基于單片機控制的太陽能交通信號燈

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于單片機控制的太陽能消防應急信號燈The Control System for LED Emergency light Based onSinglechip Microcomputer 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得安陽工學院及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作

2、 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解安陽工學院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 目 錄摘要Abstract引言1第1章 傳統(tǒng)應急燈的分析 1 1.1傳統(tǒng)應急燈的結(jié)構(gòu)和使用中的不足1 1.2原因分析及優(yōu)化改進方法2第二章 設計方案的研究4 2.1系統(tǒng)設計分析4 2.2系統(tǒng)設計要點與結(jié)構(gòu)4 2

3、.3系統(tǒng)的特點與功能要求5第三章 應急光源與電源的選擇 7 3.1傳統(tǒng)應急燈光源7 3.2 LED照明光源發(fā)展7 3.3 LED優(yōu)點8 3.4 LED蓄電池選擇8第四章 硬件功能電路分析與設計13 4.1總體設計框圖 10 4.2中央處理單元電路設計 10 4.3市電及電源轉(zhuǎn)換電路 10 4.3.1蓄電池充電電路 12 4.3.2中央處理單元電源電路 12 4.4應急檢測電路 16 4.5電池保護電路 17 4.5.1定期放電電路 17 4.5.2防過放保護電路 18 4.6 LED光源組合及驅(qū)動電路 19第五章 軟件系統(tǒng)設計20結(jié)論23致謝24參考文獻 25附錄126附錄2程序 27基于單片

4、機控制的太陽能應急消防信號燈摘要：本文闡述了LED應急燈采用單片機控制的設計原理與實現(xiàn)方法。先分析應急燈技術(shù)概況，提出采用LED照明的優(yōu)點，該照明控制系統(tǒng)的主控制器以AT89C2051單片機為基礎。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，在完成傳統(tǒng)應急燈基本控制要求的基礎上，完善電路的控制要求，增加輔助控制功能，提高電路的可控性和可視性。主控制器在接收到外部電路送來的信號后，發(fā)出命令控制應急燈實現(xiàn)開啟、關(guān)閉、定時放電控制等功能。關(guān)鍵詞：LED；應急燈；單片機 The Control System for LED Emergency light Based onSinglechip MicrocomputerA

5、bstractAbstract: The 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 co

6、ntrol 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 fun

7、ction. 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 controlKey word

8、s: LED; Emergency light; SingleChip Microcomputer II引 言近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，基于單片機的控制系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能樓宇等行業(yè)，微型計算機作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。本課題研究基于單片機控制的LED應急燈，它被設計為：在白天用戶主動關(guān)閉室內(nèi)照明燈后，即使市電中斷應急燈也不會點亮。夜間，一旦市電中斷，失去照明應急燈立即點亮，電路能自動檢測斷電前后室內(nèi)的照明情況，并判斷是否有啟動應急燈照明的需要。第一章 傳統(tǒng)應急燈的分析1.1傳統(tǒng)應急燈的結(jié)構(gòu)和使用中的不足如果在夜晚遇到

9、突然停電。而且是在人員密集的高層建筑，特別是由于突發(fā)意外原因引起的停電如：地震、火災。會使人員的疏散造成很大的困難。這時如果有一盞應急燈來照明，會給人員的疏散帶來很大的方便。首先介紹一下傳統(tǒng)的應急照明燈。目前，在普通住宅、高層住宅和工業(yè)建筑中等使用的應急燈多數(shù)是采用斷電啟用式，基本實現(xiàn)的功能是：外部電源供電狀態(tài)下蓄電池充電，燈不亮。外部電源斷電蓄電池放電，燈亮照明。根據(jù)消防系統(tǒng)工程和行業(yè)標準的具體技術(shù)要求。一般消防應急燈具由燈體、光源、后備電池以及控制電路組成。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流變壓器整流濾波狀態(tài)顯示充電電路控制電路光源圖1 傳統(tǒng)應急燈框圖從目前消防應急燈具的實際應用的情況上看，ACDC

