摘  要： 設(shè)計了一種直流電源系統(tǒng)，可以根據(jù)LED顯示屏模塊的數(shù)量進行電源輸出模塊的自適應(yīng)配置，能夠通過GPRS無線通信模塊對電源參數(shù)進行遠程監(jiān)控與配置，并且通過專家控制算法實現(xiàn)了太陽能光伏、蓄電池、AC-DC的自動切換。
關(guān)鍵詞： 太陽能光伏；自動切換；專家控制算法；自適應(yīng)配置；GPRS無線通信

    LED顯示屏已經(jīng)被廣泛用于水陸交通、市政、商業(yè)、金融、居民小區(qū)等信息顯示場合，但是其供電電源仍然主要使用傳統(tǒng)的開關(guān)電源甚至效率低下的線性電源。LED顯示屏不間斷工作，累計耗電量非常巨大；且其安裝位置的常規(guī)電力鋪設(shè)、電源系統(tǒng)的監(jiān)控與調(diào)試通常也十分不方便。因此，針對LED顯示屏（尤其是戶外大型LED顯示屏）提供多種電能來源、能根據(jù)LED屏負載進行靈活拓展、具有免維護的遠程監(jiān)控及配置功能的高可靠性混合直流電源，將是LED顯示屏專用直流電源必需解決的問題。
    目前，已有將太陽能和蓄電池作為直流電源，應(yīng)用于LED燈具及照明系統(tǒng)中；GPRS無線通信技術(shù)也已被用于電表遠程計量、機電設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)控與診斷等場合。但是，綜合太陽能光伏、蓄電池、AC-DC自動切換以直流供電，同時針對LED顯示屏中負載的模塊化增減等特點，電源輸出結(jié)構(gòu)也采用模塊化擴展，并且集成GPRS無線通信技術(shù)而進行電源參數(shù)的遠程監(jiān)控及配置，這種電源還未出現(xiàn)。
1 系統(tǒng)工作原理
    本系統(tǒng)是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出的，目的在于提供一種適用于偏遠常規(guī)供電不便、需長期工作的大型LED顯示屏的模塊化混合直流電源系統(tǒng)。如圖1所示，由多種電源輸入模塊產(chǎn)生的電流經(jīng)調(diào)制模塊轉(zhuǎn)化為相同的直流電壓等級，然后進入自動切換控制模塊，最后由與LED顯示屏模塊數(shù)目相對等的可擴展輸出模塊陣列輸出LED顯示屏所需的總直流電流；上述各個模塊的參數(shù)通過GPRS遠程監(jiān)控模塊進行實時采集，并傳送至遠程監(jiān)控管理中心[1-3]。

2 多種電源輸入模塊
    多種電源輸入模塊包括太陽能光伏板、蓄電池和AC-DC電源，這三者以并聯(lián)形式輸出直流電能連接到調(diào)制模塊。太陽能光伏板可由多個單塊太陽能光伏板以串聯(lián)或并聯(lián)及其組合方式連接，以達到合適的電壓等級并提供足夠的電流；蓄電池可由多個單獨蓄電池以串聯(lián)或并聯(lián)及其組合方式連接，以達到合適的電壓等級并提供足夠的電流；AC-DC電源由工頻交流電供電，并將其轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓并提供足夠的電流。
    調(diào)制模塊的功能是實現(xiàn)輸入太陽能光伏、蓄電池、AC-DC之間不同電壓的協(xié)同調(diào)制和隔離變換。調(diào)制模塊中，太陽能光伏板與AC-DC電源通過充放電管理電路與蓄電池連接；該充放電管理電路采用負脈沖去極化、可擊穿結(jié)晶硫化物、消除過充電，有效保證了蓄電池壽命。二極管D1、D2防止電流反充，開關(guān)器件K1、K2實現(xiàn)了三種電源的隔離和切換，其輸出經(jīng)調(diào)制轉(zhuǎn)化為相同的直流電壓等級，再通過電容C1、C2以及電感L組成的Π形電路濾波后得到平滑脈動很小的直流電流，并輸出到智能切換控制模塊。
3 自動切換控制模塊
3.1 切換規(guī)則
    由傳感器采集多種電源輸入模塊中的電壓、電流、溫度等模擬信號，經(jīng)過調(diào)理電路進行濾波和電壓變換后，送入模數(shù)變換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號后再送入微控制器，微控制器內(nèi)由匯編或C語言實現(xiàn)了專家控制算法，經(jīng)過該算法運算、處理之后執(zhí)行控制指令，生成的控制信號經(jīng)驅(qū)動放大電路后驅(qū)動開關(guān)器件工作，同時微控制器還根據(jù)狀態(tài)指令發(fā)送狀態(tài)指示，指示當(dāng)前智能切換控制模塊所處的切換狀態(tài)。
    切換控制原則為：優(yōu)先投切太陽能光伏電能，同時將多余電能儲存在蓄電池中；夜晚或偶爾陰雨天導(dǎo)致太陽能電池電能不足時，投切使用蓄電池電能；只有在連續(xù)陰雨天時，太陽能和蓄電池均無法使用的情況下，才切換至由市電供能的AC-DC電源。
