丁伊博，蔡艦洋，屈靖怡

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人們行事的準(zhǔn)則之一。各行各業(yè)電子信息材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質(zhì)材料已成為時(shí)代的潮流。由于傳統(tǒng)宣傳欄需要浪費(fèi)大量紙張，不符合可持續(xù)發(fā)展的基本要求。同時(shí)在觀感上，相較于電子宣傳欄而言，傳統(tǒng)宣傳欄不滿足人們的觀感需求，因此逐漸被電子宣傳欄所替代。

電子宣傳欄造型美觀、內(nèi)容豐富，政府機(jī)構(gòu)可以利用電子宣傳欄來宣傳國家政策和民政信息，社區(qū)等公共場所也可以進(jìn)行相關(guān)通知的發(fā)布。除了用于投放傳統(tǒng)的公共信息之外，宣傳欄還加入了廣告宣傳功能，商家可以自行購買使用權(quán)，從而完成小眾信息的傳播，促進(jìn)了宣傳欄功能實(shí)現(xiàn)多樣化。但現(xiàn)有的電子宣傳欄結(jié)構(gòu)單一，大多安裝在室外，容易粘附灰塵，人工清潔較為困難，并且經(jīng)過長時(shí)間的陽光照射，電子顯示屏遭到陽光的侵蝕，影響人們的觀看和信息傳播效果。本文將介紹一種新型太陽能電子信息宣傳欄，通過太陽能發(fā)電，同時(shí)借助太陽能電池儲(chǔ)存的能源進(jìn)行自動(dòng)清潔，節(jié)省了人力，符合新時(shí)代可持續(xù)發(fā)展的主題。

1 太陽能電子信息宣傳欄供電裝置系統(tǒng)

1.1 太陽能電池板的工作原理

太陽能電池板是為整個(gè)系統(tǒng)提供能源供給的重要組成部分，其本質(zhì)是一個(gè)大型的P-N 結(jié)。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池板的表面，在其內(nèi)部能夠形成由空穴和電子進(jìn)行擴(kuò)散引發(fā)的電場。此時(shí)，大量的光子進(jìn)入到P-N 結(jié)當(dāng)中，在不斷運(yùn)動(dòng)的過程中形成電子對(duì)和空穴對(duì)。內(nèi)部的電子和空穴會(huì)反向移動(dòng)，在太陽能電池板的兩側(cè)產(chǎn)生電壓差[1]。在形成電壓差的情況下，將負(fù)載接在電池兩側(cè)的電極，便可持續(xù)產(chǎn)生直流電，從而實(shí)現(xiàn)了太陽能向電能的轉(zhuǎn)換。這個(gè)過程充分利用了清潔能源——太陽能，減少了對(duì)人工供電的消耗，實(shí)現(xiàn)了資源的充分利用。

因?yàn)樘柲茈姵匕遢敵龅碾妷阂资艿酵饨绛h(huán)境的影響，無論溫度、濕度還是空氣中所含有的各種雜質(zhì)微粒，都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大影響，所以太陽能電池板產(chǎn)生的電壓相較而言是不穩(wěn)定的，輸出的電流密度大約為21～25 mA/cm2。單個(gè)太陽能電池板所發(fā)出的直流電壓大約為0.5 V，不能滿足屏幕顯示的供電要求，因此通過串并聯(lián)將太陽能電池板組合起來使用能夠加大供電電池的輸出電壓，滿足供電器件的電能要求。P-N 結(jié)原理見圖1。

圖1 P-N 結(jié)原理圖

1.2 供電電池的選型

秉持著節(jié)約能源的理念，本裝置在設(shè)計(jì)中采用多晶硅太陽能電池進(jìn)行供電，此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高。多晶硅太陽能電池主體采用鋼化玻璃制成，其透光率可達(dá)90%，極大程度地提高了光能的轉(zhuǎn)化率。太陽能電池的激活層采用晶體硅層，既能在成本上做到最大限度的節(jié)約，又能使晶體硅太陽能電池的穩(wěn)定性得到保證。多晶硅太陽能電池相較于單晶硅太陽能電池，透光性更強(qiáng)，能夠在光電轉(zhuǎn)換的過程中更加滿足經(jīng)濟(jì)性需求，適用于產(chǎn)品的加工制造[2]。

1.3 光伏控制器的選型

在發(fā)電系統(tǒng)中，高速CPU 微處理器和高精度模數(shù)（A/D） 轉(zhuǎn)換器是光伏控制器的主要組成部分。通過光伏控制器能夠?qū)﹄姵胤疥囘M(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池為太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制[3]，省去了人工對(duì)電池充電及更換的過程，極大程度地提高了電能供給的傳遞效率。光伏控制器不僅能夠快速采集光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，而且為評(píng)估光伏系統(tǒng)的合理性提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。除此之外，光伏控制器還能夠傳輸通信數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)子站進(jìn)行集中的管理控制，實(shí)現(xiàn)了高效化的信息轉(zhuǎn)換[4]。

