基于固定電壓法的太陽能MPPT跟蹤系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u8791摘要 226273第1章緒論 2300301.1國外太陽能光電技術(shù)的發(fā)展情況 2215881.2國內(nèi)太陽能光電技術(shù)的發(fā)展情況 3320121.3光伏電池技術(shù)的發(fā)展 4155461.4led顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 4283191.5國內(nèi)外文獻綜述 427340第2章光伏供電部分 5211542.1光伏供電系統(tǒng)框架設(shè)計 541542.2太陽能電池的原理和工作特性 665502.3光伏供電的最大功率跟蹤 848102.3.1最大功率跟蹤原理 851932.3.2最大功率跟蹤方法研究 94232.4本設(shè)計光伏供電部分的主要電路 12308292.4.1MPPT電路和硬件選型 12230822.4.2DC-DC模塊 1468422.4.3蓄電池的選用 1716353第3章LED點陣顯示系統(tǒng) 1849523.1系統(tǒng)主電路和原理框架 18107223.2主控單片機 19262113.2.2引腳功能 20224503.2.3單片機外圍電路 20229823.374HC245八路總線收發(fā)器 21128563.474HC595寄存器 22109483.5行驅(qū)動電路 2386133.6列驅(qū)動電路 25104673.7led點陣顯示模塊 2726419第4章軟件部分 28105214.1字模軟件 28169244.2LED顯示主程序 287010第5章仿真和焊接調(diào)試 3085275.1原理圖繪制和仿真 3077375.2焊接調(diào)試 3028573第6章總結(jié)和展望 3216596.1總結(jié) 32139406.2展望 3218366參考文獻 33摘要21世紀以來，綠色可持續(xù)發(fā)展在世界范圍內(nèi)得到眾多國家的一致認同，我國經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展，拋棄粗獷的發(fā)展路徑，樹立并踐行可持續(xù)的發(fā)展道路。取得了卓越的成就，這是攜手構(gòu)建共同體的生動詮釋，也體現(xiàn)了責任與擔當。太陽能作為一種不像傳統(tǒng)化石燃料需要生產(chǎn)和開采的能源，這種無窮無盡的綠色能源越來越多被人們利用，緩解了全球能源危機問題?；谔柲芗夹g(shù)的新產(chǎn)品也越來越多作用于日常的生產(chǎn)生活中。LED點陣屏有圖文多種顯示方式，內(nèi)容形式變化多端，使用方便，在廣告屏，站臺屏，城市照明，戶外光源，等等場景都有應用。光伏供電的led顯示屏符合當前社會的發(fā)展趨勢和需求，想比較傳統(tǒng)電網(wǎng)供電具有靈活方便，可移動的優(yōu)點。為了盡最大可能利用太陽能，設(shè)計實現(xiàn)了基于CVT的MPPT器為整個系統(tǒng)供電。為了對太陽能充分利用，系統(tǒng)組合了蓄電池實現(xiàn)在光照不足時的供電。論文主要介紹了光伏供電和led顯示部分的設(shè)計方法，對mppt不同的方法進行逐一分析，以及對整個系統(tǒng)的原理和硬件進行分析概括，最后，提出設(shè)計存在的不足和改善方向，已經(jīng)對于本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的展望。關(guān)鍵詞:MPPT，太陽能，led點陣控制第1章緒論1.1國外太陽能光電技術(shù)的發(fā)展情況光伏發(fā)電主要由電池組件、MPPT跟蹤器和電能轉(zhuǎn)換電路組成，配合外部控制裝置就可以實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電或者直接供電。主要原理如下：當太陽照射到電池板上時，其半導體材料內(nèi)部因摻雜而存在大量電子和空穴，電子吸收光子能量發(fā)生躍遷，在其內(nèi)部形成電勢差，當其積累到一定程度時，就會產(chǎn)生電流，這樣太陽能就轉(zhuǎn)換為光能。這種技術(shù)最早為解決飛行器的能量問題，民用十分稀少。但是作為一個新的領(lǐng)域，而且是一個可以一定程度緩解各國能源危機的領(lǐng)域，各個國家都十分重視，上個世紀開始，世界各國都開始發(fā)展自己的太陽能產(chǎn)業(yè)，并不斷從政策和產(chǎn)業(yè)上推動其大規(guī)模的民用。特別是，近年以來，國際社會對綠色發(fā)展，綠色能源的重視，從《京都協(xié)定》，《巴黎協(xié)定》展現(xiàn)了世界各國對環(huán)境保護和綠色資源的共同立場和共同需求。再到本世紀中葉的我國碳中和目標，展現(xiàn)了我國對世界環(huán)境的責任感，詮釋了世界命運共同體的崇高理想。如圖1所示的世界光伏裝機量變化圖，數(shù)據(jù)顯示，最近幾年，裝機量增長率一直維持在20%上下，其每年容量增加超過50MW。

