用于大型LED显示屏的混合直流电源

1、 微型机与应用 2010年 第 29卷 第 24期 欢迎网上投稿 LED 显 示 屏 已 经 被 广 泛 用 于 水 陆 交 通 、 市 政 、 商 业 、金 融 、 居 民 小 区 等 信 息 显 示 场 合 , 但 是 其 供 电 电 源 仍 然 主 要 使 用 传 统 的 开 关 电 源 甚 至 效 率 低 下 的 线 性 电 源 。LED 显 示 屏 不 间 断 工 作 , 累 计 耗 电 量 非 常 巨 大 ; 且 其 安装 位 置 的 常 规 电 力 铺 设 、 电 源 系 统 的 监 控 与 调 试 通 常 也 十 分 不 方 便 。 因 此 , 针 对 LED 显 示 屏 (尤

2、 其 是 户 外 大 型LED 显 示 屏 提 供 多 种 电 能 来 源 、 能 根 据 LED 屏 负 载 进行 灵 活 拓 展 、 具 有 免 维 护 的 远 程 监 控 及 配 置 功 能 的 高 可 靠 性 混 合 直 流 电 源 , 将 是 LED 显 示 屏 专 用 直 流 电 源 必 需 解 决 的 问 题 。目 前 , 已 有 将 太 阳 能 和 蓄 电 池 作 为 直 流 电 源 , 应 用 于 LED 灯 具 及 照 明 系 统 中 ; GPRS 无 线 通 信 技 术 也 已 被 用 于 电 表 远 程 计 量 、 机 电 设 备 的 远 程 状 态 监 控 与 诊 断

3、 等 场 合 。 但 是 , 综 合 太 阳 能 光 伏 、 蓄 电 池 、 AC-DC 自 动 切 换 以 直 流 供 电 , 同 时 针 对 LED 显 示 屏 中 负 载 的 模 块 化 增 减 等 特 点 , 电 源 输 出 结 构 也 采 用 模 块 化 扩 展 , 并 且 集 成GPRS 无 线 通 信 技 术 而 进 行 电 源 参 数 的 远 程 监 控 及 配置 , 这 种 电 源 还 未 出 现 。1系 统 工 作 原 理本 系 统 是 为 了 解 决 现 有 技 术 存 在 的 问 题 而 提 出 的 , 目 的 在 于 提 供 一 种 适 用 于 偏 远 常 规 供 电

4、 不 便 、 需 长 期 工 作 的 大 型 LED 显 示 屏 的 模 块 化 混 合 直 流 电 源 系 统 。 如 图 1所 示 , 由 多 种 电 源 输 入 模 块 产 生 的 电 流 经 调 制 模 块 转 化 为 相 同 的 直 流 电 压 等 级 , 然 后 进 入 自 动 切 换 控 制 模*基 金 项 目 :湖 南 省 教 育 厅 科 研 资 助 项 目 (08B050 ; 长 沙 市 科 技 计 划 资 助 项 目 (K0902187-11 ;湖 南 师 范 大 学 青 年 优 秀 人 才 培 养 计 划 项 目 。用于大型 LED 显示屏的混合直流电源 *徐 孟 龙 ,

5、 李 仲 阳 , 彭 可 , 刘 其 洪(湖 南 师 范 大 学 工 学 院 , 湖 南 长 沙 410081摘 要 :设 计 了 一 种 直 流 电 源 系 统 , 可 以 根 据 LED 显 示 屏 模 块 的 数 量 进 行 电 源 输 出 模 块 的 自 适 应 配 置 , 能 够 通 过 GPRS 无 线 通 信 模 块 对 电 源 参 数 进 行 远 程 监 控 与 配 置 , 并 且 通 过 专 家 控 制 算 法 实 现 了 太 阳 能 光 伏 、 蓄 电 池 、 AC-DC 的 自 动 切 换 。关 键 词 :太 阳 能 光 伏 ; 自 动 切 换 ; 专 家 控 制 算 法

