基于单片机控制的LED应急灯研究

摘 要本文阐述了 LED 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。关键字：LED ，应急灯，单片机The Control System for LED Emergency light Based onSinglechip MicrocomputerAbstractThe paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for LED 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: LED, Emergency light, SingleChip Microcomputer目 录1 绪论 .12 传统应急灯的分析 .12.1 传统应急灯的结构和使用中的不足 .12.2 原因分析及改进方法 .23 设计方案的研究 .33.1 系统设计分析 .33.2 系统设计要点与结构 .43.3 系统的特点与功能要求 .54 应急光源与电源的选择 .64.1 传统应急灯光源 .64.2 LED 照明光源 发展 .64.3 LED 优点 .74.4 蓄电池选择 .75 硬件功能电路分析与设计 .85.1 中央处理单元电路设计 .95.2 市电及电源转换电路 .115.2.1 蓄电池充电电路 .115.2.2 中央处理单元电源电路 .135.3 应急检测电路 .145.4 电池保护电路 .155.4.1 定期放电电路 .155.4.2 防过放保护电路 .155.5 LED 光源 组合及驱动电 路 .176 软件系统设计 .197 结束语 .19致谢 .20参考文献 .21附录 1 整体电路图 .22附录 2 程序 .2311 绪论消防应急照明和疏散指示标志作为建筑内发生火灾时给现场人员提供疏散照明和指示的消防设施，已被广泛安装使用在各类建筑中，成为建筑消防系统不可缺少的重要组成部分, 其性能好坏直接关系到该 建筑中人员的生命安全。近年来，各界人士都认识到了消防 应急照明和疏散指示的重要性，消防应急灯具也得到了很大的发展。集中电源型消防应急灯具主要由集中应急电源和消防应急灯具组成。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，大功率 LED 光源功效已经达到 80 lm/W ，用 LED 照明灯进行照明节能改造成 为可能。LED 的光效和大功率集成技术都有了很大的提高，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。基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、 电力、 电子、智能楼宇等行业，微型 计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。本课题研究基于单片机控制的 LED 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。2 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。2.1 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。一2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，AC DC 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。2.2 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交流变压器整流滤波状态显示充电电路控制电路光源3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 断电 光线昏暗实现办法 检测 光控是否可行 可行 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 。13 设计方案的研究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。3.1 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4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 。123.2 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，画出详细电路图， 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 。13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。其硬件电路只是系统的 实施工具， 软件程序是系 统的灵魂，是 负责完成硬件5电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。电路图如图 2所示：图 2 系统结构框图3.3 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。在充中央处理单元中央控制单元光源及控制电路显示检测电路应急判断电路电源电路应急灯电源电路6电时候具有指示功能。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。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。4.2 LED 照明光源 发展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7LED，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 。104.3 LED 优点（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。4.4 蓄电池选择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、 。HA2传统应急灯光源：12V、5W 白炽灯。应急时间：90min。电池：12V、 。灯电流： AUPI42.015实际点亮时间 hH8.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8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V4.12.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。5 硬件功能电路分析与设计按照应急灯实际工作中的作用，硬件电路如附录 1 所示，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。 电路如 图 3 所示。9图 3 总体设计框图5.1 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。