圖1世界光伏發(fā)電裝機總量變化圖與此同時，一些國家的光伏滲透率以達到14%。體現(xiàn)了太陽能其作為一種重要的能源在未來被給予重要的期望和地位，也因其安全，綠色，取之不盡的特性快速發(fā)展。1.2國內(nèi)太陽能光電技術(shù)的發(fā)展情況我國的光伏工業(yè)發(fā)展較晚，落后于世界平均水平，開始一段時間產(chǎn)量一直維持在較低水平。而且受制于經(jīng)濟發(fā)展水平，和不菲的價格卻只能帶來很少的能量，在民用領(lǐng)域的產(chǎn)量少之又少。上世紀末，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的初步形成和原材料成本下降，太陽能電池也開始從少數(shù)的應用轉(zhuǎn)向民用和工業(yè)大規(guī)模制造。其中，政府和國家對于中西部地區(qū)的光伏供電計劃，開闊了農(nóng)村應用的廣大市場，不僅為供電困難的地區(qū)提供了切實有效的備用能源，也促進了整個產(chǎn)業(yè)的迭代。近年來隨著我國工業(yè)整體水平的提升，光伏產(chǎn)業(yè)逐漸走在世界前列，產(chǎn)能占世界一半以上。2011年前后，由于歐美對中國光伏產(chǎn)業(yè)的打壓，使我國光伏產(chǎn)出口嚴重下滑而經(jīng)歷了一段振蕩期。而后在國家優(yōu)惠政策的助力下，光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，促使了我國光伏產(chǎn)業(yè)的第二次大發(fā)展，并憑借世界上最完善的產(chǎn)業(yè)體系，以及較為便宜的勞動力成本，和先進的制度優(yōu)勢國家的大力扶持。充分利用國內(nèi)并網(wǎng)和消費端的市場崛起。通過大力投入技術(shù)研發(fā)和升級，掌握行業(yè)發(fā)展方向，自主創(chuàng)新。我國光伏產(chǎn)業(yè)在世界產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和市場占比。從電池生產(chǎn)領(lǐng)域來看，其產(chǎn)量已持續(xù)十幾年居全球第一。從相關(guān)組件來看，其相關(guān)產(chǎn)能連續(xù)多年占世界產(chǎn)能60%以上，特別是隨著太陽能電池基礎(chǔ)研究的進步和技術(shù)的不斷發(fā)展，擴充PERC技術(shù)的太陽能電池的需求增加速度很快，其對光能的利用和轉(zhuǎn)化效率持續(xù)提升，全球范圍內(nèi)，布局新型的太陽能電池生產(chǎn)線需求明顯增加。從實際裝機容量占比看，世界主要裝機容量分布在亞洲，其中中國裝機容量占世界總?cè)萘咳种灰陨稀?.3光伏電池技術(shù)的發(fā)展光伏電池按材料分類，其種類繁多，其中硅電池的應用較為成熟，占有主導地位。晶體硅包括單晶，多晶和非晶硅薄膜，他們之間各有利弊，多晶硅的特點是成本低，轉(zhuǎn)化效率有待提升。單晶的轉(zhuǎn)換效率較高，技術(shù)也比較成熟，但其單晶的制作過程困難，所以目前多晶的應用較為廣泛。此外，非晶硅薄膜電池的發(fā)展現(xiàn)成果喜人。其成本較低，轉(zhuǎn)換效率較高，在不斷的技術(shù)創(chuàng)新下，多種新型化合物薄膜電池已經(jīng)逐漸取代一部分單晶和多晶的應用市場，成為前景廣闊的新技術(shù)。太陽能電池是整個光伏發(fā)電的開端，電池的質(zhì)量關(guān)乎對太陽能的利用程度，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要依靠電池的推動，電池作為其核心部件，吸引著全世界科研工作者不斷創(chuàng)新，推動產(chǎn)業(yè)進步。除此之外，從對光能的利用率來看，從技術(shù)角度還有很大的提升天花板。近年來，多種新型電池技術(shù)發(fā)展迅速，其中比較有代表性的是多元化合物電池，效率和成本都達到了令人滿意的水平。此外還有正處于技術(shù)開發(fā)階段的納米晶體電池等等，是未來的研究方向。1.4led顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀led顯示技術(shù)是上世紀70年代發(fā)展的新興技術(shù)，基于半導體材料獨特的光電特性，在不同的條件下，實現(xiàn)亮滅。隨著單晶制造工藝的進步，以及對發(fā)光材料研究的深入，led的顯示效果和工作效率有了很大的提升。經(jīng)過多年的發(fā)展，led顯示屏的價格逐年走低，led顯示技術(shù)的應用越來越普遍，led顯示屏趨向于高亮度，多彩化，顯示大型化。除此之外，新的材料技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。1.5國內(nèi)外文獻綜述LED點陣顯示系統(tǒng)的研究和應用是近年來的熱門領(lǐng)域，在個人生活，社區(qū)廣告，鐵路民航公交站點都可以看到REF_Ref21903\r\h[1]。學術(shù)界關(guān)于LED顯示系統(tǒng)的相關(guān)論述也不勝枚舉，對其控制電路的研究則是整個系統(tǒng)的重中之重。