，蓄电池作为后备电源，可有效节约电能。
关键词： 太阳能电池板；LED点阵屏；控制器；静态显示；动态显示
目前，多数公交车站牌都采用固定板块方式显示站点信息，其内容固定、信息量少，修改站点信息麻烦，不能快速、便捷地更新站点信息。本文设计了一种由单片机控制的报站屏，可动态、实时地显示公交车站的站点信息，同时采用太阳能供电，减少了城市供电的压力，达到了节约电能的目的。
1 系统框图
本系统采用华邦公司的W78E58单片机作为系统的中央控制单元，可实现同一站牌不同路数公交车站点的静态显示、动态显示和定时显示控制；结合VB软件编程，实现了PC机通信、控制界面以及安全措施，丰富了系统功能，提高了系统的可操作性，符合未来交通系统智能化、网络化的发展方向。
系统由主控制单元和辅助控制单元两大模块组成，分别如图1和图2所示。图1为主控制单元结构图，主要完成LED点阵显示和定时显示控制。其中6264为64Kbit的RAM扩展，用来补充W78E58内部RAM空间不足；AT24C256是容量为256Kbit的E2ROM，用来保存站点信息及更新数据信息；RS232通信模块用来更新站点信息和升级系统。
图2为辅助控制单元结构图，主要完成电源动态管理和蓄电池充放电控制。由于太阳能电池板输出电能不稳定，所以要对其动态管理，以保证正常供电；蓄电池组是为了防止阴雨天时不能正常使用太阳能电池板供电的后备电源。
2 系统硬件设计
2.1 显示屏驱动显示电路
显示屏分成屏体和控制器两部分。屏体的主要部分是显示阵列及行列驱动电路。显示时扫描方式分为两步，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由单片机给出行选通信号，从第一行开始依次对各行扫描；对于列，根据各列所存数据，确定相应的列驱动器是否将该列与行接通，如果接通，则该行该列的LED点亮，全部各行都扫描一遍后(一个扫描周期)，再从第一行开始，进行下一个周期的扫描。只要一个扫描周期的时间比人眼1/25s的滞留时间短，人眼就不会感觉到闪烁现象。
显示数据从驱动芯片到显示模块以并行方式传输，但显示数据从单片机到驱动芯片则以串行方式传输。串行传输的控制电路简单、设计容易，但串行数据传输需要较长时间，这可由软件弥补，也可考虑单片机的控制速度。
显示驱动电路由74HC595组成。74HC595输入端是8位串行移位寄存器，输出端是8位并行缓存器，具有锁存功能。由于CLK、LOAD端相连，而数据线分开，这样在同一脉冲下，行列数据可同时传入。行列数据准备好后，启动LOAD信号使所有数据同时输出并锁存，这样较传统方法速度提高了4倍。由于CLK、LOAD引线较长，为避免线间干扰，在驱动6片74Ls595之后再加驱动芯片74LS244，以驱动下一级驱动电路。
LED显示屏驱动电路与控制系统相配合，分为动态扫描型驱动和静态锁存型驱动两种。本设计使用单色点阵，16行×64列为一个基本单元，共用8片74HC595、16个行扫描管，将8片74HC595级联，共用一个串行时钟CLK及数据锁存信号STR。当第一行需要显示的数据经过8×8=64个CLK时钟后将全部移入74HC595中，此时产生一个数据锁存信号STR，使数据锁存到74HC595的后级锁存器中，同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高平，显然第一行LED管的亮、灭取决于74HC595中锁存的信号；在第一行LED管点亮的同时，在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，并同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管点亮。依此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像，其工作时序如图3所示。
参考文献
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2.2 显示屏主控制电路
华邦51系列单片机中W78E58是8位微控制器，最高工作频率为40MHz，W78E58与8052完全兼容，具有256B的片内RAM和32KB的可编程及可擦除只读存储器。片内EPROM允许对程序存储器在线重新编程，也可用常规的EPROM编程器编程，具有编程后的编码保护功能，全静态设计。显示屏主控制电路如图4所示。
为了使更新的站点信息和定时显示时间在系统掉电后仍能恢复，设计时必须考虑将常数保存起来。由于W78E58单片机片内没有EEPROM，所以采用了外部扩展方式。对于一个公交车报站屏来说，为了获得较大的系统余量，选用了AT24C256存储芯片，按照16×16的点阵计算，可存储1 000个字符，容量足够。