10、電路，一般均采用的是線性整流濾波電路也即線性ACDC 電路，其優(yōu)點是成本低、技術(shù)成熟，缺點是該電路受市電電網(wǎng)波動影響，經(jīng)常影響消防應急燈具的正常工作。降低了消防應急燈具的可靠性。對于充電電路。應按可充電電池的類型分別進行合理的充電，依據(jù)其工作原理，對于鉛酸電池，可進行浮充或循環(huán)充電；鎳鎘電池應以恒流、恒壓或恒壓恒流方式充電，并有小電流充電和控制能力。電池充電電路上的發(fā)展方向是脈沖充電方式或PWM方式。電池的保護電路實現(xiàn)方式很多，目前多以分立元件實現(xiàn)，可靠性差、工藝性不好，集成電路的應用是較好解決這一問題的方法。逆變電路與負載類別有關(guān)，即不同的光源要求不同的逆變機理和電路。在消防應急燈具中，逆變

11、電路不僅僅是將直流信號轉(zhuǎn)變成交變信號，也擔負著應急狀態(tài)轉(zhuǎn)換、功率損耗，正確和合理地設計逆變電路是消防應急燈具設計中關(guān)鍵技術(shù)之一。這種類型結(jié)構(gòu)的應急燈，通過在長期的使用過程中觀察，實際上存在以下的不足和缺點。一是消耗電能大，使用壽命不夠長。二是控制電路過于簡單，功能不夠強大。三維修費用高，傳統(tǒng)應急燈易損部件是蓄電池和照明燈泡。1.2原因分析及改進方法應急燈壽命短和維修費用高的兩大致命缺陷，分析其根本原因主要來自三方面：一是蓄電池本身的使用壽命基本決定了應急燈的壽命，蓄電池的性能并未達到我們預想的要求。二是傳統(tǒng)的應急燈采用白熾燈作為光源，光源的亮度不夠而且消耗電能大。三是電路過于簡單，只要外部電源

12、斷電的情況下蓄電池放電，燈亮照明，如果在白天光線強的情況下，應急燈是不需要工作的，實際上這是無謂的放電。綜合以上三方面的原因，如果只考慮第一和第二方面，改進思路比較簡單無非是改變一下電池和照明光源。但如果在兼顧第三那方面則必須系統(tǒng)地分析，綜合考慮應急燈的改進思路，重點是改進應急燈的電路結(jié)構(gòu)，考慮采用新的控制方法，完善其性能。解決應急燈外部電源斷電就開始工作，即無謂的放電的問題，也就是說要考慮應急燈需要具備哪些性能才不會出現(xiàn)外部電源斷電就開始無謂的放電現(xiàn)象。只有在滿足一定條件時才會實現(xiàn)燈亮照明。如圖表1所示。表1 改進方案同時滿足的條件斷電光線昏暗實現(xiàn)辦法檢測光控是否可行可行可行光源的選擇：為了

13、提高傳統(tǒng)應急燈照明光源的壽命和降低電耗，我們可以采用LED節(jié)能光源作為應急燈的光源，因為其有許多優(yōu)勢：耗電量僅為一般燈泡的20%；體積小，占用空間??；壽命長，是一般燈泡的幾倍。采用LED作為光源后，不僅降低了應急燈的成本，而且有效的提高了發(fā)光的強度。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進了微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個部門和領(lǐng)域，它起到了越來越重要的作用。廣泛用在在各種控制電路中用來完善電路的控制功能。對傳統(tǒng)應急燈控制電路的改進。首先要根據(jù)有關(guān)消防行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，其次對應急燈控制電路進行分析改進，完善各種控制要求，增加一些

14、輔助控制功能，增強其控制性。對于控制電路我們采用單片機作為主要控制單元，并設計其外圍控制電路，使電路能夠滿足斷電、光線昏暗時應急照明的基本要求。第二章 設計方案的研究2.1系統(tǒng)設計分析針對傳統(tǒng)應急燈在使用中的不足，根據(jù)分析得出的結(jié)論。合理的選擇設計方案，完善電路的控制要求，使電路能夠盡可能的滿足各方面的需要。該應急燈電路應該在傳統(tǒng)應急燈電路的基礎上進行改進，不僅能夠完成最基本的控制功能，而且增加一些輔助功能，使電路更加完善；同時采用節(jié)能、環(huán)保、效率高的新型發(fā)光材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源。首先在應急燈光源的選擇上，近年來出現(xiàn)的高亮發(fā)光二極管(LED)，由于具有體積小、壽命長、耗電量少、發(fā)熱量低、無交流閃爍