一是基于單片機89C51為代表的LED顯示屏控制技術(shù)系列，結(jié)構(gòu)簡潔功能強大REF_Ref21968\r\h[2]。還有就是以更優(yōu)秀的ARM架構(gòu)為核心的LED顯示系統(tǒng)，其核心處理器具有耗能低,效率高,使用安全方便的特點REF_Ref22194\r\h[3]?？梢詽M足8/16位器件的兼容運行要求REF_Ref22599\r\h[4]。其大多基于STM32系列微處理器，得益于優(yōu)秀的儲存器控制技術(shù)，面對復雜的運算它的速度很快。還有基于FPGAREF_Ref22635\r\h[5]以FSM方式實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，得益于其在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的優(yōu)點，其控制更加靈活高效。從不同的數(shù)據(jù)傳輸方式出發(fā)，很多新型控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。例如RS-232，RS-485系列為代表的串口通信，GSM短消息，GPRS，藍牙，WIFI等的無線通信REF_Ref22677\r\h[6]。還有單片機以RS232串口進行通訊，再經(jīng)由轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為RS485，與其他模塊的通訊REF_Ref22801\r\h[7]。無線數(shù)據(jù)傳輸以ZigBee為例，其在醫(yī)療器械通信，電氣設(shè)備的節(jié)能，智能家居以及自動化REF_Ref22837\r\h[8]~REF_Ref22867\r\h[9]等諸多領(lǐng)域備受矚目。此外，光伏的研究及其應用是新時代的熱門領(lǐng)域，其最大功率點的跟蹤尤為重要，目前常用的方法有固定電壓法（CVT跟蹤）REF_Ref22922\r\h[10]，擾動觀測法REF_Ref23229\r\h[11]，電導增量法REF_Ref23258\r\h[12]法。其中固定電壓法操作方便，從電路搭建上便于實現(xiàn)，應用場景較多。綜上，先確定合適易于操作的LED點陣控制系統(tǒng)，再對最大功率點的跟蹤進行研究，選擇恰當?shù)姆椒?，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且易于操作。光伏供電部分2.1光伏供電系統(tǒng)框架設(shè)計光伏系統(tǒng)主要由四個主要部分，光伏電池部分，MPPT控制器，DC-DC電路，以及蓄電池模塊。整個系統(tǒng)從MPPT到蓄電池，充分體現(xiàn)了從發(fā)電到存儲整個過程中對太陽能的最大限度地利用。DC-DC和蓄電池是為LED顯示提供穩(wěn)定可靠地電能。其系統(tǒng)框架如圖2。圖2光伏供電系統(tǒng)框架2.2太陽能電池的原理和工作特性首先，制造太陽能電池的原料為摻雜有三價離子硼P型半導體和五價粒子磷的N型半導體。這些半導體材料在內(nèi)生電場的作用空穴和自由電子結(jié)合下會形成壁壘區(qū)。在太陽光照射在半導體材料時，自由電子吸收光子能量，離子在內(nèi)部電場的作用下定向移動，外接負載時就形成了電流。光照作為太陽能工作的條件，能量的來源，毋庸置疑是決定對輸出特性的關(guān)鍵因素。其次由于半導體材料的特性隨外界物理條件變化而變化，溫度，濕度會影響太陽能電池的電氣特性進而影響其輸出特性。如下圖3，圖4所示。圖3定光照不定溫度的V-I特性曲線圖4定光照不定溫度的V-P特性曲線在恒光照強度下，同一輸出電壓，輸出電流隨溫度的上升而減小。再結(jié)合圖3，相同光照下同電壓P隨溫度的上升而降低。P的最大值也隨溫度的說升而降低。圖5定溫度不定光照的V-I特性圖6定溫度不定光照的V-P特性由圖5，6可知，恒溫下，隨著光照強度的增強，同一輸出電壓時，短路電流會隨之增大，P隨之變大，最大輸出功率也增大，光照強度是影響輸出的重要因素。而且最大輸出功率所對應的電壓值在一定范圍內(nèi)相差不大。綜合上述特性曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)，光照強度為主要因素。將工作點橫縱坐標為基準，以坐標軸為邊界做矩形，矩形面積為輸出電壓電流值乘積，即（1.1）其中表示光伏電池的填充因數(shù)，的值越大電池品質(zhì)越好。2.3光伏供電的最大功率跟蹤2.3.1最大功率跟蹤原理由于光伏電池在工作時，大多數(shù)光被電池板反射，少部分光能被吸收。所以，目前技術(shù)所能達到的轉(zhuǎn)換效率不足20%，利用率并不高。而且，由于表面溫度。光強，以及地域的差異性，其輸出功率在瞬時的改變也是巨大的。所以，我們要通過控制相關(guān)輸出參數(shù)，使其一直工作在最大輸出功率處。太陽能電池伏安特性詳細曲線如圖7所示，L為負載。圖中對應太陽能電池帶負載工作時的輸出功率點A，B，C，D，E；我們還可以找出不同光照條件下的最大輸出功率工作點。實際工作點與不符，此時我們需要通過一定的方法改變負載，在太陽能電池與負載之間加入MPPT控制器，實現(xiàn)負載阻抗與輸出電壓相匹配，改變之后的工作狀態(tài)恰好在處。