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基于MSP430單片機的太陽(yáng)能LED自行車(chē)顯示系統設計論文
摘 要：本文介紹了太陽(yáng)能LED自行車(chē)顯示系統的硬件構成、主要部件和器件的選型原則及系統的軟件框架。在MSP430單片機系統控制下，4條LED燈條實(shí)現文字，圖片的穩定顯示，并且配合傳感器可以進(jìn)行車(chē)速檢測，穩定顯示等作用。整個(gè)系統充分利用了LED壽命長(cháng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗的特點(diǎn)，最大程度地簡(jiǎn)化了硬件電路，使系統具有較高的性?xún)r(jià)比和可靠性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)屏顯示；自行車(chē)LED裝飾；POV LED
0 引言
LED壽命長(cháng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗，基于太陽(yáng)能LED的自行車(chē)顯示系統穩定可靠、方便快捷，以自行車(chē)作為傳媒載體，打破了目前市場(chǎng)上的廣告大多通過(guò)平面報刊、電視電臺、手機網(wǎng)絡(luò )等進(jìn)行宣傳的傳統方法，較之更有廣泛的群眾基礎和性?xún)r(jià)比。 本作品充分考慮了LED在我國的良好市場(chǎng)前景，以及自行車(chē)的廣大群眾基礎，將兩者完美的結合在一起，相得益彰。
1.自行車(chē)LED顯示系統簡(jiǎn)介
本文介紹的自行車(chē)車(chē)輪LED顯示系統是通過(guò)安裝在自行車(chē)輪輻上的LED旋轉形成較清晰畫(huà)面的裝置。其工作原理是：在自行車(chē)車(chē)輪上對稱(chēng)地安裝4條LED燈條，每條燈條上有32個(gè)獨立的高亮LED以及燈條外側有一霍爾傳感器，燈條上的LED采用矩陣形式使得線(xiàn)路簡(jiǎn)化I/O口占用較少，白天的時(shí)候太陽(yáng)能電池通過(guò)TP4056充電芯片為鋰離子電池充電，晚上時(shí)整個(gè)系統開(kāi)始工作，LED燈條彼此配合利用人眼的視覺(jué)惰性在自行車(chē)輪輻上顯示出畫(huà)面來(lái)。
自行車(chē)車(chē)輪LED顯示系統結構框圖如圖2所示，由太陽(yáng)能電池、充電電路、鋰電池、電源穩壓電路、MSP430單片機控制系統、LED燈條、傳感器等主要部分組成。該系統具有充電過(guò)程自動(dòng)調節、根據環(huán)境光強自動(dòng)啟動(dòng)顯示電路，顯示畫(huà)面隨車(chē)輪轉速自動(dòng)調節等功能。
2．系統硬件設計
2.1 系統電源設計
在系統的整體設計時(shí),估算本系統的總功耗為0.264W(系統電壓3.3V電流0.08A)。市面上一塊50X50mm的太陽(yáng)能電池,一般輸出功率為0.35W(5V/0.07A),因為白天充電時(shí)間大于晚上使用時(shí)間，所以滿(mǎn)足系統要求。充電電路白天為系統鋰電池充電，同時(shí)提供太陽(yáng)能電池電壓信號給單片機，單片機通過(guò)辨別外界光強從而確定是否啟動(dòng)LED燈條。
2.2 系統主控芯片
主控芯片選用MSP430F149單片機，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）結構，數據存儲器都可以參加多種運算，功能強，運行速度快，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(shí)MSP430有6組I/O口滿(mǎn)足系統需要。
2.3 LED燈條設計
本系統利用人眼的視覺(jué)暫留,讓LED燈條快速在人的眼前形成畫(huà)面。LED燈條以陣列的形式，通過(guò)本身的移動(dòng)來(lái)顯示文字，依靠車(chē)輪轉動(dòng)帶動(dòng)燈條移動(dòng)，實(shí)現文字或圖案的顯示。