6、 ; 自 适 应 配 置 ; GPRS 无 线 通 信中 图 分 类 号 :TP31文 献 标 识 码 :A文 章 编 号 :1674-7720(201024-0089-04A hybrid DC power supply designed for large LED displayXU Meng Long , LI Zhong Yang , PENG Ke , LIU Qi Hong(Collegeof Polytechnic, Hunan Normal University, Changsha 410081, ChinaAbstraction :Design a DC power syst

7、em. Especially a hybrid DC power supply system, which can adaptive configuration ac -cording to the number of LED display modules, can conduct remote monitoring and parameters configuration by using GPRS wireless communication modules, can realize solar photovoltaic, battery, AC-DC auto switch throu

8、gh expert control algorithm.Key words :solar PV ; automatic switching ; expert control algorithm ; adaptive configuration ; GPRS wireless communications应用奇葩Example of Application89块 , 最 后 由 与 LED 显 示 屏 模 块 数 目 相 对 等 的 可 扩 展 输 出 模 块 阵 列 输 出 LED 显 示 屏 所 需 的 总 直 流 电 流 ; 上 述 各 个 模 块 的 参 数 通 过 GPRS 远 程 监

9、 控 模 块 进 行 实 时 采 集 , 并 传 送 至 远 程 监 控 管 理 中 心 1-3。2多 种 电 源 输 入 模 块多 种 电 源 输 入 模 块 包 括 太 阳 能 光 伏 板 、 蓄 电 池 和 AC-DC 电 源 , 这 三 者 以 并 联 形 式 输 出 直 流 电 能 连 接 到 调 制 模 块 。 太 阳 能 光 伏 板 可 由 多 个 单 块 太 阳 能 光 伏 板 以 串 联 或 并 联 及 其 组 合 方 式 连 接 , 以 达 到 合 适 的 电 压 等 级 并 提 供 足 够 的 电 流 ; 蓄 电 池 可 由 多 个 单 独 蓄 电 池 以 串 联 或 并

10、 联 及 其 组 合 方 式 连 接 , 以 达 到 合 适 的 电 压 等 级 并 提 供 足 够 的 电 流 ; AC-DC 电 源 由 工 频 交 流 电 供 电 , 并 将 其 转 换 为 合 适 的 直 流 电 压 并 提 供 足 够 的 电 流 。调 制 模 块 的 功 能 是 实 现 输 入 太 阳 能 光 伏 、 蓄 电 池 、 AC-DC 之 间 不 同 电 压 的 协 同 调 制 和 隔 离 变 换 。 调 制 模 块 中 , 太 阳 能 光 伏 板 与 AC-DC 电 源 通 过 充 放 电 管 理 电 路 与 蓄 电 池 连 接 ; 该 充 放 电 管 理 电 路 采

11、用 负 脉 冲 去 极 化 、 可 击 穿 结 晶 硫 化 物 、 消 除 过 充 电 , 有 效 保 证 了 蓄 电 池 寿 命 。 二 极 管 D1、 D2防 止 电 流 反 充 , 开 关 器 件 K1、 K2实 现 了 三 种 电 源 的 隔 离 和 切 换 , 其 输 出 经 调 制 转 化 为 相 同 的 直 流 电 压 等 级 , 再 通 过 电 容 C 1、 C 2以 及 电 感 L 组 成 的 形 电 路 滤 波 后 得 到 平 滑 脉 动 很 小 的 直 流 电 流 , 并 输 出 到 智 能 切 换 控 制 模 块 。3自 动 切 换 控 制 模 块3.1切 换 规 则由

12、 传 感 器 采 集 多 种 电 源 输 入 模 块 中 的 电 压 、 电 流 、 温 度 等 模 拟 信 号 , 经 过 调 理 电 路 进 行 滤 波 和 电 压 变 换 后 , 送 入 模 数 变 换 器 转 换 成 相 应 的 数 字 信 号 后 再 送 入 微 控 制 器 , 微 控 制 器 内 由 汇 编 或 C 语 言 实 现 了 专 家 控 制 算 法 , 经 过 该 算 法 运 算 、 处 理 之 后 执 行 控 制 指 令 , 生 成 的 控 制 信 号 经 驱 动 放 大 电 路 后 驱 动 开 关 器 件 工 作 , 同 时 微 控 制 器 还 根 据 状 态 指 令

