电子信息工程专业毕业论文应急灯系统设计

目 录英文摘要、关键词英文摘要、关键词引言第一章 传统应急灯的分析1.1 传统应急灯的结构和使用中的不足1.2 原因分析及改进方法第二章 系统设计方案2. 1 系统设计分析2. 2 系统设计要点与结构2. 3 系统的特点与功能要求 2. 4 应急光源与电源的选择2.4.1 传统应急灯光源2.4.2 新型照明光源（LED）发展及优点2.4.3 蓄电池选择第三章 系统硬件设计3.1 中央处理单元电路设计3.2 市电及电源转换电路 3.2.1 中央处理单元电源电路 3.2.2 蓄电池充电电路 3.3 应急检测电路 3.4 LED光源组合及驱动电路 3.5 电池保护电路 3.5.1 定期放电电路 3.5.2 防过放保护电路第四章 程序设计与实现 4.1 编程软件keil 4.2 应急灯程序设计结 论致 谢参考文献附 录摘 要消防应急疏散照明技术是一项受到各国重视、有多年发展历史和涉及建筑火灾时保证人员生命安全的重要救生疏散技术。消防应急灯具包括照明和标志灯具两类。近年来，随着照明技术的迅速发展，高大而复杂的智能建筑日益增多，消防应急照明法规和标准不断健全和完善，消防应急灯具产品品种不断增多，性能不断改进，技术水平有很大提高，得到了广泛的应用和发展。欧美等国消防应急疏散照明技术发展较早、较快，处于领先地位，我国虽起步晚，但发展也很快。 本文阐述了应急灯采用单片机控制的设计原理与实现方法。先分析应急灯技术概况，提出采用LED照明的优点，该照明控制系统的主控制器以AT89C2051单片机为基础。根据相关技术规范的要求，在完成传统应急灯基本控制要求的基础上，完善电路的控制要求，增加辅助控制功能，提高电路的可控性和可视性。主控制器在接收到外部电路送来的信号后，发出命令控制应急灯实现开启、关闭、定时放电控制等功能。关键词：应急灯 单片机 The Design of Emergency Light SystemAbstractFire emergency evacuation lighting technology is a technology that by all countries attention, have many years of development history and involve building fire safety of life when the important guarantee personnel evacuation technology lifesaving. Fire emergency luminaries including lighting and mark lamps and lanterns two kinds. In recent years, with the rapid development of lighting technology, tall and complicated intelligent building, fire emergency lighting is increasing continuously regulations and standards, and perfect. Fire emergency luminaries product variety has increased, performance improvement, technical level has greatly improved, obtained the widespread application and development. European countries fire emergency evacuation lighting technology development more early, quickly, in a leading position, though late start, but in China is expanding rapidly. The paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for Emergency light by Single-Chip Microcomputer. Analyzes the emergency light technology survey first, proposed that uses the LED illumination the merit, The host controller of the control system for lighting is based on AT89C2051 Single-Chip Microcomputer。