15、、啟動速度快、電磁干擾小、光線自然純正等諸多優(yōu)點，已被廣泛應用在照明、交通信號指示、手機屏幕背光、汽車摩托裝飾、大尺寸平面顯示等領(lǐng)域。利用高亮白光LED制作的照明燈具，摒棄了傳統(tǒng)白熾燈泡的耗電多、亮度低、色偏黃、易破碎等缺點，并且不像熒光燈廢棄后會對環(huán)境造成汞污染，其日益成為人們首選的照明燈飾新寵。其次分析傳統(tǒng)應急燈控制功能，改用單片機作核心控制元件。單片機接收各種檢測信號，推動各個控制電路工作，完成基本功能要求。因單片機功能強大，如果在不增加硬件成本的情況下，可實現(xiàn)更多完善的充電、保護功能。因此可在原有基礎上增加輔助控制功能。經(jīng)過設計應該使電路基本完成：斷電時，能夠自動根據(jù)當時室內(nèi)的光線強度

16、決定是否需要照明，并且僅在需要照明時點亮。在白天，房間不需照明，即使斷電應急燈也不會點亮。在晚間，室內(nèi)由電燈照明時，斷電前光強較大，斷電時，燈光熄滅，室內(nèi)變黑。這種情況下有照明的實際需求，應急燈會自動亮起來。而且，由于電路使用固定電壓充電和電池低壓放電保護電路，可以防止電池過度充電和深度放電，從而延長蓄電池的壽命。2.2系統(tǒng)設計要點與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調(diào)試、測試，以達到設計要求。軟件設計部分，首先根據(jù)硬件電路分析所要完成的控制功能，列出詳細的計劃；

17、然后進行具體設計，包括流程圖，選擇合適的編程語言和工具；最后是對軟件進行調(diào)試、測試，達到所需功能要求。在系統(tǒng)設計中設計方法的選用是系統(tǒng)設計能否成功的關(guān)鍵。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的是選擇用單片機作為中央控制單元，并確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機上進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設計不當及時修改，最終達到設計目的。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機，使用C語言進行開發(fā)，可以使程序邏輯性強

18、，且簡單。本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達到設計功能要求。總的來說硬件方面要解決的問題是單片機與外圍電路的接口問題，對應急條件做出判斷和處理。在軟件方面，主程序的編寫思維十分重要，程序的結(jié)構(gòu)是否合理會直接影響到程序是否簡潔、思維是否清晰、功能是否完整。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由以下及部分組成：（1）中央處理系統(tǒng)；（2）電源供電系統(tǒng)；（3）LED光源及驅(qū)動系統(tǒng)；（4）應急判斷系統(tǒng)。這幾部分共同完成了中央控制器對應急判斷系統(tǒng)的檢測和執(zhí)行，在滿足條件時，達到控制LED應急照明燈具的目的。其硬件電路只是系統(tǒng)的實施工具，軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，是負責

19、完成硬件電路實現(xiàn)功能和與用戶交互的橋梁，是維護系統(tǒng)正常工作的工具。電路圖如圖2所示：中央處理單元中央控制單元光源及控制電路顯示檢測電路應急判斷電路電源電路應急燈電源電路圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3系統(tǒng)的特點與功能要求國家標準消防應急燈具(GB 179452006)對消防應急燈具的燈具性能有明確要求。主要包括以下幾個方面：（1）應該有工作狀態(tài)指示燈。用于分辨消防應急燈具工作狀態(tài)是否正常，也用于分辨消防應急具與普通燈具。（2）應該有試驗按鈕或試驗開關(guān)。用于試驗消防應急燈具能否轉(zhuǎn)換到應急工作狀態(tài)。（3）燈泡(或燈管)異常(包括規(guī)格不同)時，燈具內(nèi)部元件表面最高溫度不超過90 。消防應急燈具也是用電設備。