13、 发 送 状 态 指 示 , 指 示 当 前 智 能 切 换 控 制 模 块 所 处 的 切 换 状 态 。切 换 控 制 原 则 为 :优 先 投 切 太 阳 能 光 伏 电 能 , 同 时 将 多 余 电 能 储 存 在 蓄 电 池 中 ; 夜 晚 或 偶 尔 阴 雨 天 导 致 太 阳 能 电 池 电 能 不 足 时 , 投 切 使 用 蓄 电 池 电 能 ; 只 有 在 连 续 阴 雨 天 时 , 太 阳 能 和 蓄 电 池 均 无 法 使 用 的 情 况 下 , 才 切 换 至 由 市 电 供 能 的 AC-DC 电 源 。3.2硬 件 实 施电 压 传 感 器 采 用 分 压 电

14、阻 网 络 , 电 流 传 感 器 采 用 康 铜 丝 和 集 成 运 放 LM358N , 温 度 传 感 器 采 用 DS18B20, 该 芯 片 具 有 独 特 的 单 总 线 接 口 方 式 , 温 度 测 量 范 围 是 -55 +125 , 测 量 精 度 为 0.5, 可 设 置 温 度 超 限 报 警 值 ; A/D变 换 器 采 用 微 控 制 器 内 模 拟 比 较 器 Compara -tor_A和 功 能 强 大 的 定 时 器 Time_A, 构 成 斜 率 (SlopeA/D转 换 , 实 现 从 模 拟 到 数 字 的 转 换 ; 自 动 切 换 控 制 模 块

15、以 MSP430单 片 机 为 核 心 , 是 一 种 具 有 超 低 功 耗 特 性 功 能 强 大 的 16位 单 片 机 。3.3专 家 控 制 算 法自 动 无 扰 切 换 技 术 完 全 是 基 于 专 家 控 制 的 算 法 , 该 算 法 首 先 根 据 大 量 日 常 观 测 数 据 以 及 精 确 实 验 数 据 归 纳 总 结 所 得 的 经 验 资 料 构 建 专 家 控 制 数 据 库 , 无 论 三 路 电 源 处 于 何 种 状 态 , 专 家 控 制 数 据 库 中 都 有 对 应 的 解 决 方 案 ; 然 后 通 过 采 集 分 析 3个 连 续 变 化 的

16、参 变 量 的 状 态 来 构 造 自 动 控 制 函 数 , 该 函 数 能 准 确 调 用 该 状 态 下 数 据 库 中 对 应 的 解 决 方 案 , 确 保 自 动 无 扰 切 换 稳 定 顺 利 地 施 行 。表 1显 示 了 在 不 同 外 部 切 换 条 件 输 入 的 情 况 下 专 家 控 制 算 法 的 输 出 状 态 真 值 表 。 对 于 开 关 器 件 K1(常 开 型 , “ 1” 表 示 开 关 动 作 闭 合 , “ 0” 表 示 开 关 不 动 作 打 开 ; 对 于 开 关 器 件 K2(常 闭 型 , “ 1” 表 示 开 关 动 作 打 开 , “ 0

17、” 表 示 开 关 不 动 作 闭 合 。在 本 发 明 的 实 施 例 中 , 利 用 了 类 C 语 言 实 现 所 述 智 能 切 换 专 家 控 制 算 法 如 下 :(1选 取 和 确 定 外 部 切 换 条 件 :外 部 切 换 输 入 条 件 :太 阳 能 光 伏 板 电 压 (VS, 蓄 电 池 充 电 电 流 (IB , 蓄 电 池 电 压 (VB ;输 出 控 制 量 :开 关 量 K1, 开 关 量 K2。(2建 立 专 家 控 制 算 法 的 规 则 库切 换 控 制 规 则 库 ( K1断 开 &&K2闭 合 /该 操 作 适 合 于 太 阳 能 或