中央处理单元LED应急灯光源市电检测电路应急灯控制电路试验检测电路光控电路市电及电源应急灯电源充、放电电路指示电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-May-2009 Sheet of File: F:业业业业业业业业业业.Ddb Drawn By:6MHz33PF 33PF5V1RST/VPP2p3.0(RXD)3p3.1(TXD)4XTAL25XTAL16p3.27p3.38p3.49p3.510GND 11 p3.712 p1.013 p1.114 p1.215 p1.316 p1.417 p1.518 p1.619 p1.720 VCC5V22uFS1R1 200R210kAT89C20511KS2C1 C2C3R310图 4 中央处理电路AT89C2051 芯片介绍：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。其管脚图如图 5 所示。图 5 AT89C2051 管脚图（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；*全静态工作：0Hz-24KHz；*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：VCC：电源电压 +5V。GND：接地端。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AT89C20512134591087611121314151617181920RST/VPP(RXD)P3.0(TXD)P3.1XTAL2XTAL1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.711LED。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 2 所示：表 2 P3 口的特殊功能端口引脚 功能特征P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（并行输入口）P3.2 0INT(外部中断 0)P3.3 1（外部中断 1）P3.4 T0（定时/计数 0 外部输入）P3.5 T1(定时/计数 1 外部输入）5.2 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。5.2.1 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 6 所示。（1）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，12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。1234 C10132LM317R13 1R12 100R11240RP23K12V业业业C11100uFV6T1220/15V220 V1-V4IN4007 X 4NPNV5470uFAB12VK1图 6 蓄电池充电电路主要设计计算：（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： （1）VRU25.10可得： （2）23540).3()25.1(0R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VUa30Va5.174.3因为 ，所以 ，因此 变压器次级电压取标准值 15V。2.1Ua6.142当 220交流电受影响波动10时：即 9.052(3)(4)Voa 7.25.132.6LM317 仍可工作在稳压状态。当 220V 上浮 10时：max15.219.8UV， 小于 LM371 最高允许输入电压 30V。maxU90513(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 。WAVP36.0.6.0（2）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。5.2.2 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 7 所示 。141237 8 0 5IN OUTGNDC42 0 0 0 u F C50 .1 u FC64 7 u FC70 .1 u FR32 KLED+5 V1 2 V14图 7 中央处理单元供电电路5.3 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。图 8 应急监测电路电阻 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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-May-2009 Sheet of File: F:业业业业业业业业业业业.Ddb Drawn By:901312VR45.1KLEDP1.5业业业业业R5100KR6100KR718KC80.33uFRgGND15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。5.4 电池保护电路蓄电池在使用过程中形成不可逆硫酸盐化，成为导电性能差、难以溶解、充电时难以恢复的硫酸铅结晶，即通常所说的不可逆盐化，导致电池失效。 统计表明，绝大多数电池的失效都是由于电池的过放电导致电极活性物质的不可逆硫酸盐化造成的。防过放电路的作用是防止蓄电池深度的放电，导致蓄电池的使用寿命缩短，增加系统的维护 成本。5.4.1 定期放电电路在现实的生活当中，市电并不会经常地断开，因此 应急灯可能在一段长时间内用不到，但是我们已经把蓄 电池充满，在需要 时点亮 应急灯， 经研究发现电池定期进行一次放电，有利于活化电池，可以略微提升电池的容量。 这部分电路主要是通过单片机 AT89C2051 内部程序计时，设定时间为一个月，如果中间出现断电应急现象，则重新开始 计时，否 则计时时间一到就 输出控制信号接通放电回路。电路如 图 9 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-May-2009 Sheet of File: F:业业业业业业业业业业.Ddb Drawn By:R92.2KLEDRf60P1.75V 12VQ38550K1V6K1图 9 定期放电电路5.4.2 防过放保护电路R8、RP1、C9、ZD1 和 LM308 组成充电电池过放电压检测和控制电路。当 电池过度放电，端电压下降至允 许值下限时，灯自 动关 闭，防止 电池因深度放电而损坏。电 路如图 10 所示。12V 铅酸电池，放电电压不能低于 10.8V，检测的原理16是：首先给 RP1 设定一个 过放电压比较值， 电压比较器的两个管脚采集到电压。当蓄电池放电电压使其端电压大于预先设定的过放电压值时，集成运放 LM308的 3 脚电位高于 2 脚电位，6 脚输出高电平，如果蓄电池放电电压使其端电压低于预先设定的过放电压值时，集成运放 LM308 的 3 脚电位低于 2 脚电位，6 脚输出低电平，集成运放 LM308 的第 6 脚接单片机 AT89C2051 的 p1.4 口，给单片机送一个低电平信号，通过内部程序控制放电电路断开。过放电压比较值为 (5)则 RP1 的过 放值 为 (6) pR1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 21-May-2009 Sheet of File: F:业业业业业业业业业业业.Ddb Drawn By:C910uFR86.2KRP110KZD16.2VP1.412VLM308732 46PNPR81K5VU1GNDP1.312VR9200KLEDRf100图 10 防过放保护电路（1）LM308 稳压块介绍：LM308 是精密运算放大器，对非稳压电源有足够电源抑制，其工作温度范围 0 +70 C，它在 10M 欧电源阻抗下工作误差比在 10K 欧电源阻抗下工作小，积分器漂移小于 500uV/秒，采用不大于