According to the correlation technique standards request, in completes the traditional emergency light basic control request in the foundation, the perfect electric circuits control request, increases the secondary control function. Enhances electric circuits controllability and the viewability. The master-control unit after receiving the signal which exterior electric circuit sends, sends out the command control emergency light to realize opening, the closure, functions and so on timed electric discharge control. Key words: Emergency light, SingleChip Microcomputer引 言 消防应急灯具有火灾时人员疏散和展开灭火战斗的必备设施，近几年许多火灾实力证明，现代建筑火灾造成严重的人员伤亡事故，其原因固然是多方面的，但与消防应急灯具的合理设计也有密切关系。因为火灾时需要及时切断起火部位所在防火分区域或楼房的非消防电源，若未配置应急灯具，人群在惊恐之中必然更加混乱，加上火灾高温，有毒烟气的影响，更易引起人员伤亡。我国的建筑设计防火规范（下称“建规”），高层民用建筑设计防火规范（下称“高规”）等国家标准对消防应急灯具的设置作出了明确规定，使消防应急灯具的设计有了一定的依据。现国家标准GB17945 2000消防应急灯具的实施将使我国消防应急灯产品标准达到世界领先水平，但在工程设计，安装，验收和使用阶段尚无相应的标准或规范要求，致使应急灯具产品的性能在这些环节无法得到保证。这就要求我们分析我们遇到的消防应急灯存在的主要问题，并结合GB17945-2000标准，选用合适的应急灯类型，选型和供电设计。近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更多、更高的要求，使照明控制系统具有了节能、方便、智能等作用，并能改善环境，实现高效照明效果，提高管理水平。当今节约能源排在首位，而各种照明约占整个用电量的绝大部分，与人们生产生活密切相关。因此需要大量各种节能灯具相配套，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、节能，长寿命的LED灯逐渐走入人们的视野。目前，LED 照明技术日趋成熟，LED已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。单片机因为其性能十分稳定、适应能力强，并且开发价格低廉、门槛低，非常适用于工业控制中。本课题研究应急灯，它被设计为：在白天用户主动关闭室内照明灯后，即使市电中断应急灯也不会点亮。夜间，一旦市电中断，失去照明，应急灯立即点亮，电路能自动检测断电前后室内的照明情况，并判断是否有启动应急灯照明的需要。第一章 传统应急灯的分析如果在夜晚遇到突然停电。而且是在人员密集的高层建筑，特别是由于突发意外原因引起的停电如：地震、火灾。会使人员的疏散造成很大的困难。这时如果有一盏应急灯来照明，会给人员的疏散带来很大的方便。首先介绍一下传统的应急照明灯。1.1 传统应急灯的结构和使用中的不足目前，在普通住宅、高层住宅和工业建筑中等使用的应急灯多数是采用断电启用式，基本实现的功能是：外部电源供电状态下蓄电池充电，灯不亮。外部电源断电蓄电池放电，灯亮照明。根据消防系统工程和行业标准的具体技术要求。一般消防应急灯具由灯体、光源、后备电池以及控制电路组成。基本结构如图1所示。图1 传统应急灯框图从目前消防应急灯具的实际应用的情况上看，ACDC电路，一般均采用的是线性整流滤波电路也即线性ACDC 电路，其优点是成本低、技术成熟，缺点是该电路受市电电网波动影响，经常影响消防应急灯具的正常工作。降低了消防应急灯具的可靠性。对于充电电路。应按可充电电池的类型分别进行合理的充电，依据其工作原理，对于铅酸电池，可进行浮充或循环充电；镍镉电池应以恒流、恒压或恒压恒流方式充电，并有小电流充电和控制能力。电池充电电路上的发展方向是脉冲充电方式或PWM方式。电池的保护电路实现方式很多，目前多以分立元件实现，可靠性差、工艺性不好，集成电路的应用是较好解决这一问题的方法。逆变电路与负载类别有关，即不同的光源要求不同的逆变机理和电路。在消防应急灯具中，逆变电路不仅仅是将直流信号转变成交变信号，也担负着应急状态转换、功率损耗，正确和合理地设计逆变电路是消防应急灯具设计中关键技术之一。这种类型结构的应急灯，通过在长期的使用过程中观察，实际上存在以下的不足和缺点。一是消耗电能大，使用寿命不够长。二是控制电路过于简单，功能不够强大。三维修费用高，传统应急灯易损部件是蓄电池和照明灯泡。1.2 原因分析及改进方法应急灯寿命短和维修费用高的两大致命缺陷，分析其根本原因主要来自三方面：一是蓄电池本身的使用寿命基本决定了应急灯的寿命，蓄电池的性能并未达到我们预想的要求。