1.4 遮陽板選材

為了將裝置更加穩(wěn)固的連接，選用遮陽板來固定裝置的太陽能電池板和光伏控制器。同時(shí)，能夠減少太陽光對(duì)裝置其他部分的影響，調(diào)整太陽光的照射程度，起到較好的降溫作用。隨著人們對(duì)遮陽板要求的不斷提高，材料方面主要為塑料、發(fā)泡聚丙烯（Expanded Polypropylene，EPP） 材料、聚氨酯（Polyurethane，PU） 發(fā)泡材料、紙板材料等，但這些都是傳統(tǒng)遮陽板的材料，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。隨著科技的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一種汽車液晶遮陽板，但成本價(jià)格相較于其他材質(zhì)而言過高，大多數(shù)城市不適用。從綜合角度來看，本文選擇EPP 作為遮陽板的加工材料。

EPP 是一種高結(jié)晶型聚合物復(fù)合材料，因其具有環(huán)保、抗壓、緩沖、隔熱等功能，從而成為人們在產(chǎn)品加工時(shí)的首選材料。EPP 最大的特點(diǎn)在于其密度相對(duì)較低，可以很大程度上減輕遮陽板的質(zhì)量，方便加工成品的運(yùn)輸。利用EPP 加工的產(chǎn)品具有抗震吸能性、耐熱性、耐化學(xué)品性、發(fā)生形變后恢復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn)。EPP 材質(zhì)的各種指標(biāo)特性見表1。

表1 EPP 材質(zhì)的指標(biāo)特性

2 太陽能電子信息宣傳欄屏幕顯示裝置

為了讓接收者能夠清楚地觀察到宣傳欄中的信息，本裝置采用發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED） 電子顯示屏。LED 電子顯示屏是由數(shù)十萬個(gè)半導(dǎo)體LED 像素點(diǎn)[5]均勻排列組成，利用不同材料的顏色差異和感電性特質(zhì)，制造各種LED 像素點(diǎn)，能夠顯示不同的顏色，使電子屏幕的視覺觀看效果最優(yōu)化，兼具顯示文字、圖形、視頻、信號(hào)等各種信息的強(qiáng)大功能。

顯示屏是由數(shù)個(gè)可組合拼接的顯示單元板構(gòu)成，顯示單元板的串并聯(lián)結(jié)合保證了圖像信息的完整顯示，相較于傳統(tǒng)的整體式顯示板，經(jīng)濟(jì)效益更加突顯。主控電路將顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器，同時(shí)又輸送到數(shù)據(jù)分配電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)高效同步化傳輸。顯示數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分配電路送到LED 驅(qū)動(dòng)電路，從而在LED 屏幕上顯示圖像信息，達(dá)到最快的信息可視化呈現(xiàn)。本文采用PH16 戶外LED 顯示屏，性能參數(shù)見表2。

表2 LED 顯示屏指標(biāo)推薦參數(shù)

3 太陽能電子信息宣傳欄控制系統(tǒng)

3.1 太陽能發(fā)電組件控制系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能發(fā)電組件控制系統(tǒng)主要由蓄電池、顯示屏、光伏電池組件、上位機(jī)和控制器5 個(gè)部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見第72 頁圖2。光伏電池能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，其中一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，作為裝置運(yùn)行能源供給，而另一部分可以直接為控制器和負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)了能源的雙向同步利用。上位機(jī)部分通過以太網(wǎng)與電子顯示屏通信，利用高效的信息傳輸，進(jìn)行監(jiān)控和故障診斷，以便于系統(tǒng)的保護(hù)和維修。控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤點(diǎn)算法和電子顯示屏的驅(qū)動(dòng)等功能。

圖2 新型太陽能電子宣傳欄控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 清潔控制系統(tǒng)的工作原理

在清潔控制系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)清潔棉連接部分的上下運(yùn)動(dòng)，因此采用了電磁鐵吸合的方式。在不需要清潔時(shí)，通過外加電壓的作用，電磁鐵能夠強(qiáng)力吸合，實(shí)現(xiàn)裝置的待機(jī)準(zhǔn)備；當(dāng)裝置開始工作時(shí)，通過拉動(dòng)手柄（控制開關(guān)） 斷開控制電路，清潔棉則隨著移動(dòng)板在外加彈簧的作用下，進(jìn)行上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)[6]，對(duì)宣傳欄進(jìn)行清潔；當(dāng)工作一段時(shí)間后，隨著彈簧的彈性形變完全恢復(fù)，磁鐵則再次吸合，完成清潔的工作。電磁鐵與供電系統(tǒng)和顯示屏共同組成電子宣傳欄，電子信息宣傳欄模型見圖3。