20、有發(fā)生火災的可能，此要求是用于防止消防應急燈具內(nèi)部發(fā)熱而引起火災。同時，燈泡(或燈管)規(guī)格不同， 電池工作的時間和照度也就不同。也就不一定能滿足火災疏散時間要求和照度要求。（4）燈具外殼應選用不燃或難燃材料制造，內(nèi)部連線宜采用耐溫不小于105 的導線，是用于防止消防應急燈具本身引起火災。根據(jù)以上要求，該設計控制系統(tǒng)需要完成以下幾個功能：(1)光線充足或市電正常時，應急燈不亮；(2)光線不強，且市電斷開時，應急燈亮，且滿足一定的時間要求。同時當市電恢復正常后，應急燈熄滅。(3) 應該有工作狀態(tài)指示燈。用于分辨消防應急燈具工作狀態(tài)是否正常(4)能夠?qū)﹄娐愤M行測試功能。用于試驗消防應急燈具能否轉(zhuǎn)換到

21、應急工作狀態(tài)。(5)在長時間（一個月）不斷電的情況下能夠?qū)Τ潆婋姵剡M行放電處理。在充電時候具有指示功能第三章應急光源與電源的選擇3.1傳統(tǒng)應急燈光源大多數(shù)的應急燈發(fā)光體采用低壓白熾燈，直接采用12V直流供電。缺點是效率低。近年來廣泛使用的節(jié)能燈（緊湊型熒光燈）耗電省、亮度高。其亮度相當于白熾燈的2-3倍。但需要增加直流逆變部分，成本升高。而且會產(chǎn)生高頻電波輻射，對手機、收音機等造成干擾。白熾燈：主要以鎢絲作燈絲，因為鎢有高熔點及低蒸發(fā)率。白熾燈的大部分輻射光是紅外線，所以120V白熾燈的照明效率在2400K時約為8lm/W，一般100W白熾燈只有7%的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?。日光燈：一般日光燈用?/p>

22、壓放電可以產(chǎn)生11000-13000K的高溫，目前日光燈可以用的材料有汞即水銀和鈉，汞燈釋放紫外線故多用于一般日光燈，燈管涂上熒光粉以產(chǎn)生白光。傳統(tǒng)應急燈使用頻率低，時間短，燈的功率不大，所以一般選用普通低壓白熾燈。3.2 LED照明光源發(fā)展LED即 Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫。即：光線激發(fā)二極管，屬于一種半導體元器件。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為P-N結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加

23、反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED?，F(xiàn)在照明光源已逐漸發(fā)展為白光LED。LED技術(shù)可以應用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和顯示屏、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、醫(yī)學以及通信等領(lǐng)域。近幾年來，隨著人們對半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。LED照明的變革將擴展人們的照明觀念，更加體現(xiàn)節(jié)能化、健康化、藝術(shù)化和人性化的發(fā)展趨勢。未來較被看好的是三波長白光

24、LED，即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及 LED 背光源等市場。LED照明光源的主流將是高亮度白光LED。3.3 LED優(yōu)點（1）發(fā)光效率高。LED 經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。LED光效達到50200lm/W。目前，世界各國均加緊提高 LED 光效方面的研究，在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。（2）耗電量少，LED 單管功率0.03-0.06瓦，采用直流驅(qū)動，單管驅(qū)動電壓1.5-3.5伏，電流15-18 毫安，反應速度快，可在高頻操作。在同等照度下，LED比白熾燈光源節(jié)能70%，比熒光燈節(jié)能50%。（3）使用

25、壽命長，采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用 LED 燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。（4）安全可靠性強，發(fā)熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含可能危害健康的物質(zhì)。（5）有利于環(huán)保，LED 為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護。 （6)可控制性，由于LED燈可以基本做到瞬間接通發(fā)光，通過計算機軟件和控制器，可以比較容易地實現(xiàn)LED燈的顏色和圖形的各種變化。3.

26、4蓄電池選擇常用的容量較大的可充電電池有：鎳-鎘電池，鎳氫電池，鉛酸電池等，免維護密封鉛酸蓄電池因其容量大，價格廉價充電技術(shù)成熟，維護要求低，而廣泛用于便宜式儀器，輪船，電動車，通訊等。故本設計選用小型免維護密封鉛酸蓄電池。選標準系列：12V、。傳統(tǒng)應急燈光源：12V、5W白熾燈。應急時間：90min。電池：12V、。燈電流：實際點亮時間本電路采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。但是對蓄電池的充放電更為敏感，因此對充電電路要求高。蓄電池的額定容量C，單位安時（Ah），它是放電電流安（A）和放電時間小時（h）的乘積。由于對同一個

