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

    LED顯示屏已經被廣泛用于水陸交通、市政、商業、金融、居民小區等信息顯示場合，但是其供電電源仍然主要使用傳統的開關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電力鋪設、電源系統的監控與調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LED屏負載進行靈活拓展、具有免維護的遠程監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，應用于LED燈具及照明系統中；GPRS無線通信技術也已被用于電表遠程計量、機電設備的遠程狀態監控與診斷等場合。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，電源輸出結構也采用模塊化擴展，并且集成GPRS無線通信技術而進行電源參數的遠程監控及配置，這種電源還未出現。
1 系統工作原理
    本系統是為了解決現有技術存在的問題而提出的，目的在于提供一種適用于偏遠常規供電不便、需長期工作的大型LED顯示屏的模塊化混合直流電源系統。如圖1所示，由多種電源輸入模塊產生的電流經調制模塊轉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通過GPRS遠程監控模塊進行實時采集，并傳送至遠程監控管理中心[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，這三者以并聯形式輸出直流電能連接到調制模塊。太陽能光伏板可由多個單塊太陽能光伏板以串聯或并聯及其組合方式連接，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或并聯及其組合方式連接，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，并將其轉換為合適的直流電壓并提供足夠的電流。
    調制模塊的功能是實現輸入太陽能光伏、蓄電池、AC-DC之間不同電壓的協同調制和隔離變換。調制模塊中，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，開關器件K1、K2實現了三種電源的隔離和切換，其輸出經調制轉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，經過調理電路進行濾波和電壓變換后，送入模數變換器轉換成相應的數字信號后再送入微控制器，微控制器內由匯編或C語言實現了專家控制算法，經過該算法運算、處理之后執行控制指令，生成的控制信號經驅動放大電路后驅動開關器件工作，同時微控制器還根據狀態指令發送狀態指示，指示當前智能切換控制模塊所處的切換狀態。
    切換控制原則為：優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絡，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，可設置溫度超限報警值；A/D變換器采用微控制器內模擬比較器Comparator_A和功能強大的定時器Time_A，構成斜率(Slope)A/D轉換，實現從模擬到數字的轉換；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
    自動無擾切換技術完全是基于專家控制的算法，該算法首先根據大量日常觀測數據以及精確實驗數據歸納總結所得的經驗資料構建專家控制數據庫，無論三路電源處于何種狀態，專家控制數據庫中都有對應的解決方案；然后通過采集分析3個連續變化的參變量的狀態來構造自動控制函數，該函數能準確調用該狀態下數據庫中對應的解決方案，確保自動無擾切換穩定順利地施行。
    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真值表。對于開關器件K1（常開型），“1”表示開關動作閉合，“0”表示開關不動作打開；對于開關器件K2(常閉型)，“1”表示開關動作打開，“0”表示開關不動作閉合。

    在本發明的實施例中，利用了類C語言實現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：開關量K1，開關量K2。
    (2)建立專家控制算法的規則庫
    切換控制規則庫(  )
    {
    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，系統處在完全失電狀態，此時蓄電池已經通過K1、K2而自動切離保護，系統等待上電重啟
    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)構建切換控制函數：
    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)利用定時中斷來調用切換控制函數：
    # pragma  code  InterruptVectorHigh = 0x08
//高優先級中斷向量
    Void  InterruptVectorHigh (void)
    {  _asm
       goto Switch_function        //跳到中斷程序
       _endasm   }
    #pragma  code                //中斷服務程序
    #pragma  interrupt  Switch_function
    Void  Switch_function ( )
    {    TMR0=0X13;            //對TMR0寫入調整值
    INTCONbits.T0IF=0;        //清除中斷標志
    sreg=sreg+1;                //中斷計數器加1
    if(sreg = = 40)//中斷次數為40后才進行切換操作
    {    sreg=0;
        Get_AD(&VS, &VB, &IB);   //調用AD函數，
獲得當前VS, VB, IB輸入值
        Expert_Switch_function(VS, VB, IB);
//調用切換控制函數
    }
}
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，將所述的直流電轉化成適合LED屏的標準電壓并向其供電。
    圖2顯示了可擴展輸出模塊陣列的內部結構圖?？蓴U展輸出模塊，經過并聯而成陣列，具體并聯多少模塊可以根據LED顯示模塊的規模(負載規模)自適應配置。可擴展輸出模塊是由內部的DC-DC變換電路和帶有輸出電壓反饋的PWM調節電路構成，當CD-DC變換電路的輸入電壓不穩定，出現波動時，電壓反饋PWM調節電路利用輸出電壓作為反饋信號，調整PWM波的占空比，使得輸出電壓始終穩定在標準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化成適合LED顯示模塊的標準電壓并向其供電。

