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基于MSP430單片機(jī)的太陽能LED自行車顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
摘 要：本文介紹了太陽能LED自行車顯示系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、主要部件和器件的選型原則及系統(tǒng)的軟件框架。在MSP430單片機(jī)系統(tǒng)控制下，4條LED燈條實(shí)現(xiàn)文字，圖片的穩(wěn)定顯示，并且配合傳感器可以進(jìn)行車速檢測，穩(wěn)定顯示等作用。整個系統(tǒng)充分利用了LED壽命長、光效高、無輻射與低功耗的特點(diǎn)，最大程度地簡化了硬件電路，使系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比和可靠性。
關(guān)鍵詞：動屏顯示；自行車LED裝飾；POV LED
0 引言
LED壽命長、光效高、無輻射與低功耗，基于太陽能LED的自行車顯示系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、方便快捷，以自行車作為傳媒載體，打破了目前市場上的廣告大多通過平面報(bào)刊、電視電臺、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行宣傳的傳統(tǒng)方法，較之更有廣泛的群眾基礎(chǔ)和性價(jià)比。 本作品充分考慮了LED在我國的良好市場前景，以及自行車的廣大群眾基礎(chǔ)，將兩者完美的結(jié)合在一起，相得益彰。
1.自行車LED顯示系統(tǒng)簡介
本文介紹的自行車車輪LED顯示系統(tǒng)是通過安裝在自行車輪輻上的LED旋轉(zhuǎn)形成較清晰畫面的裝置。其工作原理是：在自行車車輪上對稱地安裝4條LED燈條，每條燈條上有32個獨(dú)立的高亮LED以及燈條外側(cè)有一霍爾傳感器，燈條上的LED采用矩陣形式使得線路簡化I/O口占用較少，白天的時候太陽能電池通過TP4056充電芯片為鋰離子電池充電，晚上時整個系統(tǒng)開始工作，LED燈條彼此配合利用人眼的視覺惰性在自行車輪輻上顯示出畫面來。
自行車車輪LED顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由太陽能電池、充電電路、鋰電池、電源穩(wěn)壓電路、MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)、LED燈條、傳感器等主要部分組成。該系統(tǒng)具有充電過程自動調(diào)節(jié)、根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動啟動顯示電路，顯示畫面隨車輪轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)等功能。
2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)時,估算本系統(tǒng)的總功耗為0.264W(系統(tǒng)電壓3.3V電流0.08A)。市面上一塊50X50mm的太陽能電池,一般輸出功率為0.35W(5V/0.07A),因?yàn)榘滋斐潆姇r間大于晚上使用時間，所以滿足系統(tǒng)要求。充電電路白天為系統(tǒng)鋰電池充電，同時提供太陽能電池電壓信號給單片機(jī)，單片機(jī)通過辨別外界光強(qiáng)從而確定是否啟動LED燈條。
2.2 系統(tǒng)主控芯片
主控芯片選用MSP430F149單片機(jī)，采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲器都可以參加多種運(yùn)算，功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快，在3V工作電壓主頻為1MHz下最大功耗為430uA，在低功耗模式下最小功耗可以降為0.1uA，功耗極低。同時MSP430有6組I/O口滿足系統(tǒng)需要。
2.3 LED燈條設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)利用人眼的視覺暫留,讓LED燈條快速在人的眼前形成畫面。LED燈條以陣列的形式，通過本身的移動來顯示文字，依靠車輪轉(zhuǎn)動帶動燈條移動，實(shí)現(xiàn)文字或圖案的顯示。
在LED燈條數(shù)的選取上，以人眼的視覺暫留時間為0.1秒計(jì)自行車一般行駛的速度為20km/h，為獲得良好的顯示效果則需要LED顯示的刷新率為0.1s也就是10次每秒,自行車輪每轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)2m，自行車速v=20km/h=5.56m/s。若自行車輪周長l=2m，刷新率為 10次/秒，車速為20km/h則自行車輪安裝LED燈條條數(shù)n=10*l/v，經(jīng)過計(jì)算得出n為4時成本最低，效果較好。
LED燈條采用4X4矩陣布局，在每個節(jié)點(diǎn)上安裝兩個極性相反的LED，即在一個節(jié)點(diǎn)的兩端控制電流的方向就能控制在該節(jié)點(diǎn)是哪個LED點(diǎn)亮。用該種LED陣列可以讓32個獨(dú)立的LED用8根導(dǎo)線控制,大大減少了成本已經(jīng)系統(tǒng)端口的占用。
2.4 傳感器設(shè)計(jì)
為了使每一次顯示的畫面都能穩(wěn)定,且顯示的位置相對自行車固定則需要在系統(tǒng)上加裝傳感器,因?yàn)樽孕熊囕喯鄬ψ孕熊囀切D(zhuǎn)的,所以采用非接觸式傳感器--霍爾傳感器,在自行車車架上安裝磁鐵,當(dāng)霍爾傳感器接近磁鐵時則會有一次電平跳變,單片機(jī)檢測這一電平跳變進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示輸出,以及進(jìn)行測速和顯示的調(diào)整。
3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由主程序、LED顯示子程序和顯示校正子程序組成。系統(tǒng)供電后進(jìn)入到低功耗模式，充電電路與單片機(jī)連接，外界無陽光時停止充電，此時低電平觸發(fā)單片機(jī)中斷，退出低功耗模式，系統(tǒng)開始工作，檢測LED燈條是否經(jīng)過磁鐵。若檢測到LED燈條的傳感器電平跳變時則執(zhí)行LED燈條子程序。
在LED燈條1檢測到傳感器信號跳變時單片機(jī)還啟動內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，等到LED燈條2傳來跳變信號時停止計(jì)數(shù)器，進(jìn)入顯示校正子程序。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。
3.2燈條顯示子程序
在系統(tǒng)進(jìn)入到LED顯示子程序后，從內(nèi)存中讀取需要顯示的數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)為四組2位16進(jìn)制數(shù)，對應(yīng)燈條上的每一個LED。程序從LED1到LED32依次與顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相同的點(diǎn)亮該LED。當(dāng)1列LED比較完畢后進(jìn)入到循環(huán)程序，循環(huán)次數(shù)越多，字的顯示時間越長。通過控制循環(huán)的次數(shù)就能控制在不同的車速下都能顯示出穩(wěn)定的圖像來。
當(dāng)循環(huán)結(jié)束后在從內(nèi)存中讀取下一列需要顯示的數(shù)據(jù)，直到顯示結(jié)束。
3.3顯示校正子程序
因?yàn)樽孕熊囓囁偈菍?shí)時變化的，固定方法顯示的畫面肯定不穩(wěn)定。于是采用計(jì)算兩個傳感器反饋的電平信號的時差計(jì)算出當(dāng)前的車速，修改燈條顯示子程序內(nèi)的循環(huán)變量的辦法，達(dá)到校正的目的。同時當(dāng)自行車車輪轉(zhuǎn)速較慢或不轉(zhuǎn)時，內(nèi)部計(jì)數(shù)器溢出，此時系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式LED燈關(guān)閉。
4．結(jié)束語
本系統(tǒng)能源利用低碳環(huán)保。太陽能光電池的安裝使本系統(tǒng)清潔，高效，無污染，完全符合全球倡導(dǎo)的低碳理念。同時文字顯示穩(wěn)定可靠。整個系統(tǒng)充分利用了LED壽命長、光效高、無輻射與低功耗的特點(diǎn)最大程度地簡化了硬件電路，使系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比和可靠性。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 沈建華，楊艷琴等.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
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