18、蓄 电 池 充 足 的 情 况 下 , 由 太 阳 能 供 电 或 由 蓄 电 池 供 电 (太 阳 能 供 电 蓄 |电 池 供 电 ; 或 者 所 有 电 源 均 不 可 用 , 系 统 处 在 完 全 失 电 状 态 , 此 时 蓄 电 池 已 经 通 过 K1、 K2而 自 动 切 离 保 护 , 系 统 等 待 上 电 重 启 K1闭 合 &&K2断 开 /该 操 作 适 合 于 太 阳 能 无 电 且 蓄 电 池 充 放 电 过 流 的 情 况 下 , 由 市 电 供 电 (太 阳 能 无 电 &&蓄 电 池 充 放 电 过 流 K1断 开 &

19、;&K2断 开 /该 操 作 适 合 于 太 阳 能 与 蓄 电 池 均 充 足 的 情 况 下 , 由 太 阳 能 直 接 供 电 (太 阳 能 直 接 供 电 &&蓄 电 池 充 满 ; 或 者 太 阳 能 充 足 且 蓄 电 池 充 表 1专 家 控 制 算 法 状 态 的 真 值 表太 阳 能 板 电 压 (0-电 压 过 低 , 1-电 压 正 常 蓄 电 池 电 压(0-电 压 过 低 ,1-电 压 正 常 充 电 电 流(0-电 流 正 常 ,1-电 流 过 大 开 关 K1(常 开 型 开 关 K2 (常 闭 型 0 0 0 0 1 1 1 1 0111

20、1111111111110 0 1 1 1 0 1 1应用奇葩 Example of Application90 微型机与应用 2010年 第 29卷 第 24期放 电 过 流 的 情 况 下 , 由 太 阳 能 直 接 供 电 (太 阳 能 直 接 供 电 &&蓄 电 池 充 放 电 过 流 K1闭 合 &&K2闭 合 /该 操 作 适 合 于 太 阳 能 与 蓄 电 池 均 无 电 的 情 况 下 , 由 市 电 供 电 (太 阳 能 无 电 &&市 电 给 蓄 电 池 充 电 (3构 建 切 换 控 制 函 数 :Void Expert_S

21、witch_function(float VS , float VB , float IB /VS为 太 阳 能 光 伏 板 电 压 , VB 为 蓄 电 池 电 压 , IB 为 蓄 电 池 充 电 电 流If (VS <12V&&VB <9V&&IB <500mAK1=1; K2=0; ;If (VS <12V&&VB <9V&&IB >500mAK1=1; K2=1; ;If (VS <12V&&VB >9V&&IB <500mAK1=0;

22、 K2=0; ;If (VS <12V&&VB >9V&&IB >500mAK1=1; K2=1; ;If (VS >12V&&VB <9V&&IB <500mAK1=0; K2=0; ;If (VS >12V&&VB <9V&&IB >500mAK1=0; K2=1; ;If (VS >12V&&VB >9V&&IB <500mAK1=0; K2=1; ;If (VS >12V&&

23、amp;VB >9V&&IB >500mAK1=0; K2=1; ;(4利 用 定 时 中 断 来 调 用 切 换 控 制 函 数 :#pragma code InterruptVectorHigh =0x08/高 优 先 级 中 断 向 量 Void InterruptVectorHigh (void_asmgoto Switch_function/跳 到 中 断 程 序 _endasm#pragmacode /中 断 服 务 程 序 #pragmainterrupt Switch_functionVoid Switch_function(TMR0=0X13;/对

24、 TMR0写 入 调 整 值 INTCONbits.T0IF=0;/清 除 中 断 标 志 sreg=sreg+1;/中 断 计 数 器 加 1 if(sreg=40 /中 断 次 数 为 40后 才 进 行 切 换 操 作 sreg=0;Get_AD(&VS,&VB,&IB;/调 用 AD 函 数 , 获 得 当 前 VS, VB, IB 输 入 值 Expert_Switch_function(VS,VB, IB;/调 用 切 换 控 制 函 数 4可 扩 展 输 出 模 块 阵 列4.1可 扩 展 输 出 模 块可 扩 展 输 出 模 块 阵 列 直 接 与 LE

