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基于MSP430单片机的太阳能LED自行车显示系统设计论文
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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