圖7伏安特性曲線2.3.2最大功率跟蹤方法研究（1）爬山法（擾動觀察法）爬山法和擾動觀察法有很多相似之處，都是給予擾動信號改變輸出參數(shù)，然后通過對比功率變化，作為反饋為下一次擾動信號的數(shù)值大小提供依據(jù)，所以放在一起討論。擾動觀測法一般首先設(shè)定一個初始工作狀態(tài)，其輸出電壓為開路電壓的0.8左右，測量此時的太陽能電池的輸出參數(shù)。然后在系統(tǒng)工作一段時間后，施加擾動改變輸出電壓。此時系統(tǒng)的輸出功率在擾動的作用下發(fā)生改變，這時對擾動后的輸出功率進行測量，和初始輸出功率進行對比，計算差值。如果變小，則需要改變擾動的方向；如果變大，則持續(xù)在同方向施加擾動。通過這種方法，實際輸出功率會逐漸接近最大輸出功率點，之后在小范圍內(nèi)持續(xù)上下浮動，如圖8所示。圖8穩(wěn)態(tài)擾動示意圖當輸出電壓處于a點時，>0,系統(tǒng)未達到最大功率，擾動方向不變，輸出電壓處于b點，此時大于0,擾動方向不變，輸出電壓處于c點，此時<0,擾動方向改變，輸出電壓減小，系統(tǒng)回到b點，此時>0,擾動方向不變，輸出電壓繼續(xù)減小，位于a點，此時>0,擾動方向改變，系統(tǒng)下一時刻輸出電壓到達b點。這是我們就可以推斷處系統(tǒng)會在這種狀態(tài)下不斷重復上述過程，達到一種穩(wěn)定的波動狀態(tài)。擾動觀察法簡潔，十分可靠，有很強的靈活性，對外界變化造成的功率變化適應性很強，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的跟蹤。但也存在一些缺點，1）整個系統(tǒng)在最大功率點位置波動，造成跟蹤時的輸出功率損失。2）通過對上圖的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)擾動步長的大小關(guān)系到a,c兩點距離最大功率點的大小。如果步長過大，將會在穩(wěn)態(tài)時損失很多能量。所以擾動步長的選取應當合理來提高整個系統(tǒng)的跟蹤性能。3）當光照強度改變發(fā)生較為迅速時，追蹤的方向的正確性會因為光強的改變而產(chǎn)生錯誤判斷。所以，擾動觀察法從原理上適合應用于一天中光強改變不大的地區(qū)REF_Ref32554\r\h[13]。爬山法也是MPPT的常用方法，它和擾動觀測法不同的是，用占空比來實現(xiàn)最大功率跟蹤。系統(tǒng)會先對太陽能電池的輸出電壓輸出電流進行監(jiān)測。通過改變占空比步長的增量來進行控制，實現(xiàn)對實時輸出功率的調(diào)節(jié)，如果輸出功率變大，就說明擾動的方向朝最大功率點前進，就在此方向加大擾動，如果輸出功率的變化量為負，就在反方向施加擾動。爬山法的工作效率取決于步長的大小和DC-DC轉(zhuǎn)換器的采樣頻率REF_Ref32567\r\h[14]。步長大小的選擇影響這跟蹤精度和跟蹤速度。擾動步長大跟蹤過程的時間就短，但在功率點附近的功率損失就大；小的擾動步長在最大點的振蕩較小，但是跟蹤所需的時間就會較長。（2）電導增量法電導增量法就是將全微分的思想帶入到對最大功率點的跟蹤上。將P=UI進行全微分求導得到（2.1）在對上文的P-U曲線進行分析時。我們可以知道，當P-U曲線斜率dP/dU=0時，曲線到達最高點，P為最大值。即→(2.2)我們將上式進行變形，得到，這樣，就可以用I,U,dI,dU來判斷是不是最大功率點，為了方便在實際中應用，一般采用電壓的變化量?U和電流的變化量?I近似代替微分增量dU和dI，因此我們只需對輸出電壓電流進行監(jiān)測。最大功率點最大功率點右側(cè)最大功率點左側(cè)圖9電導增量法流程圖如圖9，由于電導增量法是根據(jù)dP/dU是否為0作為判斷依據(jù)，所以從原理上來說十分精確，控制穩(wěn)定性很高。此外，由于需要對輸出電壓和電流進行較為精確的監(jiān)測和計算，其對精度和電路反應速度要求較高。系統(tǒng)初始值的合理選定對跟蹤開始一段時間的跟蹤性能影響較大。（3）CVT跟蹤法在對圖6進行分析后。我們可以看到在溫度變化不大的情況下不同的光照強度下的最大的輸出功率點大體在一條垂直線上。記此電壓為，所以根據(jù)輸出曲線的這種特性，我們可以從輸出電壓出發(fā)。設(shè)計一種電路將輸出電壓鉗制為，就可以實現(xiàn)MPPT。最大功率點對應電壓值可以用開路電壓法確定，兩者存在以下數(shù)學關(guān)系:=k（2.3）其中，k的大小有光伏模塊的特性決定，一般在0.8左右。這種方法穩(wěn)定性好、且易于實現(xiàn)。對輸出電壓一個變量進行檢測，和系統(tǒng)所需的設(shè)定值進行對比，如果有偏差，就利用功率轉(zhuǎn)換電路進行升高或者降低系統(tǒng)電壓，使輸出電壓和系統(tǒng)設(shè)定一致，其動態(tài)反應效果較好。但由于沒有考慮溫度對最大功率點的影響，導致在溫度變化時mppt的跟蹤不夠準確，晝夜或者四時溫差較大的地區(qū)效果不夠理想。2.4本設(shè)計光伏供電部分的主要電路采用CVT跟蹤法，太陽能電池輸出端連接鋰電池，配合DC-DC電路為led顯示模塊供電。