消防應(yīng)急照明燈設(shè)計(jì)

1、2017年安徽理工大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽消防應(yīng)急照明燈設(shè)計(jì)（B題）參賽成員：袁孝杰 2015300217陳夢(mèng)南 2015305600 韓妞妞 20153020672017年5月12日摘 要伴隨城市化迅速發(fā)展，消防安全已成為公眾關(guān)心的交點(diǎn)，消防應(yīng)急照明燈在發(fā)生特殊險(xiǎn)情中起著至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)應(yīng)急燈的特殊要求和使用場(chǎng)合，利用LED光源相比的傳統(tǒng)光源具有壽命長(zhǎng)、固體照明不易損壞、高光效、無(wú)汞環(huán)保、抗震的特性下，采用橋式整流和電容濾波，將交流整為直流，利用BJT輸入輸出特性，控制電路通斷，利用單片機(jī)檢測(cè)電池狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋電池電量，并在低電量時(shí)做出報(bào)警，利用PWM對(duì)LED負(fù)載的狀態(tài)，進(jìn)行信號(hào)采樣和

2、控制，最終設(shè)計(jì)出高效可靠的電路。目 錄摘 要1目 錄2引言31.蓄電池的充放電設(shè)計(jì)31.1整流和濾波31.2PWM原理42.51瓦LED燈珠驅(qū)動(dòng)電路部分設(shè)計(jì)42.1串聯(lián)連接42.2恒流驅(qū)動(dòng)53.LED的電學(xué)特性54.具有蓄電池剩余電量檢測(cè)、顯示功能，警報(bào)功能64.1電量的檢測(cè)64.2電量的轉(zhuǎn)換64.3電量的顯示65.電池自動(dòng)定期維護(hù)管理功能76.測(cè)試77.結(jié)論8附錄一：電路原理圖9附錄二：程序框圖10消防應(yīng)急照明燈設(shè)計(jì)引言：消防應(yīng)急照明燈，適用于消防應(yīng)急照明，是消防應(yīng)急中最為普遍的一種移動(dòng)照明燈，應(yīng)急時(shí)間長(zhǎng)，高亮度具有斷電自動(dòng)應(yīng)急功能。消防應(yīng)急照明燈具有耗電小、亮度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，邊上設(shè)

3、計(jì)有電源開關(guān)和指示燈，設(shè)計(jì)使用的應(yīng)急照明系統(tǒng)以自帶電源獨(dú)立控制型為主，正常電源接普通照明供電回路中，平時(shí)對(duì)應(yīng)急燈蓄電池充電，當(dāng)正常電源切斷時(shí)，備用電源（蓄電池）自動(dòng)供電。消防應(yīng)急照明燈內(nèi)設(shè)計(jì)有變壓、穩(wěn)壓、充電、逆變、蓄電池等大量的電子元器件，應(yīng)急燈在使用、檢修、故障時(shí)電池均需充放電。1.蓄電池的充放電設(shè)計(jì)方案：對(duì)于LED電路，我們需要用直流電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，因而采用橋式整流和濾波電路的處理思路，為蓄電池充放電。1.1整流和濾波電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。本電路驅(qū)動(dòng)LED需要直流驅(qū)動(dòng)。而橋式整流器利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導(dǎo)通，得到正

4、的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。 橋式整流器對(duì)輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。濾波電路中當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。另外電容濾波電路適用于小電流負(fù)載，且外特

5、性比較軟，電源整流電路中，用來(lái)濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。1.2PWM原理PWM即脈沖寬度調(diào)制，利用脈沖控制開關(guān)電路的開關(guān)時(shí)間，可以控制電路輸出的平均電壓或電流從而達(dá)到控制電路的輸出功率。PWM開關(guān)穩(wěn)壓或恒流的基本工作原理是在輸入電壓、系統(tǒng)參數(shù)及外接負(fù)載發(fā)生變化的情況下，在固定工作頻率下控制電路通過(guò)被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定。由于控制器件功耗小，工作在開關(guān)狀態(tài)中的電路效率高，所以電源效率一般可以做到80%90%。該類電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。PWM開關(guān)電路由4部分組成，即輸入整流濾波、PWM控制、

6、開關(guān)器件和輸出濾波。根據(jù)PWM方式開關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路框圖為： 2.51瓦LED燈珠驅(qū)動(dòng)電路部分設(shè)計(jì)方案：串聯(lián)連接，恒流驅(qū)動(dòng)2.1串聯(lián)連接LED串聯(lián)連接方式的特點(diǎn)是總壓降等于所有LED壓降之和，每顆LED電流相等。由于各串聯(lián)LED工作電流相等，每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)限定的情況下，需要較多顆數(shù)的LED串聯(lián)， 因此LED串連的壓降比較高，對(duì)于元件額定電壓的選擇，以及安規(guī)設(shè)計(jì)有比較高的要求。另外由于每顆LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負(fù)載電壓公差比較大，特別是相對(duì)于

