摘要：太阳能作为一种可再生绿色能源，已经得到广泛的应用.LED显示屏是新一代信息传播媒体，其应用也越来越广泛.主要介绍太阳能LED显示屏的系统构成和单元电路设计，可应用于工业、农业、交通、金融及信息广告等各个行业.
关键词：太阳能；LED显示；显示驱动设计
随着社会经济文化的不断发展和信息技术的高速发展，时代的不断进步，LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔.LED显示作为信息传播的一种重要手段，且具有众多优势，在市场中得到了广泛的应用.LED电子显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅猛发展而形成的一种电子广告媒体，已经渗透到工业、农业、交通、金融及信息广告等各个行业，主要用于显示字符、图像等信息[1].
太阳能作为一种新型绿色能源，是世界上最具有发展前途的能源之一，是2l世纪最重要的能源之一.它做为一种高效的无污染的新能源，将可能成为未来主要能源之一.太阳能LED显示屏不仅环保、节约能源，而且可以用于高速公路、码头和风景游览区等没有或不便于铺设公共电网的场所，当然也可以应用于不易使用有线通信方式来对其进行管理或信息更新的区域.与常规LED显示屏相比，太阳能LED显示屏除了由太阳能电池供电外，LED的驱动技术必须革新，以减小电阻、功率管等附加元件的损耗.一旦能解决LED驱动技术的附加损耗，那么太阳能LED广告屏将有广阔的发展空间及市场价值[2].
1 太阳能LED显示屏系统框图及工作原理
太阳能LED显示屏系统框图如图1所示.系统由太阳能光伏供电和LED显示两部分构成.太阳能光伏供电部分是由太阳能电池组件、蓄电池及电源控制电路组成，太阳能电池组件将太阳能转换为电能，然后由电源控制电路经DC/DC变换后将电能存储至蓄电池并为LED显示部分提供电源.LED显示部分由RS232通信、时钟芯片、显示控制电路、显示驱动电路、LED显示屏等组成.其中RS232通信用来更新显示的信息及系统升级；时钟芯片用来提供准确的时间；显示控制电路是显示部分的核心，用来产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示；显示驱动电路包含行驱动和列驱动两部分，LED的显示驱动就是使LED的PN结处于正偏状态，而且为了控制LED的发光强度，还要解决正向电流的调节问题，具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动[3]；LED显示屏用来显示时间及预先设定所要显示的文字信息.
图1 太阳能LED显示屏系统框图
2 太阳能LED显示屏系统设计
2.1 太阳能光伏供电部分
太阳能光伏供电部分电路如图2所示[3]，光伏供电部分核心部分是电源控制电路，太阳能电池组件及蓄电池均可采用已有的器件.本章节将对太阳能供电部分的电源控制电路原理以及太阳能电池组件配置、蓄电池容量的估算与选择进行阐述.
图2 太阳能光伏供电部分示意图
2.1.1 电源控制电路电源控制电路主要是对蓄电池进行充/放电管理，还为显示部分提供电源.白天有光线照射到太阳能电池组件时，电池组件发出的直流电力经电源控制电路为显示部分供电，并对蓄电池进行充电.在蓄电池未充满时，电源控制电路在供电之余，还能最大限度地对蓄电池进行充电；当蓄电池充满电时，控制电路切断蓄电池充电回路，使蓄电池处于停充状态.晚上或阴雨天时，太阳能电池组件无法产生直流电力，此时显示部分的电源由蓄电池提供.本系统充分考虑了太阳能电池组件的功率及蓄电池的容量.太阳能电池组件不仅要为显示部分提供足够的电力，还要能对蓄电池进行充电；蓄电池的容量要足够大，应保证在可能出现的长时间连续的阴雨天时为显示部分供电.
2.1.2 蓄电池容量的选择系统总负载所需的蓄电池容量公式：
式（1）中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；To为温度修正系数，一般温度在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2.本系统工作环境温度在0℃以上，因此To取1；CC为蓄电池放电深度，系统采用铅酸蓄电池，取0.75[4].
按照工作需要，系统的蓄电池的后备工作时间要求能达到10d.当安全系数A取1.1，To=1时，经过计算可得，负载日平均耗电量QL=120Ah，显示部分的供电电压为5V时，每天工作24h消耗的功率为25W，为了保证在10个阴雨天气情况下的正常供电，蓄电池的容量设计为1 760Ah左右.系统为了留有一定的裕量，选择10个12V/200Ah的铅酸蓄电池并联使用，这样蓄电池容量可达到2 000Ah，能充分保证LED显示屏10个阴雨天工作日的显示.
