张 波，汪义旺，齐美星，宋 佳

（苏州市职业大学 智慧能源装备与电能变换协同创新中心，江苏 苏州 215104）

LED 点阵屏作为一种新型的文字信息和图形显示的载体，在现代信息化社会中应用越来越广[1-2]。彩色LED 点阵屏相比单色LED 点阵屏来说色彩丰富很多，更加能吸引人眼球。太阳能是随处可用的清洁无污染的可再生能源，对人类应对环境污染、能源危机和不可持续发展三大难题意义重大[3]。光伏供电的彩色LED 点阵屏系统不额外消耗电能，不受供电线路限制，极大地扩大了LED 点阵屏的应用范围，对节能环保有很好的示范推动效果，是新能源技术和现代显示技术的完美结合。

1 光伏供电部分

1.1 光伏电池最大功率点跟踪

光伏发电是太阳能利用最重要的形式。光伏发电中利用太阳能电池把太阳的光能转换为直流电能后,供负载使用，用储能设备储能或实现并网发电。为使光伏电池输出的电能类型与需求的电能类型相匹配，通常要采用电力电子技术对光伏电池输出的电能进行变换[4]。

光伏发电系统中光伏电池的成本较高，系统必须让光伏电池在任意光照强度下都发挥出其最大效能才能降低系统成本[5]。图1 为温度25 ℃时不同太阳光强度下光伏电池的输出电压功率V-P 特性。可以看出，同一光照强度下，光伏电池有且只有一个最大功率点。光伏电池既不是恒压源也不是恒流源，负载变化和光照强度等环境变化都会引起光伏电池输出电压的变化，不采取恰当的控制方式，则光伏电池往往不工作在最大功率点上。实现光伏电池工作在最大功率点上的方法就是在光伏电池和负载之间插入一个DC/DC 变换器，根据光伏电池特性，利用相应的控制技术来实现。DC/DC 变换器和实际负载一起作为光伏电池的负载，控制DC/DC 变换器使光伏电池的总负载在不同环境下始终与光伏电池的内部阻抗匹配，使光伏电池始终工作在最大功率点上[6]。DC/DC 变换器效率很高，自身功耗很小，实际负载上可获得最大功率。这就是所谓的光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）。

图1 25 ℃不同光照下光伏电池V-P 特性

从图1 中可以看出，不同光照下光伏电池输出功率最大时其输出电压基本相等，记为UMPP。因此只要控制DC/DC 变换器使光伏电池输出电压也即DC/DC变换器输入电压始终为UMPP，就能在不同光照条件下实现光伏电池的MPPT，这就是恒压控制法。恒压控制法可靠性高，稳定度好，易于实现，在功率不大的光伏发电系统中经常使用。基于光伏电池的特性，实现光伏电池MPPT 的方法还有：扰动观察法、电导增量法、功率回授法、最优梯度法、间歇扫描跟踪法、模糊逻辑法和神经网络预测法等[7]。

1.2 光伏供电部分设计

DC/DC 变换器有很多拓扑结构，理论上来说都能用来实现MPPT[8]。相比其他DC/DC 变换电路，Boost电路有以下优点：（1）输入电流连续，如果电感足够大就可以使直流输入电源的电流波动小，这对实现光伏电池的MPPT 非常有利；（2）功率开关管接地，易于驱动。而且Boost 电路本身结构简单，因此很多场合下实现MPPT 都选用Boost 电路。图2 为实现MPPT的Boost 电路，主电路由功率开关管S、二极管D、高频电感L 和电容C 构成。对光伏电池的输出采样并作为控制对象，即控制对象是Boost 电路的输入，采用恰当的控制算法实现对光伏电池的最大功率点跟踪。本系统功率不是很大，适宜采用恒压法控制[9]，使光伏电池输出大压稳定在UMPP。Boost 电路的输出电压在一小段时间内基本被蓄电池钳位于某一值，改变Boost 电路占空比，就改变了其输入电压，从而实现光伏电池的MPPT。

图2 实现MPPT 的Boost 电路

光伏供电部分结构图如图3 所示。微控制单元（MCU）是控制的核心，选用TI 公司的MSP430G2553混合信号处理器。MCU 根据采样光伏电池电压改变输出的PWM 信号的占空比，使光伏电池输出电压稳定在UMPP。MOS 管具有开关频率高、易于驱动等优点，中小功率下开关管首选MOS 管，因此本方案开关管选用MOS 管。驱动电路选用专用驱动芯片IR2110。IR2110 兼有光耦隔离和电磁隔离的优点。