二是传统的应急灯采用白炽灯作为光源，光源的亮度不够而且消耗电能大。三是电路过于简单，只要外部电源断电的情况下蓄电池放电，灯亮照明，如果在白天光线强的情况下，应急灯是不需要工作的，实际上这是无谓的放电。综合以上三方面的原因，如果只考虑第一和第二方面，改进思路比较简单无非是改变一下电池和照明光源。但如果在兼顾第三那方面则必须系统地分析，综合考虑应急灯的改进思路，重点是改进应急灯的电路结构，考虑采用新的控制方法，完善其性能。解决应急灯外部电源断电就开始工作，即无谓的放电的问题，也就是说要考虑应急灯需要具备哪些性能才不会出现外部电源断电就开始无谓的放电现象。只有在满足一定条件时才会实现灯亮照明。如图表1所示。表1 改进方案同时满足的条件 实现办法是否可行断电检测可行光线昏暗光控可行光源的选择：为了提高传统应急灯照明光源的寿命和降低电耗，我们可以采用LED节能光源作为应急灯的光源，因为其有许多优势：耗电量仅为一般灯泡的20%；体积小，占用空间小；寿命长，是一般灯泡的几倍。采用LED作为光源后，不仅降低了应急灯的成本，而且有效的提高了发光的强度。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。广泛用在在各种控制电路中用来完善电路的控制功能。对传统应急灯控制电路的改进。首先要根据有关消防行业的技术规范，其次对应急灯控制电路进行分析改进，完善各种控制要求，增加一些辅助控制功能，增强其控制性。对于控制电路我们采用单片机作为主要控制单元，并设计其外围控制电路，使电路能够满足断电、光线昏暗时应急照明的基本要求 。第二章 系统设计方案针对传统应急灯在使用中的不足，根据分析得出的结论。合理的选择设计方案，完善电路的控制要求，使电路能够尽可能的满足各方面的需要。2.1 系统设计分析该应急灯电路应该在传统应急灯电路的基础上进行改进，不仅能够完成最基本的控制功能，而且增加一些辅助功能，使电路更加完善；同时采用节能、环保、效率高的新型发光材料代替传统光源。首先在应急灯光源的选择上，近年来出现的高亮发光二极管(LED)，由于具有体积小、寿命长、耗电量少、发热量低、无交流闪烁、启动速度快、电磁干扰小、光线自然纯正等诸多优点，已被广泛应用在照明、交通信号指示、手机屏幕背光、汽车摩托装饰、大尺寸平面显示等领域。利用高亮白光LED制作的照明灯具，摒弃了传统白炽灯泡的耗电多、亮度低、色偏黄、易破碎等缺点，并且不像荧光灯废弃后会对环境造成汞污染，其日益成为人们首选的照明灯饰新宠。其次分析传统应急灯控制功能，改用单片机作核心控制元件。单片机接收各种检测信号，推动各个控制电路工作，完成基本功能要求。因单片机功能强大，如果在不增加硬件成本的情况下，可实现更多完善的充电、保护功能。因此可在原有基础上增加辅助控制功能。经过设计应该使电路基本完成：断电时，能够自动根据当时室内的光线强度决定是否需要照明，并且仅在需要照明时点亮。在白天，房间不需照明，即使断电应急灯也不会点亮。在晚间，室内由电灯照明时，断电前光强较大，断电时，灯光熄灭，室内变黑。这种情况下有照明的实际需求，应急灯会自动亮起来。而且，由于电路使用固定电压充电和电池低压放电保护电路，可以防止电池过度充电和深度放电，从而延长蓄电池的寿命 。2.2 系统设计要点与结构系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先根据硬件电路分析所要完成的控制功能，列出详细的计划；然后进行具体设计，包括流程图，选择合适的编程语言和工具；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的是选择用单片机作为中央控制单元，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，使用C语言进行开发，可以使程序逻辑性强，且简单。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。总的来说硬件方面要解决的问题是单片机与外围电路的接口问题，对应急条件做出判断和处理。在软件方面，主程序的编写思维十分重要，程序的结构是否合理会直接影响到程序是否简洁、思维是否清晰、功能是否完整 。系统的结构主要由以下及部分组成：（1）中央处理系统；（2）电源供电系统；（3）LED光源及驱动系统；（4）应急判断系统。这几部分共同完成了中央控制器对应急判断系统的检测和执行，在满足条件时，达到控制LED应急照明灯具的目的。电路图如图2所示：图2 系统结构框图2.3 系统的特点与功能要求国家标准消防应急灯具(GB 179452006)对消防应急灯具的灯具性能有明确要求。主要包括以下几个方面：(1)应该有工作状态指示灯。用于分辨消防应急灯具工作状态是否正常，也用于分辨消防应急具与普通灯具。(2)应该有试验按钮或试验开关。用于试验消防应急灯具能否转换到应急工作状态。(3)灯泡(或灯管)异常(包括规格不同)时，灯具内部元件表面最高温度不超过90 。消防应急灯具也是用电设备。有发生火灾的可能，此要求是用于防止消防应急灯具内部发热而引起火灾。同时，灯泡(或灯管)规格不同， 电池工作的时间和照度也就不同。