蓄電池可以將白天多余的能量進行收集，在光照強度不夠，為LED顯示系統(tǒng)提供儲備電能，也是本設(shè)計對太陽能的充分能利用的重要組成部分。2.4.1MPPT電路和硬件選型對于MPPT電路而言，我們選用CN3791MPPT模塊作為核心控制部件?？梢詫Ρ驹O(shè)計選用的鋰電池進行充電管理，主要有恒壓和恒流兩種模式。在恒壓模式下，其輸出電壓恒定4.2V。在恒流模式下，通過調(diào)節(jié)外部電阻，當電池板的輸出電流降低時，可以追蹤最大功率點。從使用角度，其封裝小，集成程度高，便于使用等特點。管腳描述:管腳序號名稱說明1VG內(nèi)部電壓輸出2GND地3CHRG充電狀態(tài)指示端4DONE充電結(jié)束指示端5COM補償輸入端6MPPTMPPT跟蹤端7BAT電池正極端，充電檢測端8CSP測量電流并反饋9VCC外部電源輸入10DRV片外MOS管驅(qū)動端。封裝圖如圖10所示。VGGNDVGGNDCHRGDONECOM65748392101CN3791圖10封裝示意圖CN3791采用CVT法。根據(jù)上文對太陽能特性曲線的分析，所以我們只需要控制其輸出電壓為這個定值，就可以達到設(shè)計要求。CN3791的MPPT管腳電壓為恒定值,配合電路中R3和R4，形成一個分壓電路。實現(xiàn)了對MPPT。如圖11所示。計算最大功率點的對應電壓可以由下式:VMPPT=1.205×(1＋R3/R4)（2.4）圖11MPPT跟蹤電路在恒壓充電電壓為4.2V。當光伏陣列的電流輸出能力降低時,此電路就會開始對最大功率進行追蹤。正常工作電池電壓低于典型值三分之二時，啟動涓流充電模式。當電池電壓較大時,啟動恒流充電模式,充電電流為內(nèi)部基準電壓和電阻決定。為120mV/RCS。當電壓繼續(xù)上升，此模塊會減小充電電流進行恒壓充電實現(xiàn)MPPT。2.4.2DC-DC模塊DC-DC是四種基本電壓變化電路的其中一種，應用于直流電路。DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不僅僅由控制芯片決定，其周圍電路的元器件參數(shù)，布局方式等等都對其性能起到重要作用。所以一個性能良好的DC-DC電路要對整個電路做通盤考慮。工作模式分為CCM和DCM兩種：工作在電感電流連續(xù)（CCM）模式時負載電流較大，但當負載電流減小時引起電感負載電流減小時，電感工作在電感電流斷續(xù)（DCM）模式。（1）降壓轉(zhuǎn)換電路BUCK變換器，可進行降壓調(diào)節(jié)。原理圖如圖12。圖12BUCK電路原理圖CCM工作模式下：在三極管基極輸入PWM信號。當三極管輸入高電平時，Q1導通，三極管導通時電阻很小，忽略其導通壓降，此時電流經(jīng)過電感形成回路。電感經(jīng)過充電過程，電感兩端電壓為Vin-Vo。在輸入高電平的時間里，電感吸收能量，增加的磁通量為（Vin-Vo）*t1,t1為輸入高電平PWM的時間。當PWM輸入低電平時，Q1處于開路狀態(tài)，我們知道電感是儲能元件，既能存儲電能，也能輸出電能。流過它的電流不能突變，輸出電流具有連續(xù)性。此時由電感經(jīng)過電阻電容二極管形成回路。電感減少的磁通為Vo*t2,t2為輸入低電平的時間。當Q1的閉合達到動態(tài)平衡時，（Vio-Vo）*t1=Vo*t2。Vo小于Vio輸出電壓由于經(jīng)過負載的分壓，輸出電壓小于輸入電壓，達到降壓的目的。（2）升壓轉(zhuǎn)換器BOOST變換器，也稱升壓變換器。原理圖如圖13。圖13boost電路原理圖在CCM工作模式下：在三極管基極輸入信號，輸入信號高電平時，三極管導通，電流經(jīng)過電感，三極管形成回路。電感增加的磁通量為Vin*T1,電感存儲能量。記T1為PWM輸入高電平時間。當三極管輸入低電平時，開關(guān)管Q1處于斷開狀態(tài)，電感存儲的能量釋放，記低電平時間為T2，此時電路中電源和電感共同為電路提供電能，輸入電壓加上電感上的感應電壓，經(jīng)過D1和R1形成回路。我們可以看到，輸出電壓大于輸入電壓。Q1達到動態(tài)平衡時，Vin×T1=(Vo-Vin)×T2驗證了電路實現(xiàn)了升壓的功能。（3）降壓-升壓轉(zhuǎn)換器BUCK/BOOST變換器，電壓變化是輸入既能高出輸出，又能低于輸出，和其他兩個電路的不同點是輸出電壓的方向相反。實現(xiàn)了升壓和降壓功能的組合。原理圖如圖14。圖14buck-boost電路原理圖在CCM工作模式下：三極管端輸入脈沖信號，輸入高電平時，三極管導通，輸入電流經(jīng)過電感形成回路，電感進行充電儲能過程，儲能時長記為T1，增加的磁通量為Vin×T1。當PWM給三極管輸入低電平時，Q1處于斷開狀態(tài)，記此時間為T2，可以看到，電感通過新回路為負載供電。由于輸出電壓的方向已經(jīng)變化。所以電感減少的磁通量為-Vo*T2。達到動態(tài)平衡時，Vin×T1=-VoT2，通過此公式我們可以看出，決定輸出電壓和輸入電壓的關(guān)鍵在于T1和T2,也就是高電平和低電平的占空比。當PWM輸入脈沖信號的高電平占比大時，輸出小于輸入。當PWM輸入脈沖信號的低電平占比高時，輸入小于輸出。