25、D 屏 模 块 连 接 , 将 所 述 的 直 流 电 转 化 成 适 合 LED 屏 的 标 准 电 压 并 向 其 供 电 。图 2显 示 了 可 扩 展 输 出 模 块 阵 列 的 内 部 结 构 图 。 可 扩 展 输 出 模 块 , 经 过 并 联 而 成 阵 列 , 具 体 并 联 多 少 模 块 可 以 根 据 LED 显 示 模 块 的 规 模 (负 载 规 模 自 适 应 配 置 。 可 扩 展 输 出 模 块 是 由 内 部 的 DC-DC 变 换 电 路 和 带 有 输 出 电 压 反 馈 的 PWM 调 节 电 路 构 成 , 当 CD-DC 变 换 电 路 的 输 入

26、 电 压 不 稳 定 , 出 现 波 动 时 , 电 压 反 馈 PWM 调 节 电 路 利 用 输 出 电 压 作 为 反 馈 信 号 , 调 整 PWM 波 的 占 空 比 , 使 得 输 出 电 压 始 终 稳 定 在 标 准 5V 。 其 输 入 端 与 自 动 切 换 控 制 模 块 的 输 出 端 连 接 , 其 输 出 端 将 直 流 电 转 化 成 适 合 LED 显 示 模 块 的 标 准 电 压 并 向 其 供 电 。4.2硬 件 设 计可 扩 展 输 出 模 块 是 由 集 成 开 关 元 件 LM2576为 核 心 , 以 电 容 器 、 电 感 器 、 续 流 二 极

27、 管 构 成 的 BUCK 电 路 。 输 入 电 压 为 7V 40V , 输 出 电 压 为 标 准 5V ; 单 块 模 块 大 输 出 电 流 为 3A , 平 均 工 作 效 率 可 以 达 到 70%90%。 4.3配 置 计 算 方 法根 据 LED 屏 模 块 自 适 应 配 置 可 扩 展 输 出 模 块 阵 列 的 方 法 :(1首 先 计 算 一 个 单 元 板 的 电 流单 元 板 电 流 =(单 元 板 总 像 素 数 ×每 像 素 发 光 管 数 ×单 个 发 光 管 电 流 大 小 /扫 描 数 单 个 发 光 管 电 流 大 小 通 常 在

28、0.005A 0.02A , 通 常 可 以 取 值 0.01A 。 扫 描 数 一 般 是 室 内 16扫 , 半 户 外 8扫 或 16扫 , 室 外 一 般 是 4扫 、 2扫 、 或 静 态 (1扫 。例 如 一 个 5.0双 基 色 的 室 内 单 元 板 满 负 荷 (全 亮 的 时 候 大 概 电 流 总 数 是 :可 扩 展 输 出 的 模 块 阵 列 完 全 由 单 个 子 模 块 构 成 , 每 个 子 模 块 (3A 为 标 准 5.0双 基 色 单 元 板 匹 配 设 计 , 可 根 据 屏 的 规 模 而 自 由 拼 接 。应用奇葩 Example of Applic

29、ation91 微型机与应用 2010年 第 29卷 第 24期(上 接 第 88页 算 机 工 程 , 2005, 31(23 :191-192.2张 波 . GPS 自 动 报 站 系 统 的 设 计 与 实 现 J .电 子 元 器 件应 用 , 2006(2:57-59.3孙 弋 , 汪 亚 东 , 李 培 煊 . 基 于 GPS 的 嵌 入 式 公 交 自 动 报 站系 统 的 研 究 . 电 子 技 术 应 用 J, 2007, 33(11:34-36.4文 科 , 张 永 生 . 基 于 GPS 技 术 的 公 交 车 控 制 器 J.自 动 化与 仪 表 , 2009(6 :1