圖3 電子信息宣傳欄模型圖

3.3 LED 顯示屏控制電路的運(yùn)行

LED 顯示屏包括控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)兩部分。本文將MCS-51 單片機(jī)作為控制微處理機(jī)?？刂葡到y(tǒng)包括了單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)通信的串行接口或并行接口、LED 顯示的掃描電路等[7]。顯示電路包括LED 功率驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)移位鎖存[8]。本文采用數(shù)據(jù)移位鎖存和功率驅(qū)動(dòng)集成的芯片TPIC6595，每個(gè)輸出端口通過150 mA 的電流，滿足LED 顯示屏的要求，圖4 為MCS-51 單片機(jī)引腳圖。

圖4 MCS-51 單片機(jī)引腳圖

運(yùn)用16 行點(diǎn)陣顯示屏，以1/16 掃描的方法進(jìn)行分析。在單片機(jī)系統(tǒng)中，把輸出口的低4 位作為掃描行進(jìn)行輸出，經(jīng)過線路轉(zhuǎn)換來選通掃描行驅(qū)動(dòng)晶體管。將掃描的數(shù)據(jù)寫入并串轉(zhuǎn)換集成電路74HC589， 串行送出給串并轉(zhuǎn)換集成電路TPIC6595，完成一行數(shù)據(jù)后，鎖存數(shù)據(jù)并選通行掃描晶體管。在下一次進(jìn)入掃描中斷程序時(shí)，能夠掃描下一行的數(shù)據(jù)。由TPIC6595 和74HC589 數(shù)據(jù)移位信號(hào)的特點(diǎn)可知，兩種芯片都是時(shí)鐘上升沿觸發(fā)移位，可以把TPIC6595 的時(shí)鐘信號(hào)反相后作為74HC589 的移位脈沖，74HC589 送出數(shù)據(jù)時(shí)利用時(shí)鐘脈沖的下降沿移位，而TPIC6595 接收數(shù)據(jù)時(shí) 利用時(shí)鐘脈沖的上升沿移位，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大于16 行的顯示系統(tǒng)進(jìn)行掃描顯示。

4 太陽能電子信息宣傳欄前景分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

新型太陽能電子信息宣傳欄采用太陽能電池板與蓄電池配合的方式為電子顯示屏提供電力支持，可以有效解決裝置使用時(shí)的用電能耗，降低宣傳欄的經(jīng)濟(jì)成本。同時(shí)此裝置安裝有清潔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可清潔電子顯示屏表面的灰塵，避免顯示屏粘附灰塵影響宣傳效果，節(jié)省了人工清潔費(fèi)用。采用的多晶硅太陽能電池是目前應(yīng)用最廣的太陽能電池，在生產(chǎn)成本和使用性能上具有較大優(yōu)勢。

4.2 適用場所

新型太陽能電子信息宣傳欄采用太陽能發(fā)電[1]，節(jié)省了開支以及人力資源消耗的成本，同時(shí)解決了因供電和電路接觸不良等原因斷電造成的電子信息宣傳欄的信息傳播失效等問題。不僅能夠?yàn)檎畽C(jī)關(guān)以及城鎮(zhèn)社區(qū)提供便利的信息宣傳途徑，還適合企業(yè)的廣告投放，實(shí)現(xiàn)人人共享的信息傳播鏈。同時(shí)，為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，這種宣傳欄能夠配合許多節(jié)能環(huán)保宣傳活動(dòng)一起出現(xiàn)在人們的視野中，向市民宣傳可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)，共同保護(hù)人類的家園。

4.3 市場競爭力

目前，市場上的宣傳欄大多數(shù)為傳統(tǒng)宣傳欄，無法滿足信息的及時(shí)更替，同時(shí)浪費(fèi)大量紙張用于打印宣傳信息，在市場上不具備強(qiáng)大的競爭力。即使有電子宣傳欄的存在，由于宣傳欄的顯示屏過大，需要24 h 維持供電，電力消耗巨大，同時(shí)需要匹配相應(yīng)的工人進(jìn)行定期的清潔，不滿足低耗節(jié)能的基本原則。新型太陽能電子信息宣傳欄克服了以上兩個(gè)缺點(diǎn)，不僅無需進(jìn)行紙張?zhí)鎿Q，而且減少了電能的消耗以及實(shí)現(xiàn)了宣傳欄自動(dòng)清潔，符合低碳生活的標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品本身在市場中更加具有競爭力。

5 結(jié)束語

本文通過分析新型太陽能電子信息宣傳欄的工作原理，提出了將太陽能與電子宣傳欄相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。通過利用太陽能進(jìn)行電能的供給，并設(shè)計(jì)自動(dòng)清潔功能，完成了對(duì)傳統(tǒng)宣傳欄的改進(jìn)，為人們的生活和信息的傳播提供了極大的便利。