本設(shè)計需要對經(jīng)過MPPT調(diào)節(jié)后的存儲到蓄電池的輸出電壓進行升壓到5V，為點陣系統(tǒng)進行供電，所以選取了以boost電路為基礎(chǔ)的DC-DC模塊。2.4.3蓄電池的選用蓄電池時本系統(tǒng)的重要部件，一方面對蓄電池的充電管理就是MPPT控制的實現(xiàn)，蓄電池的工作模式要和MPPT模塊的工作模式相對應，本設(shè)計選用18650型鋰電池，其充放電過程參數(shù)和MPPT電路的輸出控制相對應。另一方面鋰電池經(jīng)過DC-DC模塊的升壓，為LED點陣提供工作電壓。蓄電池的種類很多，很夠和MPPT模塊結(jié)合使用的蓄電池也很多。鉛酸蓄電池得益于其成本低，穩(wěn)定，有很長的技術(shù)應用歷史。但也有明顯的缺點，一是每公斤存儲的電能低，這就造成了此種蓄電池的體積和重量一般較大，在平時的使用中頗為不便，也限制了它的應用領(lǐng)域。目前，此種電池的壽命在技術(shù)進步下逐漸增長，但仍然較短。鎳鎘電池的應用早于鋰電池，在外形上，他們體積都比較小。其比能量超過55Wh/kg，可快速充電，家用小電器的電池多為此種類型。其循環(huán)使用壽命較長。明顯的缺點是有“記憶效應”，使用多次后需要進行完全放電。在環(huán)保方面，由于其原料采用劇毒鎘，使用后回收不當污染水源，土地。鋰離子電池使用鋰合金金屬氧化物，可以于負極的石墨發(fā)生穩(wěn)定可逆的化學反應。此種特性決定了鋰離子電池可反復使用，壽命長的特點。鋰離子電池的初次應用就革命了移動電子設(shè)備市場。其重量輕，能量密度大，縮小了設(shè)備的體積，提升了移動設(shè)備的續(xù)航能力。最初大規(guī)模應用是在消費電子領(lǐng)域，例如手機，移動攝像機，移動電腦，專業(yè)戶外設(shè)備，可穿戴設(shè)備等等。根據(jù)以上論述，鋰離子電池蓄電能力優(yōu)于鉛酸蓄電池和鎳鉻電池，體積小，重量輕。同時，這種電池時一種環(huán)保綠色電池，不會污染環(huán)境。并且在2018年，我國科研工作者研發(fā)出銀納米線-石墨烯載體，提高了鋰離子電池的壽命，未來，鋰離子電池的開發(fā)還有很廣闊的空間。充放電過程分為兩個階段，第一階段當電壓低于4.2V，此時以恒定電流為電池充電。第二階段會進行恒壓充電時，是依據(jù)鋰電池的特性，電壓高于4.2會對鋰電池造成損害。此時減小其充電電流使電壓保持4.2V。第3章LED點陣顯示系統(tǒng)3.1系統(tǒng)主電路和原理框架3.1.1主電路原理圖如圖15所示，單片機P1口作為輸出端口，由于驅(qū)動四個8x8全彩led點陣屏負載太大，所以需要74HC245緩沖器作為驅(qū)動，此時需要保持使能端OE為低電平。然后由74HC245帶動八個74HC595寄存器作為二級驅(qū)動電路，總共有16列16行，列驅(qū)動需要兩個數(shù)據(jù)寄存器作為二級驅(qū)動，由于全彩點陣有三種顏色，有16行，所以共需要需要6個74HC595作為二級驅(qū)動。由于列驅(qū)動帶負載過大，本設(shè)計在列驅(qū)動電路的輸出端添加放大電路。最后得以控制LED顯示電路。圖15LED點陣系統(tǒng)原理圖3.1.2系統(tǒng)原理框架點陣顯示由主控單片機，緩沖器和595寄存器組成的驅(qū)動電路，以及LED點陣模塊組成，整個系統(tǒng)主要在于如何實現(xiàn)對4個點陣共32個引腳的控制。選用8個595實現(xiàn)串口和并口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，添加三極管放大電路確保LED正常顯示?？蚣苋鐖D16所示圖16點陣控制框架圖3.2主控單片機單片機選用AT89C51芯片進行控制。其集成了一個最小系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，運算，和輸出。得益于其體積小，功能強大，廣泛應用于嵌入式控制中，在涉及家用電子，儀器儀表，工業(yè)控制，智能設(shè)備，國防軍工等領(lǐng)域都能看到他們的身影。3.2.1單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含以下部分8位CPU，主要有運算器和控制器（2） 內(nèi)部存儲器：（3） 定時器/計數(shù)器：（3） 并行I/O口：（5）串行口（6）中斷控制系統(tǒng)（7）時鐘電路3.2.2引腳功能我們根據(jù)其封裝圖進行逐一簡述，如圖17。VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：雙向I/O口。P1口：準雙向IO口圖17封裝原理圖P2口：內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口P3口：內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口RST：復位輸入端ALE/PROG：外部ROM的低八位地址鎖存/PSEN：讀選通信號/EA/VPP:外部程序存儲器訪問允許3.2.3單片機外圍電路(1)時鐘電路常用的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部振蕩器方式和外部引入。