也就不一定能满足火灾疏散时间要求和照度要求。(4)灯具外壳应选用不燃或难燃材料制造，内部连线宜采用耐温不小于105 的导线，是用于防止消防应急灯具本身引起火灾。根据以上要求，该设计控制系统需要完成以下几个功能：(1)光线充足或市电正常时，应急灯不亮；(2)光线不强，且市电断开时，应急灯亮，且满足一定的时间要求。同时当市电恢复正常后，应急灯熄灭。(3) 应该有工作状态指示灯。用于分辨消防应急灯具工作状态是否正常。(4)能够对电路进行测试功能。用于试验消防应急灯具能否转换到应急工作状态。(5)在长时间（一个月）不断电的情况下能够对充电电池进行放电处理。在充电时候具有指示功能。2.4 应急光源与电源的选择合理的选择选择应急光源不仅有利于提高照明效果，而且可以节约资源，减少对电源的损坏。2.4.1 传统应急灯光源大多数的应急灯发光体采用低压白炽灯，直接采用12V直流供电。缺点是效率低。近年来广泛使用的节能灯（紧凑型荧光灯）耗电省、亮度高。其亮度相当于白炽灯的2-3倍。但需要增加直流逆变部分，成本升高。而且会产生高频电波辐射，对手机、收音机等造成干扰。白炽灯：主要以钨丝作灯丝，因为钨有高熔点及低蒸发率。白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。日光灯：一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光粉以产生白光。传统应急灯使用频率低，时间短，灯的功率不大，所以一般选用普通低压白炽灯。2.4.2 新型照明光源（LED）发展及优点目前所指的新型照明光源是LED，本次毕业设计将采用LED照明光源，下面将对其进行介绍。LED即 Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。现在照明光源已逐渐发展为白光LED。LED技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。LED照明的变革将扩展人们的照明观念，更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及 LED 背光源等市场。LED照明光源的主流将是高亮度白光LED。LED优点如下：(1)发光效率高。LED 经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。LED光效达到50200lm/W。目前，世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。(2)耗电量少，LED 单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18 毫安，反应速度快，可在高频操作。在同等照度下，LED比白炽灯光源节能70%，比荧光灯节能50%。(3)使用寿命长，采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用 LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。(4)安全可靠性强，发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含可能危害健康的物质。(5)有利于环保，LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。 (6)可控制性，由于LED灯可以基本做到瞬间接通发光，通过计算机软件和控制器，可以比较容易地实现LED灯的颜色和图形的各种变化。2.4.3 蓄电池选择蓄电池供电方式应用最多的主要有两种形式：一种是独立式供电，即每个应急灯自带备用蓄电池，正常电源切断时，备用电源自动启用；另一种是集中式供电，应急灯本身不带电源，正常照明电源故障时，由专用集中式应急电源（蓄电池）供电。下面我们对这两种应急供电方式作一些比较。 A、系统可靠性 独立式：这种形式的应急灯每个灯具内部都有变压、稳压、充电、逆变、蓄电池等大量的电子元器件，整个应急照明系统中的电子元器件的数量就更多，这种形式存在着大量的故障隐患。但是自带备用蓄电池式应急灯故障时一般只影响该灯具本身，对整个系统影响不大。 集中式：在这种形式的应急照明系统中，所有灯具内部复杂的电子电路被省掉了，只有集中电源部分有易损的电子元件，而其工作环境较为理想。因此单纯就故障率来讲集中供电式应急照明系统可靠性要高得多。但是集中供电式应急照明系统如电源部分出现故障，将使整个系统受到影响。 B、使用寿命 独立式：这种形式的应急灯的正常电源接自普通照明供电回路中，在使用、检修、故障时电池均需充放电。而且，由于体积及价格的原因，一般灯具中的充放电电路设计都尽可能简单，难以达到较好的技术性能指标。另外，应急灯具大部分时间都处于工作状态，其内部温度比较高，这些都会对蓄电池产生不利的影响，缩短其寿命，从而影响应急灯的使用寿命。 