27、電池采用不同的放電參數(shù)所得出的Ah是不同的。實踐中，電池容量被定義為：用設定的電流把電池放電至設定的電壓所給出的電量。也可以說電池容量是：用設定的電流把電池放電至設定的電壓所經(jīng)歷的時間和這個電流的乘積。上述所謂設定的電壓是指終止電壓（單位V）。終止電壓可以簡單的理解為：放電時電池電壓下降到不至于造成損壞的最低限度值。終止電壓值不是固定不變的，它隨著放電電流的增大而降低。電池的充電方法常用的有三種：（1）脈沖充電：既簡單又經(jīng)濟的方法。變壓器次級輸出的低壓交流整流脈動成直流（不濾波）對電池充電此方法充電電流較大，充電速度快，缺點是當電網(wǎng)電壓波動時，充電電流也隨之波動容易發(fā)生因充電電流大，電池溫升高

28、，電解質(zhì)損失大，從而導致電池損壞的情況，所以這種方法對免維護密封鉛酸蓄電池很少采用。（2）恒流充電：為了防止電池內(nèi)溫升太高及電解液的損失太大，充電電流調(diào)得比較小，需要充電的時間較長，另一方面，充電時間太長，就會發(fā)生過充，為了防止因過充而損壞電池，需另設過充檢測或定時電路。(3)恒壓充電：理論和實踐均證明，當充電電壓低于充電電壓上限（對12V電池而言，此值為）時恒壓充電是安全的，即使充電時間很長，也無危險，如果需要，電池還可以工作在浮充狀態(tài)。市電中斷平凡發(fā)生的情況是很少的，應急燈對電池充電的速度要求不高?？紤]上述因素本設計充電電壓取13.5V，略低于工程實用經(jīng)驗值13.8V。大多數(shù)應急燈均長期接

29、在市電電源上，電池處于后備充電狀態(tài)，故選用恒壓充電方式。簡單，安全。電路采用恒定電壓對后備電池充電，不會發(fā)生過度充電的問題。第四章 硬件功能電路分析與設計4.1總體設計框圖按照應急燈實際工作中的作用，硬件電路如附錄1所示，可分為主要的幾個部分。以AT89C2051單片機作為整個電路的核心控制單元，通過它控制其他模塊來完成各種復雜的操作。利用LED作為該電路應急燈光源，能節(jié)約能源、延長燈具壽命、提高照明質(zhì)量。市電檢測電路和光控電路用來檢測應急場所市電的狀態(tài)和應急場所光線的的強弱，來判斷是否需要接通應急燈。電源電路采用集成三端穩(wěn)壓器，不僅要完成給蓄電池充電，而且還要提供控制電路的工作電壓。增加一些

30、電源指示顯示，增強該電路的可觀察性。電路如圖3所示。中央處理單元LED應急燈光源市電檢測電路應急燈控制電路試驗檢測電路光控電路市電及電源應急燈電源充、放電電路指示電路 圖3 總體設計框圖4.2中央處理單元電路設計為了改進傳統(tǒng)應急燈采用分立元件設計控制電路，控制電路功能簡單，該電路采用單片機AT89C2051作為其核心控制單元，其外圍電路有復位電路和時鐘電路。復位電路有R1、R2和C1組成；時鐘電路有6MHZ晶體、C2和C3組成。按鈕開關(guān)S2和1K電阻組成一個簡單的測試電路，當按下S2，給單片機送一個低電平信號，通過內(nèi)部程序驅(qū)動輸出控制繼電器，點亮應急燈。中央處理單元用于接收和判斷外部電路送來的

31、檢測信號，通過內(nèi)部程序控制，再給相應的控制電路發(fā)出執(zhí)行信號，驅(qū)動相應的電路動作。電路圖如圖4所示。 圖4 中央處理電路AT89C2051芯片介紹： AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大AT89C2051單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。其管腳圖如圖5所示。 圖5 AT89C2051管腳圖 （1）主要功能特性：*