本設(shè)計的時鐘由內(nèi)部振蕩器組成。如圖18。圖18晶振電路(2)復位電路作用是重新啟動程序，由外部復位電路實現(xiàn)，如圖19所示圖19復位電路3.374HC245八路總線收發(fā)器由于本設(shè)計采用全彩led點陣顯示，顯示部分負載超過單片機數(shù)據(jù)/控制總線的負載能力，所以我們在單片機的并行接口和74HC595之間添加緩沖器。實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的異步通信，達到了保護MCU的目的。74HC245是一款CMOS器件，是輸入輸出都有三態(tài)的緩沖門電路的8路總線收發(fā)器，如圖20REF_Ref2911\r\h[15]。圖2074HC245封裝圖引腳功能DIR：傳輸功能控制A0-A7：信號輸入或輸出端口，其中A0和B0一組，A1和B1一組，以此類推。無論輸入端是A還是B，其輸入輸出不變化。B0-B7：同A0-A7OE：AB導通控制開關(guān)GND：地VCC：電源3.474HC595寄存器74HC595是八位串行輸入，并行輸出的寄存器，其內(nèi)部由位移寄存器和數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成。單行數(shù)據(jù)在DS輸入，并由Q7’輸出。并行輸出時由Q0-Q7輸出。當輸出使能端OE的控制信號為低電平時，輸出端口輸出位移寄存器的數(shù)值，當OE為高電位，關(guān)閉輸出，此時八個輸出端口為高阻態(tài)。引腳功能，如圖21。圖2174HC595封裝引腳圖Q0-Q7并行輸出端口DS串行數(shù)據(jù)輸入端OE輸出控制端，低電平有效Q7’串行數(shù)據(jù)輸出端MR主復位，低電平有效SHCP移位寄存器時鐘輸入STCP存儲寄存器鎖存時鐘線VCC電源GND電源地3.5行驅(qū)動電路點陣顯示屏共有16行,行驅(qū)動需要兩片74HC595，74HC595釆用級聯(lián)方式，即將寄存器的輸出端和輸入端首尾相連。工作步驟如下：單片機輸入的數(shù)據(jù)，先進入第一片寄存器的輸入端DS，由高到低一個一個輸入，每輸入一個數(shù)據(jù)，上一個數(shù)據(jù)就回由高向低進行移動，SHCP對應就會產(chǎn)生一個上升沿，這些數(shù)據(jù)存儲到移位寄存器中。當移位寄存器的數(shù)據(jù)裝滿時，第一片595的Q7’就將數(shù)據(jù)依次送給下一個寄存器，以此類推，當?shù)谝涣械降?6列數(shù)據(jù)全部輸入完成后。單片機P11口會產(chǎn)生一個上升沿到595寄存器的STCP寄存器時鐘控制引腳。將所有595的STCP端口串聯(lián)在一起，當上升沿信號到來時，每個595的數(shù)據(jù)同時輸出。驅(qū)動電路如圖22所示。圖22行驅(qū)動電路原理圖此外由于行驅(qū)動電路控制行的亮滅，而每一行共有3種顏色共24個led燈，負載較大，單個led燈的正向電流為20ma,行驅(qū)動電流為640ma,此電流過大，我們需要對信號進行放大，我們在列驅(qū)動的兩個595芯片輸出端Q1-Q16引腳各添加了三極管放大電路，對信號進行放大，這樣就能驅(qū)動整行的亮滅，避免因電流分流之后到每個led燈的數(shù)值過小造成顯示不夠清晰的問題。3.6列驅(qū)動電路由于三色led點陣顯示屏需要對三種顏色的顯示情況進行控制，所以列驅(qū)電路需要6個595寄存器進行控制，每兩個595控制一種顏色的顯示。和行控制一樣，6個595寄存器也采用級聯(lián)方式。上一個寄存器的輸出端接下一個控制器的輸入端，三個8位二進制數(shù)據(jù)依次輸入到595內(nèi)部的移位寄存器中，當所有數(shù)據(jù)輸入完畢后。數(shù)據(jù)從移位寄存器轉(zhuǎn)移到存儲寄存器中。此時單片機P11口會產(chǎn)生一個上升沿到595寄存器的STCP寄存器時鐘控制引腳，所有暫存在數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)，通過595的并行端口輸出，對led顯示模塊的三色列顯示進行控制。其電路原理圖如圖23。圖23列驅(qū)動電路原理圖3.7led點陣顯示模塊LED點陣是由眾多發(fā)光二極管組成。不同的色彩數(shù)量可以方便文字，圖案，動畫等多種信息方式。按照其連接方式，可以分為共陰極和共陽極兩種。從其大小分，有5x5,8x8,16x16等大小。本設(shè)計所需的戶外led顯示屏，用于顯示廣告，吸引眼球，所以我們采用了全彩型led點陣模塊?？梢詫θN顏色的亮滅進行控制，除此之外還可以通過三種顏色的疊加，顯示出更多的顏色，通過軟件延時進行控制色彩的亮度。選用型號為HL-M2388BRGB的全彩LED點陣屏，由深圳市虹綠光電有限公司生產(chǎn)，點陣模塊為8x8矩陣共陽極，材質(zhì)為磷化鋁銦鎵和氮化鎵。電路圖如圖24。圖24LED點陣內(nèi)部電路圖共有32個引腳，其中8個行控制，24個列控制，每個行控制同時控制24個led燈的亮滅，24個列控制分為三組。選用此款LED顯示屏時，我們還考慮了亮度，視角，壽命等因素。