集中式：这种形式的应急照明系统的情况与上述恰恰相反，整个系统采用独立电源，只有在正常照明电源故障时才启用蓄电池，而且由于电源设备只有一套，可以采用较精密的技术来达到保护、控制蓄电池充放电周期等目的。再者，系统电源及蓄电池部分一般放置在专用房间内，易于将环境温度控制在有利于电源和蓄电池工作的范围内，所以集中供电式应急照明系统中的蓄电池寿命大大高于独立式供电应急灯。 C、维护与管理独立式：由于应急灯具分布于建筑物内各处，平时由交流电源供电，即使直流备用电源部分故障，平时也很难发现，而且其内部线路复杂，元器件多，维护工作量很大，若在发生灾害的情况时，由于备用电源部分出了故障未被及时发现，这时应急照明系统就不具备应急功能了。集中式：集中供电式应急照明系统将复杂的电子电路放置在专用的房间内，应急照明灯具与普通的灯具无异，一般电工就能够进行维护。而且，随着现代技术的发展，许多厂家生产的集中式应急电源还自带了自动检测功能，甚至可以通过其自身带有的计算机通讯接口，将信号送到主机，用计算机来进行监视与管理。即使在系统中不设置计算机管理，其自身仍带有监控系统，在电源发生故障或电源将要耗尽时，发出声光报警，从而大大降低了系统维护与管理的工作量。 D、系统价格 独立式：由于每个应急灯具内都有一整套降压、稳压、充电、蓄电池等元器件，所以整个系统的价格较高。 集中式：与上述恰恰相反，由于省去了每个应急灯具内的一整套降压、稳压、充电、蓄电池等元器件，应急灯具可以选用普通灯具，整个系统仅在集中应急电源处设置一套上述装置，如果能充分利用其蓄电池容量，则会大大降低系统的成本。 E、线路敷设 独立式：在每个应急灯具内都带有备用电源（蓄电池），所以对供电线路可以没有特殊的要求，在灾害发生时，供电线路故障并不会影响到备用电源发生作用。 集中式：与上述恰恰相反，由于每个应急灯具内没有备用电源（蓄电池），若灾害发生时，供电线路故障，则会直接影响到应急照明系统的正常运行，所以我们要对其供电线路在敷设时采取必要的防火措施，通常采用的防火措施有以下几种： a.线缆穿钢管保护，并暗敷在非燃烧体结构内，其保护层厚度不小于30mm； b.当必须明敷时，线缆穿钢管保护，并在钢管外面刷防火涂料或采用其他防火措施； c.线路采用防火电缆或耐火电缆、电线。 F、用电管理 由于现在的建筑物功能越来越复杂，所以在一幢建筑物中，经常会有多家单位，这时在楼宇的物业管理中用电计量是一个很重要的方面，这时两种蓄电池供电方式就会带来差别。 独立式：由于应急灯都自带备用电源，常用电源可以从就近的正常照明配电箱中取得，所以很容易将各应急灯具的用电划归于各自的用电单位，不会在计量方面产生麻烦。 集中式：由于整个系统只有一套蓄电池作为备用电源，所有的应急灯具的用电均接自集中式蓄电池装置，所以当一幢建筑物中有多家单位（特别是在同一楼层内有多家单位）时，不可能将应急照明的用电量计入各家单位，虽然其用电量不会太大，但是仍有可能会造成不必要的纠纷。 建筑消防应急疏散照明技术的发展和应用，已得到了世界许多国家的重视，取得了显著的成效。然而，同市场需要和社会、经济发展要求相比，建筑消防应急疏散照明技术的发展还不能完全满足现实和未来需要，有待研究和解决的问题还很多。另外，集中蓄电池供电与自带蓄电池供电两种方式各有自己的优缺点，我们在工程中，应该根据实际情况，具体分析、合理采用，使得在灾害发生时，建筑中的应急照明系统能为减少人员的伤亡、降低财产的损失发挥出它应有的作用。本设计系统使用独立供电式。鉴于此，选用合理的蓄电池。常用的容量较大的可充电电池有：镍-镉电池，镍氢电池，铅酸电池等，免维护密封铅酸蓄电池因其容量大，价格廉价充电技术成熟，维护要求低，而广泛用于便宜式仪器，轮船，电动车，通讯等。故本设计选用小型免维护密封铅酸蓄电池。选标准系列12V 。传统应急灯光源：12V、5W白炽灯。应急时间：不小于90min。电池：12V。本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的充放电更为敏感，因此对充电电路要求高。蓄电池的额定容量C，单位安时(Ah)，它是放电电流安(A)和放电时间小时(h)的乘积。由于对同一个电池采用不同的放电参数所得出的Ah是不同的。实践中，电池容量被定义为：用设定的电流把电池放电至设定的电压所给出的电量。也可以说电池容量是：用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和这个电流的乘积。上述所谓设定的电压是指终止电压(单位V)。终止电压可以简单的理解为：放电时电池电压下降到不至于造成损坏的最低限度值。终止电压值不是固定不变的，它随着放电电流的增大而降低。电池的充电方法常用的有三种：(1)脉冲充电：既简单又经济的方法。变压器次级输出的低压交流整流脉动成直流（不滤波）对电池充电此方法充电电流较大，充电速度快，缺点是当电网电压波动时，充电电流也随之波动容易发生因充电电流大，电池温升高，电解质损失大，从而导致电池损坏的情况，所以这种方法对免维护密封铅酸蓄电池很少采用。(2)恒流充电：为了防止电池内温升太高及电解液的损失太大，充电电流调得比较小，需要充电的时间较长，另一方面，充电时间太长，就会发生过充，为了防止因过充而损坏电池，需另设过充检测或定时电路。