基於MSP430單片機的太陽能LED自行車顯示系統設計論文

摘 要：本文介紹了太陽能LED自行車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燈條實現文字，圖片的穩定顯示，並且配合傳感器可以進行車速檢測，穩定顯示等作用。整個系統充分利用了LED壽命長、光效高、無輻射與低功耗的特點，最大程度地簡化了硬件電路，使系統具有較高的性價比和可靠性。

關鍵詞：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，基於太陽能LED的自行車顯示系統穩定可靠、方便快捷，以自行車作爲傳媒載體，打破了目前市場上的廣告大多透過平面報刊、電視電臺、手機網絡等進行宣傳的傳統方法，較之更有廣泛的羣衆基礎和性價比。 本作品充分考慮了LED在我國的良好市場前景，以及自行車的廣大羣衆基礎，將兩者完美的結合在一起，相得益彰。

1.自行車LED顯示系統簡介

本文介紹的自行車車輪LED顯示系統是透過安裝在自行車輪輻上的LED旋轉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個獨立的高亮LED以及燈條外側有一霍爾傳感器，燈條上的LED採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透過TP4056充電芯片爲鋰離子電池充電，晚上時整個系統開始工作，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顯示系統結構框圖如圖2所示，由太陽能電池、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。該系統具有充電過程自動調節、根據環境光強自動啓動顯示電路，顯示畫面隨車輪轉速自動調節等功能。

2．系統硬件設計

2.1 系統電源設計

在系統的整體設計時,估算本系統的總功耗爲0.264W(系統電壓3.3V電流0.08A)。市面上一塊50X50mm的太陽能電池,一般輸出功率爲0.35W(5V/0.07A),因爲白天充電時間大於晚上使用時間，所以滿足系統要求。充電電路白天爲系統鋰電池充電，同時提供太陽能電池電壓信號給單片機，單片機透過辨別外界光強從而確定是否啓動LED燈條。

2.2 系統主控芯片

主控芯片選用MSP430F149單片機，採用精簡指令集（RISC）結構，數據存儲器都可以參加多種運算，功能強，執行速度快，在3V工作電壓主頻爲1MHz下最大功耗爲430uA，在低功耗模式下最小功耗可以降爲0.1uA，功耗極低。同時MSP430有6組I/O口滿足系統需要。

2.3 LED燈條設計

本系統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，透過本身的移動來顯示文字，依靠車輪轉動帶動燈條移動，實現文字或圖案的顯示。

在LED燈條數的選取上，以人眼的視覺暫留時間爲0.1秒計自行車一般行駛的速度爲20km/h，爲獲得良好的'顯示效果則需要LED顯示的重新載入率爲0.1s也就是10次每秒,自行車輪每轉一圈前進2m，自行車速v=20km/h=5.56m/s。若自行車輪周長l=2m，重新載入率爲 10次/秒，車速爲20km/h則自行車輪安裝LED燈條條數n=10*l/v，經過計算得出n爲4時成本最低，效果較好。

LED燈條採用4X4矩陣佈局，在每個節點上安裝兩個極性相反的LED，即在一個節點的兩端控制電流的方向就能控制在該節點是哪個LED點亮。用該種LED陣列可以讓32個獨立的LED用8根導線控制,大大減少了成本已經系統端口的佔用。

2.4 傳感器設計

爲了使每一次顯示的畫面都能穩定,且顯示的位置相對自行車固定則需要在系統上加裝傳感器,因爲自行車輪相對自行車是旋轉的,所以採用非接觸式傳感器--霍爾傳感器,在自行車車架上安裝磁鐵,當霍爾傳感器接近磁鐵時則會有一次電平跳變,單片機檢測這一電平跳變進行數據顯示輸出,以及進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。系統供電後進入到低功耗模式，充電電路與單片機連接，外界無陽光時停止充電，此時低電平觸發單片機中斷，退出低功耗模式，系統開始工作，檢測LED燈條是否經過磁鐵。若檢測到LED燈條的傳感器電平跳變時則執行LED燈條子程序。

在LED燈條1檢測到傳感器信號跳變時單片機還啓動內部的計數器，等到LED燈條2傳來跳變信號時停止計數器，進入顯示校正子程序。系統的主程序流程圖如圖3所示。

3.2燈條顯示子程序

在系統進入到LED顯示子程序後，從內存中讀取需要顯示的數據，顯示數據爲四組2位16進制數，對應燈條上的每一個LED。程序從LED1到LED32依次與顯示數據進行比較，相同的點亮該LED。當1列LED比較完畢後進入到循環程序，循環次數越多，字的顯示時間越長。透過控制循環的次數就能控制在不同的車速下都能顯示出穩定的圖像來。

當循環結束後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

因爲自行車車速是實時變化的，固定方法顯示的畫面肯定不穩定。於是採用計算兩個傳感器反饋的電平信號的時差計算出當前的車速，修改燈條顯示子程序內的循環變量的辦法，達到校正的目的。同時當自行車車輪轉速較慢或不轉時，內部計數器溢出，此時系統進入低功耗模式LED燈關閉。

4．結束語

本系統能源利用低碳環保。太陽能光電池的安裝使本系統清潔，高效，無污染，完全符合全球倡導的低碳理念。同時文字顯示穩定可靠。整個系統充分利用了LED壽命長、光效高、無輻射與低功耗的特點最大程度地簡化了硬件電路，使系統具有較高的性價比和可靠性。

參考文獻：

[1] 徐開芸，汪木蘭，邵宇峯，鄧 樂等. 可摺疊便攜式微型太陽能光伏電站控制系統設計[J].1002-6673(2008) TP273.5，TK514

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