32、兼容MCS51指令系統(tǒng)；*2KB可重編程FLASH存儲器（1000次）；*2.7-6V電壓范圍；*全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz；*128*8位內(nèi)部RAM；*15條可編程I/O線； *兩個16位定時器/計數(shù)器；*6個中斷源，兩個外部中斷源；*可編程串行通道；*高精度電壓比較器（P1.0，P1.1，P3.6）； *直接驅(qū)動LED的輸出端口；*低功耗空閑和掉電模式；（2）AT89C2051引腳功能說明：VCC：電源電壓+5V。GND：接地端。P1口：P1口是一組8位雙向I/O接口，P1.2-P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1內(nèi)部無上拉電阻。P1口輸出緩沖器可吸收20mA的電流并可直接驅(qū)動

33、LED。P3口：P3口的P3.0-P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的7個雙向I/O接口。P3.6沒有引出，它作為一個通用的I/O口，但是不可訪問。可作為固定輸入的片內(nèi)比較器的輸出信號。當P3口寫入1時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口。RST：復位輸出。XTAL1：振蕩器的反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。P3口的特殊功能如表2所示：表2 P3口的特殊功能端口引腳功能特征P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（并行輸入口）P3.2(外部中斷0)P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)0外部輸入）P3.5T1(定時/計數(shù)1外部輸入）4

34、.3市電及電源轉(zhuǎn)換電路 該電路的主要有兩部分電路組成，分別是蓄電池充電電路和中央處理單元的電源電路。把交流220V電壓經(jīng)過變壓器降壓，再經(jīng)整流濾波后，通過穩(wěn)壓電路給12V蓄電池充電，該電壓不僅要作為應急燈的電源，而且還要為中央控制單元供電。 4.3.1蓄電池充電電路對蓄電池的充電方法有很多種，經(jīng)過前面的分析，我們知道恒壓充電對蓄電池有很大的好處，因此蓄電池的充電電路我們采用恒壓充電來設計。該電路主要有電源變壓器T1、橋式整流濾波電路和集成三端穩(wěn)壓器LM317組成。電池充電電路如圖6所示。（1）原理分析：220V交流電經(jīng)變壓器T1降壓，變?yōu)榻涣?5V，V1V4組成橋式整流器，交流電經(jīng)整流后變成單

35、向脈動直流電，再經(jīng)過C10進行濾波，濾除其中的交流成分。LM317為三端可調(diào)正穩(wěn)壓器。由電位器RP2將輸出調(diào)整至13.5V，R13，R12與三極管組成限流電路。當蓄電池充電電流Io小于限定值時，T截止：當Io大于限制值時，T導通，Uo下降, Io也下降。V6為防反充。 圖6 蓄電池充電電路主要設計計算：（1）根據(jù)WL317的使用說明，穩(wěn)壓器的輸出端和調(diào)整端之間的電壓是非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。電阻R11一般取240。Uo按使用要求為13.5V，它主要是由調(diào)電阻Rp2決定。 有公式： （1）可得： （2）其中是可調(diào)電阻Rp2和R12等綜合作用后的等效電阻，其值略小于可調(diào)電阻Rp2，所以選

36、擇Rp = 3K。(2）為保證LM317正常工作，取因為，所以，因此變壓器次級電壓取標準值15V。當220交流電受影響波動10時：即 (3) (4)LM317仍可工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。當220V上浮10時：，小于LM371最高允許輸入電壓30V(3)限流部分元件設計三極管選用9013，導通閥值0.50.7 V限流值為0.6A；故R13應選用1，R13的耗散功率為。(4)LM317三端穩(wěn)壓器介紹：LM317 是美國國家半導體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM317 的輸出電壓范圍是1.2V至37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整

37、率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。通常LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LM317 輸入端的連線超過 6 英寸（約 15 厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。特性簡介：可調(diào)整輸出電壓低到1.2V。保證1.5A 輸出電流。典型線性調(diào)整率0.01%。典型負載調(diào)整率0.1%。80dB 紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調(diào)整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。電壓范圍：1.25V 至 37V 連續(xù)可調(diào)。LM317工作原理：LM317的輸入最高電壓為30多伏，輸出電壓1.5-32