7、同樣流明輸出的LED并聯(lián)情況下LED負(fù)載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅(qū)動(dòng)電路有比較好的負(fù)載調(diào)整率。LED串聯(lián)使用并在恒流驅(qū)動(dòng)條件下，當(dāng)其中一顆或幾顆短路時(shí)，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一顆或幾顆LED開路情況下，其它LED 將無(wú)法點(diǎn)亮。如圖所示：2.2恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是基本恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化的驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)是比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式。常用的恒流驅(qū)動(dòng)電路可分為線性LED恒流驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于線性恒流LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，其具備電路簡(jiǎn)單，成本較低的特點(diǎn)。由于不需要電感，高頻變壓器，電解電

8、容等元件，大大降低了電路成本和提高了EMI特性，延長(zhǎng)了LED驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，比較起線性恒流驅(qū)動(dòng)電路，具有高效率，高恒流精度的特點(diǎn)。根據(jù)不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結(jié)構(gòu)。開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但開關(guān)模式的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，成本較高。3.LED的電學(xué)特性白光LED的I-V特性與普通二極管類似，只是開啟電壓不同，不同材料制備的LED開啟電壓一般在1.53.0V之間。處于正向工作區(qū)時(shí)，工作電流與 呈指數(shù)關(guān)系.式中， 為反向飽和電流； 為二極管兩端的外加電壓；q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。LED可長(zhǎng)期穩(wěn)定工

9、作時(shí)的直流電流，稱為額定工作電流，此時(shí)LED壓降稱為額定電壓。1W的白光LED，其額定工作電流350mA，額定電壓3.3V。允許加在LED兩端正向電壓與流經(jīng)LED電流之積的最大值為其極限功耗，當(dāng)實(shí)際功耗超過(guò)該值時(shí)，LED發(fā)光特性變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使LED產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。由LED的I-V特性得知，當(dāng)加在LED兩端的電壓稍有波動(dòng)，都會(huì)引起電流的劇烈變化，此時(shí)很容易使電流過(guò)大，輸入功率超過(guò)其極限功耗，從而對(duì)LED造成不可恢復(fù)的損壞。當(dāng)LED工作電流值不同時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，則LED陣列應(yīng)采用并聯(lián)方式連接，但是由于LED個(gè)體之間的參數(shù)誤差，會(huì)導(dǎo)致各支路的電流不同，致使整列發(fā)光強(qiáng)度不均勻，因

10、此LED的驅(qū)動(dòng)電路一般選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式，相應(yīng)的LED陣列亦采用串聯(lián)方式連接，驅(qū)動(dòng)電流一般設(shè)為L(zhǎng)ED額定電流的70%85%，以保護(hù)LED，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，同時(shí)也使每個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻一致。4.具有蓄電池剩余電量檢測(cè)、顯示功能，警報(bào)功能方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制，反饋設(shè)置，顯示報(bào)警當(dāng)要檢測(cè)一個(gè)電池的電量時(shí)，并不能直接測(cè)量電池兩端的端電壓，但是我們可以通過(guò)檢測(cè)蓄電池組充放電回路的電流量，來(lái)達(dá)到檢測(cè)電池組電量的目的。采取方案為：在蓄電池組充放電回路中串接一個(gè)阻值很小的電阻，其上必有壓降。當(dāng)充電時(shí)，電壓值為負(fù)；放電時(shí)，電壓值為止。這一電壓值可以作為后接運(yùn)放LM321的一路輸入電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路處理后接

11、入HT46R22單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳，從而將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量，在數(shù)字電壓量經(jīng)過(guò)一定處理后，再驅(qū)動(dòng)LED燈來(lái)顯示蓄電池組電量的大小要實(shí)現(xiàn)電池組電量的采集以及顯示，并且需要通過(guò)HT46R22單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)共分三個(gè)部分：電量的檢測(cè)，電量的轉(zhuǎn)換，電量的顯示。4.1電量的檢測(cè)當(dāng)要檢測(cè)一個(gè)電池的電量時(shí)，并不能直接測(cè)量電池兩端的端電壓，但是我們可以通過(guò)檢測(cè)蓄電池組充放電回路的電流量，來(lái)達(dá)到檢測(cè)電池組電量的目的。所以我們?cè)谛铍姵亟M充放電同路中串一個(gè)阻值很小的電阻，其上必有壓降。當(dāng)充電時(shí)，電壓值為負(fù)；放電時(shí)，電壓值為正。這個(gè)電壓值直接作為后接電路的一個(gè)輸入電壓，經(jīng)過(guò)