图3 光伏供电部分结构图

光伏发电系统中蓄电池的使用寿命比较短，要采用恰当的充电方式以延长其寿命。本文采用三段式充电。需要大电流充电时，对光伏电池进行MPPT 控制，以最大功率对蓄电池进行充电；若检测到充电电流过大，则不再进行MPPT 控制，转为恒压充电，以限制充电电流；采用涓流充电或恒压充电时，不再对光伏电池进行MPPT 控制，控制以蓄电池充电控制为主。涓流充电结束后，MCU 使功率开关管S 断开，防止过充。S 断开，光电池输出电压低于蓄电池电压，充电电流为零。

2 彩色LED 点阵屏

当今信息化社会中，LED 点阵屏在商业中心、银行、展览场馆、娱乐场所、公交车、码头、车站、商铺等很多场所应用越来越广[10]。LED 点阵屏每行和列都有很多发光点，比如32×64 点阵屏的每列和每行分别有32 和64 个发光点。点亮相应的发光点就可以显示对应的文字符号、图形。彩色LED 点阵屏每个发光点由红、绿、蓝三个不同发光颜色的LED 构成，共阳极或共阴极[11]。三基色可组合成各种不同的颜色。以共阳极为例，每行所有LED 的阳极连在一起，每列同种颜色的所有LED 的阴极连在一起，每列有三个控制信号。以行扫描为例，要显示某一颜色的图形符号，首先要确定显示该图形符号需亮起的所有的发光点的位置和每个发光点颜色。行选择信号选中某一行时，其余各行都不能点亮，同时送出列信号。选中的行有需要亮起的发光点，就使该发光点的列信号有效，使其可以点亮。发光点的三个列信号同时送出，需要什么颜色就点亮相应的LED。每次点亮一行里需要亮起的 LED，一行显示完成后点亮下一行需要亮起的LED，循环进行[12]。每行点亮时间很短，由于人眼视觉滞后效应，人眼看到的点阵屏各行是同时点亮的，是需要显示的某一颜色的图形符号。滚动显示图形符号时行扫描控制方式一样，列控制信号每隔一相等的时间段（比如1 s）送出的数据往滚动的方向移动一位，每一时间段内列控制信号控制方式和静态时相同，时间段的长短决定了滚动速度的快慢。

两块32×64 彩色LED 点阵屏级联成一块32×128点阵屏。74HC138 是高速CMOS 器件和常用的3 线-8线译码器，4 片74HC138 构成5 线-32 线译码器进行行扫描。74HC595 是一种漏极开路的CMOS 的8 位串行输入、并行输出的移位寄存器[13]。一种颜色的列信号由16 片74HC595 控制，三种颜色共需48 片74HC595。行扫描和列信号都由单片机控制发出。行和列都要加上相应的驱动器件。选中某一行时，单片机控制三种颜色对应的所有的74HC595 同时并行输出所需的列信号来点亮该行，同时串行输出下一行所需的列信号到74HC595 中。设计制作的彩色LED 点阵屏分辨率为64×128。两块32×128 点阵屏拼在一起构成一个64×128 点阵屏。两块32×128 点阵屏由同一单片机STM32F103C8T6 单片机统一控制，可作为一块64×128 点阵屏使用，也可各自单独使用。整体使用时，单片机的10 个I/O 引脚控制8 片74HC138 统一进行行扫描。设计的64×128 彩色LED 点阵屏系统结构如图4 所示。

图4 彩色LED 点阵屏部分结构图

3 光伏供电的彩色LED 点阵屏

光伏电池是直流输出，LED 点阵屏是直流供电，两者很容易匹配。光伏电池只有在白天才能发电，而LED 点阵屏往往要在晚上工作，因此光伏电池为LED点阵屏供电时要配上蓄电池。光伏供电的彩色LED 点阵屏系统如图5 所示。

图5 光伏供电的彩色LED 点阵屏

光伏发电部分实现对光伏电池的MPPT 控制和对蓄电池的充电保护，光伏发电部分输出功率大于LED点阵屏所需功率时，对蓄电池充电。蓄电池和彩色LED 点阵屏之间的DC/DC 变换电路可保证对不同类型的LED 点阵屏供电电压都符合要求，同时放电控制部分保护蓄电池不至于过放电。实验设计的点阵屏采用64×128 像素的P4 彩色LED 点阵屏，平均功率为100 W。假定LED 点阵屏每天工作12 h，蓄电池保证连续两个阴雨天正常工作，则蓄电池选型为 12 V/200 A∙h。光伏电池组最大功率点电压为10.2 V，功率180 W，在点阵屏正常使用时，大约4 d 可以充满蓄电池。

4 结语

光伏供电的彩色LED 点阵屏不受电网供电限制，适应性更广，节能环保。彩色LED 点阵屏色彩丰富，更能吸引人的眼球。该系统技术通用性和可移植性强，切合市场需求，市场潜力巨大。