在LED燈條數的選取上，以人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間為0.1秒計自行車(chē)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(chē)輪每轉一圈前進(jìn)2m，自行車(chē)速v=20km/h=5.56m/s。若自行車(chē)輪周長(cháng)l=2m，刷新率為 10次/秒，車(chē)速為20km/h則自行車(chē)輪安裝LED燈條條數n=10*l/v，經(jīng)過(guò)計算得出n為4時(shí)成本最低，效果較好。
LED燈條采用4X4矩陣布局，在每個(gè)節點(diǎn)上安裝兩個(gè)極性相反的LED，即在一個(gè)節點(diǎn)的兩端控制電流的方向就能控制在該節點(diǎn)是哪個(gè)LED點(diǎn)亮。用該種LED陣列可以讓32個(gè)獨立的LED用8根導線(xiàn)控制,大大減少了成本已經(jīng)系統端口的占用。
2.4 傳感器設計
為了使每一次顯示的畫(huà)面都能穩定,且顯示的位置相對自行車(chē)固定則需要在系統上加裝傳感器,因為自行車(chē)輪相對自行車(chē)是旋轉的,所以采用非接觸式傳感器--霍爾傳感器,在自行車(chē)車(chē)架上安裝磁鐵,當霍爾傳感器接近磁鐵時(shí)則會(huì )有一次電平跳變,單片機檢測這一電平跳變進(jìn)行數據顯示輸出,以及進(jìn)行測速和顯示的調整。
3．系統軟件設計
3.1系統主程序軟件設計
本系統由主程序、LED顯示子程序和顯示校正子程序組成。系統供電后進(jìn)入到低功耗模式，充電電路與單片機連接，外界無(wú)陽(yáng)光時(shí)停止充電，此時(shí)低電平觸發(fā)單片機中斷，退出低功耗模式，系統開(kāi)始工作，檢測LED燈條是否經(jīng)過(guò)磁鐵。若檢測到LED燈條的傳感器電平跳變時(shí)則執行LED燈條子程序。
在LED燈條1檢測到傳感器信號跳變時(shí)單片機還啟動(dòng)內部的計數器，等到LED燈條2傳來(lái)跳變信號時(shí)停止計數器，進(jìn)入顯示校正子程序。系統的主程序流程圖如圖3所示。
3.2燈條顯示子程序
在系統進(jìn)入到LED顯示子程序后，從內存中讀取需要顯示的數據，顯示數據為四組2位16進(jìn)制數，對應燈條上的每一個(gè)LED。程序從LED1到LED32依次與顯示數據進(jìn)行比較，相同的點(diǎn)亮該LED。當1列LED比較完畢后進(jìn)入到循環(huán)程序，循環(huán)次數越多，字的顯示時(shí)間越長(cháng)。通過(guò)控制循環(huán)的次數就能控制在不同的車(chē)速下都能顯示出穩定的圖像來(lái)。
當循環(huán)結束后在從內存中讀取下一列需要顯示的數據，直到顯示結束。
3.3顯示校正子程序
因為自行車(chē)車(chē)速是實(shí)時(shí)變化的，固定方法顯示的畫(huà)面肯定不穩定。于是采用計算兩個(gè)傳感器反饋的電平信號的時(shí)差計算出當前的車(chē)速，修改燈條顯示子程序內的循環(huán)變量的辦法，達到校正的目的。同時(shí)當自行車(chē)車(chē)輪轉速較慢或不轉時(shí)，內部計數器溢出，此時(shí)系統進(jìn)入低功耗模式LED燈關(guān)閉。
4．結束語(yǔ)
本系統能源利用低碳環(huán)保。太陽(yáng)能光電池的安裝使本系統清潔，高效，無(wú)污染，完全符合全球倡導的低碳理念。同時(shí)文字顯示穩定可靠。整個(gè)系統充分利用了LED壽命長(cháng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗的特點(diǎn)最大程度地簡(jiǎn)化了硬件電路，使系統具有較高的性?xún)r(jià)比和可靠性。
參考文獻：
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