3.2 硬件實施
    電壓傳感器采用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，電流傳感器采用康銅絲和集成運放LM358N，溫度傳感器采用DS18B20，該芯片具有獨特的單總線接口方式，溫度測量范圍是-55 ℃～+125 ℃，測量精度為0.5，可設(shè)置溫度超限報警值；A/D變換器采用微控制器內(nèi)模擬比較器Comparator_A和功能強大的定時器Time_A，構(gòu)成斜率(Slope)A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換；自動切換控制模塊以MSP430單片機為核心，是一種具有超低功耗特性功能強大的16位單片機。
3.3 專家控制算法
    自動無擾切換技術(shù)完全是基于專家控制的算法，該算法首先根據(jù)大量日常觀測數(shù)據(jù)以及精確實驗數(shù)據(jù)歸納總結(jié)所得的經(jīng)驗資料構(gòu)建專家控制數(shù)據(jù)庫，無論三路電源處于何種狀態(tài)，專家控制數(shù)據(jù)庫中都有對應(yīng)的解決方案；然后通過采集分析3個連續(xù)變化的參變量的狀態(tài)來構(gòu)造自動控制函數(shù)，該函數(shù)能準(zhǔn)確調(diào)用該狀態(tài)下數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的解決方案，確保自動無擾切換穩(wěn)定順利地施行。
    表1顯示了在不同外部切換條件輸入的情況下專家控制算法的輸出狀態(tài)真值表。對于開關(guān)器件K1（常開型），“1”表示開關(guān)動作閉合，“0”表示開關(guān)不動作打開；對于開關(guān)器件K2(常閉型)，“1”表示開關(guān)動作打開，“0”表示開關(guān)不動作閉合。

    在本發(fā)明的實施例中，利用了類C語言實現(xiàn)所述智能切換專家控制算法如下：
    (1)選取和確定外部切換條件：
    外部切換輸入條件：太陽能光伏板電壓(VS)，蓄電池充電電流（IB），蓄電池電壓（VB）；
    輸出控制量：開關(guān)量K1，開關(guān)量K2。
    (2)建立專家控制算法的規(guī)則庫
    切換控制規(guī)則庫(  )
    {
    ①K1斷開&&K2閉合    //該操作適合于太陽能或蓄電池充足的情況下，由太陽能供電或由蓄電池供電（太陽能供電蓄||電池供電）；或者所有電源均不可用，系統(tǒng)處在完全失電狀態(tài)，此時蓄電池已經(jīng)通過K1、K2而自動切離保護，系統(tǒng)等待上電重啟
    ②K1閉合&&K2斷開    //該操作適合于太陽能無電且蓄電池充放電過流的情況下，由市電供電（太陽能無電&&蓄電池充放電過流）
    ③K1斷開&&K2斷開    //該操作適合于太陽能與蓄電池均充足的情況下，由太陽能直接供電（太陽能直接供電&&蓄電池充滿）；或者太陽能充足且蓄電池充放電過流的情況下，由太陽能直接供電（太陽能直接供電&&蓄電池充放電過流）
    ④K1閉合&&K2閉合    //該操作適合于太陽能與蓄電池均無電的情況下，由市電供電（太陽能無電&&市電給蓄電池充電）
    }
    (3)構(gòu)建切換控制函數(shù)：
    Void    Expert_Switch_function（float  VS，float  VB，float  IB）
    //VS為太陽能光伏板電壓，VB為蓄電池電壓，IB為蓄電池充電電流
    {
    If（VS <12V  &&  VB <9V  &&  IB <500mA）
    { K1=1；K2=0；}；
    If（VS <12V  &&  VB <9V  &&  IB >500mA）
    { K1=1；K2=1；}；
    If（VS <12V  &&  VB >9V  &&  IB <500mA）
    { K1=0；K2=0；}；
    If（VS <12V  &&  VB >9V  &&  IB >500mA）
    { K1=1；K2=1；}；
    If（VS >12V  &&  VB <9V  &&  IB <500mA）
    { K1=0；K2=0；}；
    If（VS >12V  &&  VB <9V  &&  IB >500mA）
    { K1=0；K2=1；}；
    If（VS >12V  &&  VB >9V  &&  IB <500mA）
    { K1=0；K2=1；}；
    If（VS >12V  &&  VB >9V  &&  IB >500mA）
    { K1=0；K2=1；}；
    }
    (4)利用定時中斷來調(diào)用切換控制函數(shù)：