(3)恒压充电：理论和实践均证明，当充电电压低于充电电压上限（对12V电池而言，此值为 ）时恒压充电是安全的，即使充电时间很长，也无危险，如果需要，电池还可以工作在浮充状态。市电中断平凡发生的情况是很少的，应急灯对电池充电的速度要求不高。考虑上述因素本设计充电电压取13.5V，略低于工程实用经验值13.8V。大多数应急灯均长期接在市电电源上，电池处于后备充电状态，故选用恒压充电方式。简单，安全。电路采用恒定电压对后备电池充电，不会发生过度充电的问题。第三章 系统硬件设计Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。按照应急灯实际工作中的作用可分为主要的几个部分。以AT89C2051单片机作为整个电路的核心控制单元，通过它控制其他模块来完成各种复杂的操作。利用LED作为该电路应急灯光源，能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。市电检测电路和光控电路用来检测应急场所市电的 状态和应急场所光线的的强弱，来判断是否需要接通应急灯。电源电路采用集成三端稳压器，不仅要完成给蓄电池充电，而且还要提供控制电路的工作电压。增加一些电源指示显示，增强该电路的可观察性。系统结构总图如图3所示： 图3 系统结构总图3.1 中央处理单元电路设计 为了改进传统应急灯采用分立元件设计控制电路，控制电路功能简单，该电路采用单片机AT89C2051作为其核心控制单元，其外围电路有复位电路和时钟电路。复位电路有R1、R2和C1组成；时钟电路有6MHZ晶体、C2和C3组成。按钮开关S2和1K电阻组成一个简单的测试电路，当按下S2，给单片机送一个低电平信号，通过内部程序驱动输出控制继电器，点亮应急灯。中央处理单元用于接收和判断外部电路送来的检测信号，通过内部程序控制，再给相应的控制电路发出执行信号，驱动相应的电路动作。电路图如图4所示。图4 中央处理电路单片机AT89C2051的信息AT89C2051是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。程序保密：89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。软硬件的开发：89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统：（1） 由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。（2） 将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。其管脚图如图5所示。1.主要功能特性：*兼容MCS51指令系统；*2KB可重编程FLASH存储器（1000次）；*2.7-6V电压范围；当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C2051工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统；*全静态工作：0Hz-24KHz；,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。*128*8位内部RAM；*15条可编程I/O线； *两个16位定时器/计数器；*6个中断源，两个外部中断源；*可编程串行通道；*高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）； *直接驱动LED的输出端口；*低功耗空闲和掉电模式；2.AT89C2051引脚功能说明： 图5 AT89C2051 管脚图P1口：P1口是一组8位双向I/O接口，P1.2-P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻。P1口输出缓冲器可吸收20mA的电流并可直接驱动LED。P3口：P3口的P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O接口。P3.6没有引出，它作为一个通用的I/O口，但是不可访问。可作为固定输入的片内比较器的输出信号。当P3口写入1时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。RST：复位输出。XTAL1：振荡器的反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。P3口的特殊功能如表3所示：表3 P3口的特殊功能端口引脚功能特征P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（并行输入口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时/计数0外部输入）P3.5T1(定时/计数1外部输入）3.AT89C2051内部 I/O控制89C2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性：5路2级优待中断，串等口，2路定时器/计数器。