12、特定的運(yùn)算處理后，可以較顯著地說(shuō)明充放電狀態(tài)及電量的高低。4.2電量的轉(zhuǎn)換由四個(gè)電阻及一個(gè)運(yùn)放LM321組成了一個(gè)運(yùn)算電路，這個(gè)電路總共有兩個(gè)輸入電壓，一個(gè)是上述電阻上的壓降，另個(gè)是經(jīng)穩(wěn)壓器處理后輸出5V正電壓。按下式運(yùn)算：運(yùn)算后，輸出電壓 直接接入單片機(jī)HT46R22的A/D轉(zhuǎn)換接口，A/D轉(zhuǎn)換接121將輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量以便于驅(qū)動(dòng)LED燈加以顯示。至此，完成了電量的轉(zhuǎn)換。4.3電量的顯示HT46R22單片機(jī)有四個(gè)PA口分別接入四個(gè)LED燈用以電量顯示，在采集的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量后，通過(guò)單片機(jī)控制直接驅(qū)動(dòng)LED燈，從而完成電量的顯示.此外，蓄電池組經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器處理后，還可

13、為運(yùn)放LM321，單片機(jī)以及LED顯示部分提供+5V的正向電壓。而且，單片機(jī)還可以通過(guò)一個(gè)PA口來(lái)控制外接的電子開關(guān)，由用戶編程來(lái)控制同相加法電路的電源供給，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的目的。運(yùn)算電路圖5.電池自動(dòng)定期維護(hù)管理功能 方案：根據(jù)單片機(jī)檢測(cè)電池的狀態(tài)情況，日常進(jìn)行狀態(tài)維護(hù)，對(duì)蓄電池應(yīng)定期進(jìn)行補(bǔ)充充電，防止過(guò)充或長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中運(yùn)行。對(duì)蓄電池組的狀態(tài)、總電壓、充放電電流、溫度、各單節(jié)電池電壓、剩余容量、可持續(xù)時(shí)間的參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)并設(shè)定報(bào)警門限。當(dāng)電池欠壓或輸出電流過(guò)小時(shí)，單片機(jī)的指示燈會(huì)亮起，提醒檢測(cè)或更換電池。6.測(cè)試選用器件：最終根據(jù)電路設(shè)計(jì)需要和產(chǎn)品實(shí)用性和成本考慮，選用1.2V，13

14、00mAh的鎳鎘充電電池。具有快速充放電，輸出電流穩(wěn)定，易于更換的特性。常見(jiàn)PWM開關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生部分大都實(shí)現(xiàn)了集成化，更加精簡(jiǎn)PWM開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，利用芯片HV9910B設(shè)計(jì)適用于大功率LED的典型PWM方式開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)使用HT46R22型單片機(jī)。實(shí)際測(cè)試：當(dāng)市電正常時(shí)，220V交流電經(jīng)變壓器整流為6V,經(jīng)VD1-VD4整流，C濾波后，直流電一路經(jīng)VD5、R4限流，給電池G充電。另一路經(jīng)R1，R2分壓，使VT1飽和，VT2基極高電位，VT2、VT3截止，電路開路。當(dāng)停電時(shí)，變壓器失電，VT1失電截止，VD5反偏，電源經(jīng)過(guò)VT3，VT2，R3構(gòu)成回路，VT2，VT3導(dǎo)通，構(gòu)成回路。VD

15、5同時(shí)起防止電池S向電路反送電作用。設(shè)計(jì)電路時(shí)參考芯片的使用手冊(cè)和具體電路要求可以確定芯片的外圍器件參數(shù)，首先必須確定電路的工作頻率。一般在市電供電條件下，頻率選擇在25150kHz。開關(guān)頻率選50kHz。LED的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定為0.35A，根據(jù)芯片手冊(cè)中提供的計(jì)算公式可得到值為478k。在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)可以使478k電阻用作，采樣電阻=0.62。電感取值與LED電流的紋波值有關(guān)，一般限制紋波系數(shù)最大為0.3，電感值的計(jì)算公式為:.電路驅(qū)動(dòng)了5個(gè)LED，其為16.5V，是經(jīng)過(guò)全波整流和濾波后的峰值電壓，其值為310V，和取值同前，帶入上式計(jì)算得，電路中選用2.98mH的電感。 MOS管選取了性能優(yōu)良的IRF840，其最大耐壓500V，最大漏極電流5A，導(dǎo)通電阻0.6 。二極管選取快恢復(fù)二極管BYV26B，其反向耐壓 =500V，正向平均電流1A，正向?qū)▔航?.2V。電容 作為輸出濾波電路實(shí)現(xiàn)電壓濾波， 在4.733 的電容中選取，前級(jí)的濾波 電容選擇4.733 的極性電容，電容 使用2.2