    # pragma  code  InterruptVectorHigh = 0x08
//高優(yōu)先級中斷向量
    Void  InterruptVectorHigh (void)
    {  _asm
       goto Switch_function        //跳到中斷程序
       _endasm   }
    #pragma  code                //中斷服務(wù)程序
    #pragma  interrupt  Switch_function
    Void  Switch_function ( )
    {    TMR0=0X13;            //對TMR0寫入調(diào)整值
    INTCONbits.T0IF=0;        //清除中斷標(biāo)志
    sreg=sreg+1;                //中斷計數(shù)器加1
    if(sreg = = 40)//中斷次數(shù)為40后才進行切換操作
    {    sreg=0;
        Get_AD(&VS, &VB, &IB);   //調(diào)用AD函數(shù)，
獲得當(dāng)前VS, VB, IB輸入值
        Expert_Switch_function(VS, VB, IB);
//調(diào)用切換控制函數(shù)
    }
}
4 可擴展輸出模塊陣列
4.1 可擴展輸出模塊
    可擴展輸出模塊陣列直接與LED屏模塊連接，將所述的直流電轉(zhuǎn)化成適合LED屏的標(biāo)準(zhǔn)電壓并向其供電。
    圖2顯示了可擴展輸出模塊陣列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?？蓴U展輸出模塊，經(jīng)過并聯(lián)而成陣列，具體并聯(lián)多少模塊可以根據(jù)LED顯示模塊的規(guī)模(負載規(guī)模)自適應(yīng)配置?？蓴U展輸出模塊是由內(nèi)部的DC-DC變換電路和帶有輸出電壓反饋的PWM調(diào)節(jié)電路構(gòu)成，當(dāng)CD-DC變換電路的輸入電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)波動時，電壓反饋PWM調(diào)節(jié)電路利用輸出電壓作為反饋信號，調(diào)整PWM波的占空比，使得輸出電壓始終穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)5 V。其輸入端與自動切換控制模塊的輸出端連接，其輸出端將直流電轉(zhuǎn)化成適合LED顯示模塊的標(biāo)準(zhǔn)電壓并向其供電。

4.2 硬件設(shè)計
    可擴展輸出模塊是由集成開關(guān)元件LM2576為核心，以電容器、電感器、續(xù)流二極管構(gòu)成的BUCK電路。輸入電壓為7 V~40 V，輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)5 V；單塊模塊大輸出電流為3 A，平均工作效率可以達到70%~90%。
4.3 配置計算方法
    根據(jù)LED屏模塊自適應(yīng)配置可擴展輸出模塊陣列的方法：
    (1)首先計算一個單元板的電流
    單元板電流=（單元板總像素數(shù)×每像素發(fā)光管數(shù)×單個發(fā)光管電流大小/掃描數(shù)）
    單個發(fā)光管電流大小通常在0.005 A～0.02 A，通?？梢匀≈?.01 A。掃描數(shù)一般是室內(nèi)16掃，半戶外8掃或16掃，室外一般是4掃、2掃、或靜態(tài)（1掃）。
    例如一個5.0雙基色的室內(nèi)單元板滿負荷(全亮)的時候大概電流總數(shù)是：
    （32×64）×2×0.01/16=2.56 A
    可擴展輸出的模塊陣列完全由單個子模塊構(gòu)成，每個子模塊（3 A）為標(biāo)準(zhǔn)5.0雙基色單元板匹配設(shè)計，可根據(jù)屏的規(guī)模而自由拼接。
    (2)計算所需面積的功率
    例如：1 m2功耗是：2.56 A×5 V/(0.488(長)×0.244(高))=107 W/m2
    (3)計算子模塊數(shù)
    每平方米需要子模塊的個數(shù)為107 W/(3 A×5 V)=7塊
5 GPRS遠程監(jiān)控模塊
    GPRS無線監(jiān)控模對所述各模塊參數(shù)（電壓、電流、溫度、濕度等）進行實時采集并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心連接實現(xiàn)遠程監(jiān)控與維護。每套電源系統(tǒng)都配備所述GPRS遠程監(jiān)控模塊，每套電源設(shè)備均可通過所述模塊直接連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成星型拓撲網(wǎng)絡(luò)，再連接到公網(wǎng)并與之通信。