4.2 硬件設計
    可擴展輸出模塊是由集成開關元件LM2576為核心，以電容器、電感器、續流二極管構成的BUCK電路。輸入電壓為7 V~40 V，輸出電壓為標準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LED屏模塊自適應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×每像素發光管數×單個發光管電流大小/掃描數）
    單個發光管電流大小通常在0.005 A～0.02 A，通?？梢匀≈?.01 A。掃描數一般是室內16掃，半戶外8掃或16掃，室外一般是4掃、2掃、或靜態（1掃）。
    例如一個5.0雙基色的室內單元板滿負荷(全亮)的時候大概電流總數是：
    （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成，每個子模塊（3 A）為標準5.0雙基色單元板匹配設計，可根據屏的規模而自由拼接。
    (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
    每平方米需要子模塊的個數為107 W/(3 A×5 V)=7塊
5 GPRS遠程監控模塊
    GPRS無線監控模對所述各模塊參數（電壓、電流、溫度、濕度等）進行實時采集并通過GPRS無線網絡與控制中心連接實現遠程監控與維護。每套電源系統都配備所述GPRS遠程監控模塊，每套電源設備均可通過所述模塊直接連接到GPRS網絡，構成星型拓撲網絡，再連接到公網并與之通信。
    如圖3所示，GPRS無線通信網絡系統由直流電源系統終端、GPRS模塊、通信網絡與模塊控制中心四部分構成。

    終端直流電源完成電壓、電流、溫度、濕度等數據的計量和采集；以RS232方式發送DCE數據給GPRS傳輸模塊，GPRS傳輸模塊將DCE數據經過打包加密轉換為TCP/IP數據后通過無線接入網絡發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絡技術的GPRS傳輸設備，以APN方式接入GPRS網絡。從GPRS傳輸模塊到ARS整個系統組成專用虛擬網絡。
    GPRS模塊與通信網絡是直流電源終端與控制中心通信的橋梁；GPRS網絡通過SGSN與各個BSS基站進行幀中斷連接，SGSN與GGSN設備之間通過基于TCP/IP的GPRS隧道協議GTP(GPRS Tunneling Protocol)協議連接。GGSN通過通用路由封裝GRE(Generic Routing Encapsulation)協議與移動中心路由器連接。GGSN可以由具有網絡地址翻譯NAT(Network Address Translation)功能的路由器承擔內部IP地址與外部網絡IP地址的轉換，移動臺MS(Mobile Station)可以訪問GPRS內部的網絡，也可以通過外部網絡接入點名稱APN(Access Point Name)訪問外部的分組數據網絡PDN(Packet Data Network)/Internet網絡。完成與Internet網絡的數據交換，最后由主站的計算機接收Internet上的數據并進行數據匯總、實時調度、溫度補償、設備損耗分析等相關處理，另外也可通過系統對終端設備進行控制、遠程升級與維護功能。
    GPRS遠程監控模塊采用西門子公司的MC55，它是當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務功能，內置AT指令集、TCP/IP協議。MC55有5 KB的Buffer用于GPRS數據傳輸，最大數據包長度可達1.5 KB，完全滿足一般數據采集的需要。當開通GPRS網絡功能的SIM卡插入后，CCIN引腳置為高電平，系統才可進入正常工作狀態。在單片機的控制下，利用現有的GSM網絡進行信號的處理和傳輸，從而實現遠程無線監護的目的。
    本系統所述適用于大型LED屏的混合直流電源系統，可以根據LED顯示屏模塊的數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進行遠程監控與配置，并且實現了太陽能光伏、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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