30、9-21.(收 稿 日 期 :2010-06-23作 者 简 介 :王 东 , 男 , 1982年 生 , 助 教 , 在 读 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向 :自 动 化 。张 海 辉 , 男 , 1977年 生 , 副 教 授 , 博 士 , 主 要 研 究 方 向 :计 算 机 科 学 、 无 线 传 感 器 网 络 。路 艳 巧 , 女 , 1986年 生 , 在 读 本 科 生 , 主 要 研 究 方 向 :电 子 信 息 工 程 。(2计 算 所 需 面 积 的 功 率例如 :1m 2功耗是 :2.56A ×5V/(0.488(长 ×0.244(高 =1

31、07W/m2(3计 算 子 模 块 数每平方米需要子模块的个数为 107W/(3A ×5V=7块5GPRS 远 程 监 控 模 块GPRS 无 线 监 控 模 对 所 述 各 模 块 参 数 (电 压 、 电 流 、 温 度 、 湿 度 等 进 行 实 时 采 集 并 通 过 GPRS 无 线 网 络 与控 制 中 心 连 接 实 现 远 程 监 控 与 维 护 。 每 套 电 源 系 统 都 配 备 所 述 GPRS 远 程 监 控 模 块 , 每 套 电 源 设 备 均 可 通 过 所 述 模 块 直 接 连 接 到 GPRS 网 络 , 构 成 星 型 拓 扑 网 络 , 再

32、连 接 到 公 网 并 与 之 通 信 。如 图 3所 示 , GPRS 无 线 通 信 网 络 系 统 由 直 流 电 源 系 统 终 端 、 GPRS 模 块 、 通 信 网 络 与 模 块 控 制 中 心 四 部 分 构 成 。终 端 直 流 电 源 完 成 电 压 、 电 流 、 温 度 、 湿 度 等 数 据 的 计 量 和 采 集 ; 以 RS232方 式 发 送 DCE 数 据 给 GPRS 传 输 模 块 , GPRS 传 输 模 块 将 DCE 数 据 经 过 打 包 加 密 转 换 为TCP/IP数 据 后 通 过 无 线 接 入 网 络 发 送 给 最 近 的 移 动 基

33、站 BSS(BasicStation System 。 GPRS 传 输 模 块 是 基 于 移 动 通 信 网 络 技 术 的 GPRS 传 输 设 备 , 以 APN 方 式 接 入GPRS 网 络 。 从 GPRS 传 输 模 块 到 ARS 整 个 系 统 组 成 专用 虚 拟 网 络 。GPRS 模 块 与 通 信 网 络 是 直 流 电 源 终 端 与 控 制 中 心通 信 的 桥 梁 ; GPRS 网 络 通 过 SGSN 与 各 个 BSS 基 站 进 行 帧 中 断 连 接 , SGSN 与 GGSN 设 备 之 间 通 过 基 于 TCP/IP 的 GPRS 隧 道 协 议

34、 GTP (GPRS Tunneling Protocol 协 议 连 接 。 GGSN 通 过 通 用 路 由 封 装 GRE (GenericRouting Encapsulation 协 议 与 移 动 中 心 路 由 器 连 接 。 GGSN 可 以 由具 有 网 络 地 址 翻 译 NAT(NetworkAddress Translation 功 能 的 路 由 器 承 担 内 部 IP 地 址 与 外 部 网 络 IP 地 址 的 转 换 , 移 动 台 MS (MobileStation 可 以 访 问 GPRS 内 部 的 网 络 , 也可以通过外部网络接入 点名称 APN (AccessPoint Name 访问外部的分组数据网络 PDN (PacketData Network/Inter-net 网 络 。 完 成 与 Internet 网 络 的 数 据 交 换 , 最 后 由 主 站 的 计 算 机 接 收 Internet 上 的 数 据 并 进 行 数 据 汇 总 、 实 时调 度 、 温 度 补 偿 、 设 备 损 耗 分 析 等 相 关 处 理 , 另 外 也 可 通 过 系 统 对 终 端 设 备 进 行 控 制 、 远 程 升 级 与 维 护 功