消防应急照明灯设计

/消防应急照明灯设计（B题）参赛成员：袁孝杰2015300217陈梦南2015305600韩妞妞20153020672017年5月12日摘要伴随城市化快速发展，消防平安已成为公众关切的交点，消防应急照明灯在发生特殊险情中起着至关重要的作用。本文针对应急灯的特殊要求和运用场合，利用LED光源相比的传统光源具有寿命长、固体照明不易损坏、高光效、无汞环保、抗震的特性下，采纳桥式整流和电容滤波，将沟通整为直流，利用BJT输入输出特性，限制电路通断，利用单片机检测电池状态，实时检测反馈电池电量，并在低电量时做出报警，利用PWM对LED负载的状态，进行信号采样和限制，最终设计出高效牢靠的电路。

目录摘要 1目录 2引言 31.蓄电池的充放电设计 31.1整流和滤波 31.2PWM原理 42.51瓦LED灯珠驱动电路部分设计 42.1串联连接 42.2恒流驱动 53.LED的电学特性 54.具有蓄电池剩余电量检测、显示功能，警报功能 64.1电量的检测 64.2电量的转换 64.3电量的显示 65.电池自动定期维护管理功能 76.测试 77.结论 8附录一：电路原理图 9附录二：程序框图 10消防应急照明灯设计引言：消防应急照明灯，适用于消防应急照明，是消防应急中最为普遍的一种移动照明灯，应急时间长，高亮度具有断电自动应急功能。消防应急照明灯具有耗电小、亮度高、运用寿命长等特点，边上设计有电源开关和指示灯，设计运用的应急照明系统以自带电源独立限制型为主，正常电源接一般照明供电回路中，平常对应急灯蓄电池充电，当正常电源切断时，备用电源（蓄电池）自动供电。消防应急照明灯内设计有变压、稳压、充电、逆变、蓄电池等大量的电子元器件，应急灯在运用、检修、故障时电池均需充放电。1.蓄电池的充放电设计方案：对于LED电路，我们须要用直流电路来驱动，因而采纳桥式整流和滤波电路的处理思路，为蓄电池充放电。1.1整流和滤波电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。本电路驱动LED须要直流驱动。而桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。滤波电路中当流过电感的电流改变时，电感线圈中产生的感应电动势将阻挡电流的改变。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势和电流方向相反，阻挡电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势和电流方向相同，阻挡电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。另外电容滤波电路适用于小电流负载，且外特性比较软，电源整流电路中，用来滤除沟通成分。使输出的直流更平滑。1.2PWM原理PWM即脉冲宽度调制，利用脉冲限制开关电路的开关时间，可以限制电路输出的平均电压或电流从而达到限制电路的输出功率。PWM开关稳压或恒流的基本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生改变的状况下，在固定工作频率下限制电路通过被控信号和基准信号的差值进行闭环反馈，调整主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于限制器件功耗小，工作在开关状态中的电路效率高，所以电源效率一般可以做到80%~90%。该类电路都有完善的爱护措施，属高牢靠性电源。PWM开关电路由4部分组成，即输入整流滤波、PWM限制、开关器件和输出滤波。依据PWM方式开关电路设计的LED驱动电路框图为：2.51瓦LED灯珠驱动电路部分设计方案：串联连接，恒流驱动2.1串联连接LED串联连接方式的特点是总压降等于全部LED压降之和，每颗LED电流相等。由于各串联LED工作电流相等，每颗LED的光通量输出和寿命具有良好的一样性。但是在光通量要求比较高而且LED驱动电流已经限定的状况下，须要较多颗数的LED串联，因此LED串连的压降比较高，对于元件额定电压的选择，以及安规设计有比较高的要求。另外由于每颗LED正向导通压降的不同（特殊是不同电压Bin的状况下）简洁造成不同批次或同一批次不同LED负载电压公差比较大，特殊是相对于同样流明输出的LED并联状况下LED负载改变范围比较宽。在恒流精度要求比较高的状况下要求驱动电路有比较好的负载调整率。LED串联运用并在恒流驱动条件下，当其中一颗或几颗短路时，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一颗或几颗LED开路状况下，其它LED将无法点亮。如图所示：2.2恒流驱动电路输出的电流是基本恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在肯定范围内改变的驱动电路。恒流驱动是比较志向的LED驱动方式。常用的恒流驱动电路可分为线性LED恒流驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。对于线性恒流LED恒流驱动电路，其具备电路简洁，成本较低的特点。