2.1.3 太阳能电池组件的配置太阳能电池组件是太阳能光伏供电部分的关键部件之一，其性能的优劣直接决定光伏发电系统的发电效率和可靠性.系统采用单晶硅太阳能电池组件，具有转换效率高、使用寿命长、可靠性强等特点.系统负载电压为5V，功率为25W，每天工作24h，最长连续阴雨天数为10d，两个最长连续阴雨天的最短间隔天数为90d.太阳能电池组件采用东莞星火太阳能科技有限公司的SFM100W组件，组件标准功率为100W，开路电压21.3V，工作电压达18V，工作电流5.56A，转化效率17.8%.
太阳能电池组件的功率P的计算公式如下[4]：
式（2）中：Po为太阳能电池组件的额定功率100W，Ns为太阳能电池组件串联数，Np为太阳能电池组件并联数.太阳能电池组件串联数Ns通常取1，太阳能电池组件并联数Np，则要根据公式（3）计算：
式（3）中：Bcb为补充的蓄电池容量（Bcb=A×QL×NL），Nw为两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数，Qp为太阳能电池组件日发电量，根据公式（4）计算：
式（4）中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；H为平均日辐射时数的系数；Kop为斜面修正系数；Cz为修正系数，通常取0.8.
通过公式（3）和（4）计算出Qp＝13.84Ah，Np＝9.73（计算时取整，Np＝10）.通过公式（2），求得：P=Po× Ns×Np=100×1×10=1 000W.
2.2 LED显示部分
显示部分的电路框图如图3所示.RS232通信是用来与上位机进行通信，对系统进行升级和显示信息的更新；时钟芯片采用DALLAS公司生产的DS1302芯片；显示控制电路是基于STC89C52单片机对显示进行运算处理；显示驱动包含行驱动和列驱动.为充分利用单片机的接口，行驱动采用4-16线译码器74LS154，输入为4位16进制数编码，通过译码器解码输出为16路的低态扫描信号；列驱动采用74 HC595芯片，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器，移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现显示本行列数据的同时，还能传送下一行的列数据，达到重叠处理的功能；16×64的显示屏由16片8×8LED点阵级联而成.本章节主要介绍行/列驱动器的电路设计、RS232通信接口和时钟芯片DS1302的外围电路设计以及单片机最小控制系统与各模块之间的连接.
图3 显示部分电路框图
2.2.1 行/列驱动器的电路设计行/列驱动电路如图4所示.系统显示屏为16×64LED点阵，行驱动器采用4-16线译码器74LS154和8050型NPN三极管组成驱动电路，当74LS154某一输出脚为低电平时，对应的三极管发射极为高电平从而使点阵显示器的对应行也为高电平.列驱动器采用移位寄存器74HC595及50Ω的限流电阻组成，将8片74HC595进行级联，共用移位时钟SCK及数据锁存信号RCK.显示部分第一行显示的内容需经过64个SRCK时钟将数据移入74HC595后，系统将会产生一个数据锁存信号RCK把数据锁存在74HC595中，并在单片机P3.7端口送出的使能信号G的作用下，使串入数据并行输出，从而驱动LED导通或截止.同时行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的P端都接高电平，显然，第一行LED管的亮灭取决于74HC595中的锁存信号；此外，在第一行LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管点亮，以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，只要扫描速度足够高，利用人眼的视觉暂留效应，就可形成一幅完整的文字或图像[5].
图4 行/列驱动电路的设计
2.2.2 单片机最小控制系统单片机最小控制系统是显示部分的核心，其接线如图5所示.采用24MHz的晶振以获得较高的刷新频率，使显示更稳定.P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.4～P1.6口则用来接时钟芯片DB1302；P3.0和P3.1接MAX232；P3.4～P3.7口与列驱动74HC595的控制端相接，用来送出串口数据及列驱动控制信号.P0口和P2口空着，有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM.还有P1口和P3口剩下的三个端口可以用来扩展键盘，用来控制各种不同的显示模式.
图5 单片机最小控制系统
3 太阳能LED显示屏系统软件流程
软件可以实现系统与计算机的通信，可非常方便地任意修改所要显示的汉字.显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按预先设计的要求显示.根据软件分层次设计的原理，显示屏的软件系统分为两层：第一层是底层的显示驱动程序；第二层是上层的系统应用程序.系统应用程序是用来完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，都是通过系统的主程序来实现，系统主程序流程如图6所示.
图6 系统主程序流程图
4 结语
LED显示屏是当今市场上较为常见的广告宣传模式，LED显示屏是非常具有前景的热门产品[6].本系统以太阳能为电源，综合了电源控制技术、LED显示屏驱动技术，能够清楚地显示变换的文字和图像信息，并能达到环保、节能的设计要求，因此具有极高的社会经济效益.