3.2 市电及电源转换电路 该电路的主要有两部分电路组成，分别是蓄电池充电电路和中央处理单元的电源电路。把交流220V电压经过变压器降压，再经整流滤波后，通过稳压电路给12V蓄电池充电，该电压不仅要作为应急灯的电源，而且还要为中央控制单元供电。3.2.1 中央处理单元电源电路 中央处理单元电源电路主要有三端稳压器WL7805组成。220V交流电经变压器降压后，在通过整流滤波稳压，给12V蓄电池进行充电。12V蓄电池不仅要作为LED应急灯的驱动电源，同时12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。在220V交流市电断开后，直流5V仍然给单片机控制电路供电，使电路完成相应的操作。电容C5用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡。同样电容C6为滤波电容，C7为高频旁路电容，用于消除输出电压中的高频噪声。R1为限流电阻，LED为5V电源指示灯，可以观察控制电路的供电是否正常。电路图如图6所示 图6 中央处理单元供电电路3.2.2 蓄电池充电电路 对蓄电池的充电方法有很多种，经过前面的分析，我们知道恒压充电对蓄电池有很大的好处，因此蓄电池的充电电路我们采用恒压充电来设计。该电路主要有电源变压器T1、桥式整流滤波电路和集成三端稳压器LM317组成。电池充电电路如图7所示。原理分析：220V交流电经变压器T1降压，变为交流15V，V1V4组成桥式整流器，交流电经整流后变成单向脉动直流电，再经过C10进行滤波，滤除其中的交流成分。LM317为三端可调正稳压器。由电位器RP2将输出调整至13.5V，R13，R12与三极管组成限流电路。当蓄电池充电电流Io小于限定值时，T截止：当Io大于限制值时，T导通，Uo下降, Io也下降。V6为防反充。主要设计计算：(1)根据WL317的使用说明，稳压器的输出端和调整端之间的电压是非常稳定的电压，其值为1.25V。电阻R11一般取240。Uo按使用要求为13.5V，它主要是由调电阻Rp2决定。有公式： 可得： 其中是可调电阻Rp2和R12等综合作用后的等效电阻，其值略小于可调电阻Rp2，所以选择Rp = 3K。(2)为保证LM317正常工作，取因为，所以，因此变压器次级电压取标准值15V。当220交流电受影响波动10时：即 LM317仍可工作在稳压状态。当220V上浮10时：，小于LM371最高允许输入电压30V。 图7 蓄电池充电电路(3)限流部分元件设计三极管选用9013，导通阀值0.50.7 V限流值为0.6A；故R13应选用1，R13的耗散功率为 LM317三端稳压器介绍：LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。(1)特性简介：可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。(2)电压范围：1.25V 至 37V 连续可调。(3)LM317工作原理：LM317的输入最高电压为30多伏，输出电压1.5-32V。电流1.5A。不过在用的时候要注意功耗问题，注意散热问题。LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容。3.3 应急检测电路该电路的功能是在应急场合当满足应急要求时（220V交流市电断开且应急场所光线变暗），通过应急检测电路检测到信号，该信号必须是在两个应急条同时满足时才会产生，将信号传送到中央控制单元，然后经控制单元内部程序发出控制信号，驱动外围电路使应急灯点亮。应急监测电路有两部分组成，一个是市电检测电路（市电显示电路），另一个是光控检测电路。任何一个条件满足时都不会点亮应急灯。只有同时满足这两个条件时，中央处理单元才会给外围电路发出控制信号，驱动应急灯点亮。这部分电路不仅要有硬件电路，同时还需要软件辅助完成。电路图如图8所示。电阻R4和LED灯接在整流滤波电路之后，其作用主要是：当市电正常时，LED发光，可以用作电源指示灯判断市电是否正常。当市电正常时LED发光，无论应急场所的光线强弱与否（无论白天还是晚上）光敏电阻Rg均呈低阻状态，三极管9013截止，给单片机AT89C2051的P1.5口，送高电平，通过内部程序控制，使应急灯不亮。当市电断开，我们可以通过LED指示灯熄灭来判断，但是如果应急场所光线比较强时，应急场所不需要应急，光敏电阻Rg仍呈低阻状态，控制电路使应急灯不亮。但是当市电断开且应急场所光线变弱时，光敏电阻Rg的阻值将会变大，呈高阻状态，此时三极管9013导通，给单片机AT89C2051的P1.5口送低电平，通过内部程序控制，使应急灯点亮。为提高光敏电阻的灵敏度，将LED指示灯选用白光或无色的发光二极管，光敏电阻Rg选择MG45型光敏电阻。为了能让光敏电阻充分感受到电网指示灯的光线，应尽量使指示灯LED靠近光敏电阻Rg。 图8 应急检测电路3.4 LED光源组合及驱动电路