由于不须要电感，高频变压器，电解电容等元件，大大降低了电路成本和提高了EMI特性，延长了LED驱动器的运用寿命。开关模式LED恒流驱动电路，比较起线性恒流驱动电路，具有高效率，高恒流精度的特点。依据不同输入输出条件可敏捷选择升压，降压，升降压等拓朴结构。开关模式LED恒流驱动电路应用领域广泛。但开关模式的LED恒流驱动电路相对困难，成本较高。3.LED的电学特性白光LED的I-V特性和一般二极管类似，只是开启电压不同，不同材料制备的LED开启电压一般在1.5~3.0V之间。处于正向工作区时，工作电流和呈指数关系.式中，为反向饱和电流；为二极管两端的外加电压；q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度。LED可长期稳定工作时的直流电流，称为额定工作电流，此时LED压降称为额定电压。1W的白光LED，其额定工作电流350mA，额定电压3.3V。允许加在LED两端正向电压和流经LED电流之积的最大值为其极限功耗，当实际功耗超过该值时，LED发光特性变差，严峻时会使LED产生结构破坏。由LED的I-V特性得知，当加在LED两端的电压稍有波动，都会引起电流的猛烈改变，此时很简洁使电流过大，输入功率超过其极限功耗，从而对LED造成不行复原的损坏。当LED工作电流值不同时，其发光强度也不同，若采纳恒压驱动，则LED阵列应采纳并联方式连接，但是由于LED个体之间的参数误差，会导致各支路的电流不同，致使整列发光强度不匀称，因此LED的驱动电路一般选择恒流驱动模式，相应的LED阵列亦采纳串联方式连接，驱动电流一般设为LED额定电流的70%~85%，以爱护LED，达到延长运用寿命的目的，同时也使每个LED的发光强度匀称一样。4.具有蓄电池剩余电量检测、显示功能，警报功能方案：单片机限制，反馈设置，显示报警当要检测一个电池的电量时，并不能干脆测量电池两端的端电压，但是我们可以通过检测蓄电池组充放电回路的电流量，来达到检测电池组电量的目的。实行方案为：在蓄电池组充放电回路中串接一个阻值很小的电阻，其上必有压降。当充电时，电压值为负；放电时，电压值为止。这一电压值可以作为后接运放LM321的一路输入电压，经过运算电路处理后接入HT46R22单片机的A/D转换引脚，从而将模拟电压量转换为数字电压量，在数字电压量经过肯定处理后，再驱动LED灯来显示蓄电池组电量的大小要实现电池组电量的采集以及显示，并且须要通过HT46R22单片机来实现电压的模拟量到数字量的转换。整个系统共分三个部分：电量的检测，电量的转换，电量的显示。4.1电量的检测当要检测一个电池的电量时，并不能干脆测量电池两端的端电压，但是我们可以通过检测蓄电池组充放电回路的电流量，来达到检测电池组电量的目的。所以我们在蓄电池组充放电同路中串一个阻值很小的电阻，其上必有压降。当充电时，电压值为负；放电时，电压值为正。这个电压值干脆作为后接电路的一个输入电压，经过特定的运算处理后，可以较显著地说明充放电状态及电量的凹凸。4.2电量的转换由四个电阻及一个运放LM321组成了一个运算电路，这个电路总共有两个输入电压，一个是上述电阻上的压降，另—个是经稳压器处理后输出5V正电压。按下式运算：运算后，输出电压干脆接入单片机HT46R22的A/D转换接口，A/D转换接121将输入的模拟电压量转换为数字电压量以便于驱动LED灯加以显示。至此，完成了电量的转换。4.3电量的显示HT46R22单片机有四个PA口分别接入四个LED灯用以电量显示，在采集的模拟电压量转换为数字电压量后，通过单片机限制干脆驱动LED灯，从而完成电量的显示.此外，蓄电池组经过稳压器处理后，还可为运放LM321，单片机以及LED显示部分供应+5V的正向电压。而且，单片机还可以通过一个PA口来限制外接的电子开关，由用户编程来限制同相加法电路的电源供应，从而实现低功耗的目的。运算电路图5.电池自动定期维护管理功能方案：依据单片机检测电池的状态状况，日常进行状态维护，对蓄电池应定期进行补充充电，防止过充或长时间在高温环境中运行。对蓄电池组的状态、总电压、充放电电流、温度、各单节电池电压、剩余容量、可持续时间的参数进行全面监测并设定报警门限。当电池欠压或输出电流过小时，单片机的指示灯会亮起，提示检测或更换电池。6.测试选用器件：最终依据电路设计须要和产品好用性和成本考虑，选用1.2V，1300mAh的镍镉充电电池。具有快速充放电，输出电流稳定，易于更换的特性。常见PWM开关限制信号产生部分大都实现了集成化，更加精简PWM开关电源的设计，利用芯片HV9910B设计适用于大功率LED的典型PWM方式开关驱动电路。单片机运用HT46R22型单片机。实际测试：当市电正常时，220V沟通电经变压器整流为6V,经VD1-VD4整流，C滤波后，直流电一路经VD5、R4限流，给电池G充电。另一路经R1，R2分压，使VT1饱和，VT2基极高电位，VT2、VT3截止，电路开路。当停电时，变压器失电，VT1失电截止，VD5反偏，电源经过VT3，VT2，R3构成回路，VT2，VT3导通，构成回路。VD5同时起防止电池S向电路反送电作用。设计电路时参考芯片的运用手册和详细电路要求可以确定芯片的外围器件参数，首先必需确定电路的工作频率。一般在市电供电条件下，频率选择在25150kHz。开关频率选50kHz。L