基于MSP430单片机的太阳能LED自行车显示系统设计论文
时间：2021-08-31摘 要：本文介绍了太阳能LED自行车显示系统的硬件构成、主要部件和器件的选型原则及系统的软件框架。在MSP430单片机系统控制下，4条LED灯条实现文字，图片的稳定显示，并且配合传感器可以进行车速检测，稳定显示等作用。整个系统充分利用了LED寿命长、光效高、无辐射与低功耗的特点，最大程度地简化了硬件电路，使系统具有较高的性价比和可靠性。
关键词：动屏显示；自行车LED装饰；POV LED
0 引言
LED寿命长、光效高、无辐射与低功耗，基于太阳能LED的自行车显示系统稳定可靠、方便快捷，以自行车作为传媒载体，打破了目前市场上的广告大多通过平面报刊、电视电台、手机网络等进行宣传的传统方法，较之更有广泛的群众基础和性价比。 本作品充分考虑了LED在我国的良好市场前景，以及自行车的广大群众基础，将两者完美的结合在一起，相得益彰。
1.自行车LED显示系统简介
本文介绍的自行车车轮LED显示系统是通过安装在自行车轮辐上的LED旋转形成较清晰画面的装置。其工作原理是：在自行车车轮上对称地安装4条LED灯条，每条灯条上有32个独立的高亮LED以及灯条外侧有一霍尔传感器，灯条上的LED采用矩阵形式使得线路简化I/O口占用较少，白天的时候太阳能电池通过TP4056充电芯片为锂离子电池充电，晚上时整个系统开始工作，LED灯条彼此配合利用人眼的视觉惰性在自行车轮辐上显示出画面来。
自行车车轮LED显示系统结构框图如图2所示，由太阳能电池、充电电路、锂电池、电源稳压电路、MSP430单片机控制系统、LED灯条、传感器等主要部分组成。该系统具有充电过程自动调节、根据环境光强自动启动显示电路，显示画面随车轮转速自动调节等功能。
2．系统硬件设计
2.1 系统电源设计
在系统的整体设计时,估算本系统的总功耗为0.264W(系统电压3.3V电流0.08A)。市面上一块50X50mm的太阳能电池,一般输出功率为0.35W(5V/0.07A),因为白天充电时间大于晚上使用时间，所以满足系统要求。充电电路白天为系统锂电池充电，同时提供太阳能电池电压信号给单片机，单片机通过辨别外界光强从而确定是否启动LED灯条。
2.2 系统主控芯片
主控芯片选用MSP430F149单片机，采用精简指令集（RISC）结构，数据存储器都可以参加多种运算，功能强，运行速度快，在3V工作电压主频为1MHz下最大功耗为430uA，在低功耗模式下最小功耗可以降为0.1uA，功耗极低。同时MSP430有6组I/O口满足系统需要。
2.3 LED灯条设计
本系统利用人眼的视觉暂留,让LED灯条快速在人的眼前形成画面。LED灯条以阵列的形式，通过本身的移动来显示文字，依靠车轮转动带动灯条移动，实现文字或图案的显示。
在LED灯条数的选取上，以人眼的视觉暂留时间为0.1秒计自行车一般行驶的速度为20km/h，为获得良好的显示效果则需要LED显示的刷新率为0.1s也就是10次每秒,自行车轮每转一圈前进2m，自行车速v=20km/h=5.56m/s。若自行车轮周长l=2m，刷新率为 10次/秒，车速为20km/h则自行车轮安装LED灯条条数n=10*l/v，经过计算得出n为4时成本最低，效果较好。
LED灯条采用4X4矩阵布局，在每个节点上安装两个极性相反的LED，即在一个节点的两端控制电流的方向就能控制在该节点是哪个LED点亮。用该种LED阵列可以让32个独立的LED用8根导线控制,大大减少了成本已经系统端口的占用。
2.4 传感器设计
为了使每一次显示的画面都能稳定,且显示的位置相对自行车固定则需要在系统上加装传感器,因为自行车轮相对自行车是旋转的,所以采用非接触式传感器--霍尔传感器,在自行车车架上安装磁铁,当霍尔传感器接近磁铁时则会有一次电平跳变,单片机检测这一电平跳变进行数据显示输出,以及进行测速和显示的调整。
3．系统软件设计
3.1系统主程序软件设计
本系统由主程序、LED显示子程序和显示校正子程序组成。系统供电后进入到低功耗模式，充电电路与单片机连接，外界无阳光时停止充电，此时低电平触发单片机中断，退出低功耗模式，系统开始工作，检测LED灯条是否经过磁铁。若检测到LED灯条的传感器电平跳变时则执行LED灯条子程序。
在LED灯条1检测到传感器信号跳变时单片机还启动内部的计数器，等到LED灯条2传来跳变信号时停止计数器，进入显示校正子程序。系统的主程序流程图如图3所示。
3.2灯条显示子程序
在系统进入到LED显示子程序后，从内存中读取需要显示的数据，显示数据为四组2位16进制数，对应灯条上的每一个LED。程序从LED1到LED32依次与显示数据进行比较，相同的点亮该LED。当1列LED比较完毕后进入到循环程序，循环次数越多，字的显示时间越长。通过控制循环的'次数就能控制在不同的车速下都能显示出稳定的图像来。
当循环结束后在从内存中读取下一列需要显示的数据，直到显示结束。
3.3显示校正子程序
因为自行车车速是实时变化的，固定方法显示的画面肯定不稳定。于是采用计算两个传感器反馈的电平信号的时差计算出当前的车速，修改灯条显示子程序内的循环变量的办法，达到校正的目的。同时当自行车车轮转速较慢或不转时，内部计数器溢出，此时系统进入低功耗模式LED灯关闭。
4．结束语
本系统能源利用低碳环保。太阳能光电池的安装使本系统清洁，高效，无污染，完全符合全球倡导的低碳理念。同时文字显示稳定可靠。整个系统充分利用了LED寿命长、光效高、无辐射与低功耗的特点最大程度地简化了硬件电路，使系统具有较高的性价比和可靠性。
参考文献：
[1] 徐开芸，汪木兰，邵宇峰，邓 乐等. 可折叠便携式微型太阳能光伏电站控制系统设计[J].1002-6673(2008) TP273.5，TK514
[2] 沈建华，杨艳琴等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
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