    如圖3所示，GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由直流電源系統(tǒng)終端、GPRS模塊、通信網(wǎng)絡(luò)與模塊控制中心四部分構(gòu)成。

    終端直流電源完成電壓、電流、溫度、濕度等數(shù)據(jù)的計量和采集；以RS232方式發(fā)送DCE數(shù)據(jù)給GPRS傳輸模塊，GPRS傳輸模塊將DCE數(shù)據(jù)經(jīng)過打包加密轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)后通過無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給最近的移動基站BSS(Basic Station System)。GPRS傳輸模塊是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的GPRS傳輸設(shè)備，以APN方式接入GPRS網(wǎng)絡(luò)。從GPRS傳輸模塊到ARS整個系統(tǒng)組成專用虛擬網(wǎng)絡(luò)。
    GPRS模塊與通信網(wǎng)絡(luò)是直流電源終端與控制中心通信的橋梁；GPRS網(wǎng)絡(luò)通過SGSN與各個BSS基站進行幀中斷連接，SGSN與GGSN設(shè)備之間通過基于TCP/IP的GPRS隧道協(xié)議GTP(GPRS Tunneling Protocol)協(xié)議連接。GGSN通過通用路由封裝GRE(Generic Routing Encapsulation)協(xié)議與移動中心路由器連接。GGSN可以由具有網(wǎng)絡(luò)地址翻譯NAT(Network Address Translation)功能的路由器承擔(dān)內(nèi)部IP地址與外部網(wǎng)絡(luò)IP地址的轉(zhuǎn)換，移動臺MS(Mobile Station)可以訪問GPRS內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，也可以通過外部網(wǎng)絡(luò)接入點名稱APN(Access Point Name)訪問外部的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)PDN(Packet Data Network)/Internet網(wǎng)絡(luò)。完成與Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，最后由主站的計算機接收Internet上的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)匯總、實時調(diào)度、溫度補償、設(shè)備損耗分析等相關(guān)處理，另外也可通過系統(tǒng)對終端設(shè)備進行控制、遠程升級與維護功能。
    GPRS遠程監(jiān)控模塊采用西門子公司的MC55，它是當(dāng)今市場上尺寸最小的三頻模塊。該模塊體積小、功耗低（峰值電流450 mA）、控制簡單，它除了具有GSM模塊原有的功能外還支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)置AT指令集、TCP/IP協(xié)議。MC55有5 KB的Buffer用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸，最大數(shù)據(jù)包長度可達1.5 KB，完全滿足一般數(shù)據(jù)采集的需要。當(dāng)開通GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的SIM卡插入后，CCIN引腳置為高電平，系統(tǒng)才可進入正常工作狀態(tài)。在單片機的控制下，利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)進行信號的處理和傳輸，從而實現(xiàn)遠程無線監(jiān)護的目的。
    本系統(tǒng)所述適用于大型LED屏的混合直流電源系統(tǒng)，可以根據(jù)LED顯示屏模塊的數(shù)量進行電源輸出模塊的增減，能夠通過GPRS無線通信模塊對于電源參數(shù)進行遠程監(jiān)控與配置，并且實現(xiàn)了太陽能光伏、蓄電池、AC-DC自動無擾切換，適用于大型LED顯示屏。
參考文獻
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