静态显示只需在定时中断处理程序中从显示缓冲区调入相应的一行显示数据，然后选中该行即可实现该行的显示，如此循环，便可显示整个内容。闪动显示与此类似，不同的是要间隔一个“软定时器”的定时时间，在行扫描时，行移位寄存器的D端打入的数据全为0，可使得整屏不显示，以确保黑屏时间与显示时间相等，从而实现汉字的闪动显示。滚动显示要求显示内容每隔一定时间向左移动，要求在下次移动显示之前对显示缓冲区的内容进行更改，从而完成相应点阵数据的移位操作。设置一个显示缓冲区，该区应包括两部分，一部分用来保存当前LED显示屏上显示的4个汉字点阵数据，另一部分为点阵数据预装载区，用来保存即将进入LED显示屏的1个汉字的点阵数据。滚动指针始终指向显示屏的最右边原点。当滚动指针移动到需要显示的点阵数据存储区第1个汉字的首地址时，显示缓冲区LED显示区为空白，而预装载区已保存了第1个待显示汉字的点阵数据。当需要滚动显示时，可在接下来的扫描周期的每个行扫描中断处理程序中，对显示缓冲区的相应行点阵数据左移一位，同时更改显示缓冲区的内容。该操作要确保在1.25ms的中断时间内完成(W78E58采用24MHz晶振，可以实现该操作）。这样，在一个扫描周期后，整个汉字将左移一列，而显示缓冲区的内容也同时更改。由于预装载区保存了1个汉字点阵数据，即16×16点阵，所以当前显示缓冲区的内容只能移动16列。当下一个滚动到来时，滚动指针将移动到点阵数据存储区的下一个汉字的首地址，并在预装载区存入该汉字的点阵数据，然后重复操作便可实现滚动显示。打字显示要求汉字在显示屏上按从左到右顺序一个个出现，如同打字效果。设计时可采用如下方法：首先将LED显示屏对应的显示缓冲区全部清零，即LED显示空白，然后每间隔一个“软定时器”设定的动态显示时间，显示缓冲区依次加入一个汉字点阵数据并进行扫描显示，这样就可达到打字显示的效果。
2.3 电池板选用及控制电路
2.3.1 太阳能电池板和蓄电池的选用
通过分析计算发现，点阵屏幕的显示电流不是固定不变的，而是随着点阵显示内容而变化。因此，选用电池板时，需要考虑这些因素。
红色LED的正向压降为1.8V，正向电流IF为8mA。要达到直流驱动时的显示效果，扫描脉冲的平均电流Ia应等于直流驱动电流Io(约为IF，这里取6mA)，Ia必须满足下式才能达到满意的显示效果：
IFM为脉冲电流的幅值，根据经验，T/ton取4比较合适，则一行LED的瞬时电流最大值为：
点阵屏的工作电压为5V、工作电流约为1.6A。由于公交站牌一天工作24h，考虑阴天情况下系统的供电，后备电源应具有24h的供电能力，且按80%的放电率计算，则蓄电池的容量为：
式中Qx为蓄电池容量，Tx为蓄电池放电时间， IFMN为点阵屏工作电流。因此应选用5V/50Ah免维护蓄电池。
有日照时，要求太阳能电池既能给点阵屏供电，也能给蓄电池充电。如按15h充电计算，充电电流为：
式中IC为充电电流，Qx为蓄电池容量，TC为充电时间。
因此，太阳能电池板需提供的总电流为：
I=IC + IFMN =3.3+ 1.6 = 4.9A
计算中，加上30%的余量，则要求太阳能电池提供的输出功率为：
P=VI(1+0.3)=5×4.9×1.3=31.85W
式中P为太阳能电池板的输出功率，V为点阵屏的工作电压。因此，给点阵屏供电应选用5V/35W的电池板。
2.3.2 蓄电池供电控制电路
蓄电池供电控制电路如图5所示。由于太阳能电池板输出功率随光照变化，其输出电压需要稳压，以减少输出电压的波动。图5中W7806用来稳定电池板的输出电压，同时对蓄电池充电；T3、T4用来检测蓄电池电压并控制其充放电，在蓄电池充满后自动停止充电，若蓄电池电压过低则自动充电，保护蓄电池；电路中C4用来滤除干扰信号。
3 系统软件设计
3.1 显示屏主体显示
程序在初始化后将存储在ROM内部的站点信息读出，送至单片机的RAM进行汉字点阵转换，转换后的数据经过显示效果处理，如站点信息的左移显示、右移显示、上下移动显示、滚动显示等，最后送入数据缓冲区，调用显示子程序，完成站点信息显示。主程序流程图如图6所示。
显示子程序的任务是将缓冲区内的数据读出送到点阵屏显示。点阵显示的原理是按列选择，通过串并转换，将一列的显示数据送至选择的列排点阵中，然后选择下一列。重复上述步骤，即可以实现数据显示。显示子程序的流程图如图7所示。
3.2 定时显示控制
报站屏的定时显示是指在固定时间显示相应的站点信息或其他数据信息。定时显示依靠外部时间芯片DS1302和主程序中的判断子程序来实现。定时显示程序流程图如图8所示。
3.3 显示效果控制
主程序在开始时设置待显示的效果，在显示效果子程序中，程序判断需要显示的效果后调用不同显示效果处理程序，对缓冲区内的数据进行效果处理，最后送入显示缓冲区，等待显示调用。其程序流程图如图9所示。
本系统可方便地实现功能扩展，如加上升级模块，可实现系统的远程升级；加上公交车到站时间预测模块，可预测到公交车到站的时间，方便行人乘车；加上网络模块，可以连接互联网，直接通过互联网进行控制，也为以后的智能交通打下基础。此外，本系统经过改进后还可以应于广告宣传，通过远程通信实现对点阵屏幕的远程控制。