此款LED顯示屏亮度高，可適應戶外工作條件下光照強度較大的場景，其使用壽命長。LED顯示屏亮度越高，LED的穩(wěn)定性越高，越鮮艷。不同的LED有不同的可視角度。要做到三種顏色亮度變化相同，需要在封裝技術(shù)上精益求精，原材料和設(shè)計至關(guān)重要。那么當其芯片亮度一定時，可視角度越小，光線就越集中，就會越亮。因應用于戶外作業(yè)，我們選擇100度左右的LED屏來獲得足夠的亮度。第4章軟件部分軟件部分主要包括對點陣屏顯示漢字的取模，對LED驅(qū)動電路程序的編寫，對顯示程序的編寫。采用了取模小軟件方便實現(xiàn)漢字和點陣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。用keiluVISION4進行了程序的編寫和仿真調(diào)試，最后，將其燒錄到單片機中實際運行。4.1字模軟件LED是以高低電平控制亮滅來顯示漢字，所以所顯示圖形可以通過“1”“0”代碼的高低電平來表示整個漢字的顯示數(shù)據(jù)，我們可以用字模軟件首先進行亮滅區(qū)域的規(guī)劃，確保顯示漢字美觀清晰，然后再通過設(shè)置led顯示屏的點陣矩陣大小，共陰共陽方式來對漢字字模，得到一組十六進制數(shù)據(jù)，這樣可以方便我們程序編寫的準備工作。其界面如圖25所示。圖25取模示意圖4.2LED顯示主程序本設(shè)計使用keil4來進行主程序的編寫和仿真。keil4發(fā)布于2009年，它提供了十分整潔，高效的開發(fā)界面，得益于靈活的窗口管理系統(tǒng)，用戶和軟件在窗口的交互變得更加有效便捷。此外keil4支持更多的ARM芯片，其功能更加強大，兼容C語言，廣泛應用于51系列軟件開發(fā)。程序部分主要包括兩大部分數(shù)據(jù)傳輸控制和點陣顯示控制圖26SPI通信函數(shù)如圖26所示，此部分為通信函數(shù)，發(fā)送一個數(shù)據(jù)給點陣模塊，當595接受到一組8為數(shù)據(jù)后，通過上述函數(shù)，將位移寄存器中的數(shù)據(jù)通過并口輸出到led點陣顯示模塊。其中還包括了對移位寄存器時鐘和存儲時鐘信號的控制。圖27點陣控制函數(shù)如圖27所示，截取一部分點陣顯示的軟件部分，分別對顏色選擇和亮滅選擇進行控制，再通過for循環(huán)進行行刷新顯示，加入延時函數(shù)讓整個顯示字符肉眼可察，最后通過for循環(huán)逐一顯示7個漢字。第5章仿真和焊接調(diào)試5.1原理圖繪制和仿真在確定了器件選型和電路結(jié)構(gòu)后，我們需要繪制原理圖，并在軟件上進行仿真，驗證其工作情況，對出現(xiàn)的錯誤進行調(diào)試，最后得到運行正常的原理圖，并繪制PCB圖。本設(shè)計采用的軟件為AltiumDesigner，此軟件為Altium公司開發(fā)，其功能十分強大，擁有龐大的器件庫?？梢院喕娮釉O(shè)計繁雜的流程，提高工作效率。如圖28為led點陣顯示系統(tǒng)的PCB原理圖，光伏供電模塊因其模塊成熟，只需相應安裝，故主要講led的原理圖圖28PCB布線圖PCB圖的布局關(guān)系到之后的焊接環(huán)節(jié)是否順利，如果布局不合理輕則需要使用很多跳線，嚴重時，不合理的布局可能會造成系統(tǒng)不那正常工作。所以在PCB圖的布局布線上，要投入精力和時間進行分析。在進行仿真后，整個電路正常運行，達到了預期效果。5.2焊接調(diào)試通過上面的原理圖我們也能夠發(fā)現(xiàn)，本電路焊接的難點在于點陣顯示部分模塊數(shù)量多，引腳多，走線復雜。焊接時要仔細認真，要注意避免虛焊漏焊，還要注意焊盤不能短路，造成整個電路燒毀等情況發(fā)生。以下是焊接實物圖和光伏供電部分接線圖，如圖29，圖30所示。圖29點陣模塊焊接實物圖圖30光伏供電模塊接線圖在鋰電池電量足夠的情況下，按下點陣模塊開關(guān)，點陣部分先全部依次顯示三種顏色來進行檢測壞點，然后會以三種顏色依次顯示“劉”、“懷”、“東”、“畢”、“業(yè)”、“設(shè)”、“計”六個字。顯示效果循環(huán)呈現(xiàn)，如果需要重新開始，可以點擊復位按鈕。光伏供電部分的工作狀態(tài)可以通過觀察MPPT的狀態(tài)燈，光照強度太低時，系統(tǒng)不工作；當光伏電池工作時，紅燈亮起；當鋰電池充電完畢時，綠燈亮起。第6章總結(jié)和展望6.1總結(jié)本設(shè)計將光伏供電和LED點陣有機結(jié)合，為了最大程度的利用光能，設(shè)計實現(xiàn)了基于固定電壓法的MPPT跟蹤，加入了蓄電池，體現(xiàn)了節(jié)能的特點。又在LED顯示模塊采取了全新的電阻模塊，全彩型LED點陣，這適應了戶外廣告牌吸引眼球的需求。光伏供電部分采用了目前以及成熟的集成模塊為主，設(shè)計DC-DC模塊實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)，使其能夠更好的為顯示系統(tǒng)供電，為了對白天多余的光能進行收集利用，在供電系統(tǒng)中加入了18650型蓄電池作為儲備能源，整個系統(tǒng)不消耗額外能量，貫穿了節(jié)能的要求。LED顯示部分主要特點是色彩多，顯示效果好