38、V。電流1.5A。不過在用的時候要注意功耗問題，注意散熱問題。LM317有三個引腳.一個輸入一個輸出一個電壓調(diào)節(jié)。輸入引腳輸入正電壓,輸出引腳接負載, 電壓調(diào)節(jié)引腳一個引腳接電阻(200左右)在輸出引腳,另一個接可調(diào)電阻(幾K)接于地.輸入和輸出引腳對地要接濾波電容。4.3.2中央處理單元電源電路中央處理單元電源電路主要有三端穩(wěn)壓器WL7805組成。220V交流電經(jīng)變壓器降壓后，在通過整流濾波穩(wěn)壓，給12V蓄電池進行充電。12V蓄電池不僅要作為LED應急燈的驅(qū)動電源，同時12V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5V電壓，作為控制器的主電源。在220V交流市電斷開后，直流5V仍然給單片機控制電路供

39、電，使電路完成相應的操作。電容C5用于抵消輸入線較長時的電感效應，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩。同樣電容C6為濾波電容，C7為高頻旁路電容，用于消除輸出電壓中的高頻噪聲。R1為限流電阻，LED為5V電源指示燈，可以觀察控制電路的供電是否正常。電路圖如圖7所示。圖7 中央處理單元供電電路4.4應急檢測電路該電路的功能是在應急場合當滿足應急要求時（220V交流市電斷開且應急場所光線變暗），通過應急檢測電路檢測到信號，該信號必須是在兩個應急條同時滿足時才會產(chǎn)生，將信號傳送到中央控制單元，然后經(jīng)控制單元內(nèi)部程序發(fā)出控制信號，驅(qū)動外圍電路使應急燈點亮。應急監(jiān)測電路有兩部分組成，一個是市電檢測電路（市電顯示電路

40、），另一個是光控檢測電路。任何一個條件滿足時都不會點亮應急燈。只有同時滿足這兩個條件時，中央處理單元才會給外圍電路發(fā)出控制信號，驅(qū)動應急燈點亮。這部分電路不僅要有硬件電路，同時還需要軟件輔助完成。電路圖如圖8所示。 圖8 應急監(jiān)測電路電阻R4和LED燈接在整流濾波電路之后，其作用主要是：當市電正常時，LED發(fā)光，可以用作電源指示燈判斷市電是否正常。當市電正常時LED發(fā)光，無論應急場所的光線強弱與否（無論白天還是晚上）光敏電阻Rg均呈低阻狀態(tài)，三極管9013截止，給單片機AT89C2051的P1.5口，送高電平，通過內(nèi)部程序控制，使應急燈不亮。當市電斷開，我們可以通過LED指示燈熄滅來判斷，但是

41、如果應急場所光線比較強時，應急場所不需要應急，光敏電阻Rg仍呈低阻狀態(tài)，控制電路使應急燈不亮。但是當市電斷開且應急場所光線變?nèi)鯐r，光敏電阻Rg的阻值將會變大，呈高阻狀態(tài)，此時三極管9013導通，給單片機AT89C2051的P1.5口送低電平，通過內(nèi)部程序控制，使應急燈點亮。為提高光敏電阻的靈敏度，將LED指示燈選用白光或無色的發(fā)光二極管，光敏電阻Rg選擇MG45型光敏電阻。為了能讓光敏電阻充分感受到電網(wǎng)指示燈的光線，應盡量使指示燈LED靠近光敏電阻Rg。4.5電池保護電路蓄電池在使用過程中形成不可逆硫酸鹽化，成為導電性能差、難以溶解、充電時難以恢復的硫酸鉛結(jié)晶，即通常所說的不可逆鹽化，導致電池

42、失效。統(tǒng)計表明，絕大多數(shù)電池的失效都是由于電池的過放電導致電極活性物質(zhì)的不可逆硫酸鹽化造成的。防過放電路的作用是防止蓄電池深度的放電，導致蓄電池的使用壽命縮短，增加系統(tǒng)的維護成本。4.5.1定期放電電路在現(xiàn)實的生活當中，市電并不會經(jīng)常地斷開，因此應急燈可能在一段長時間內(nèi)用不到，但是我們已經(jīng)把蓄電池充滿，在需要時點亮應急燈，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)電池定期進行一次放電，有利于活化電池，可以略微提升電池的容量。這部分電路主要是通過單片機AT89C2051內(nèi)部程序計時，設定時間為一個月，如果中間出現(xiàn)斷電應急現(xiàn)象，則重新開始計時，否則計時時間一到就輸出控制信號接通放電回路。電路如圖9所示。圖9 定期放電電路4.5.

43、2防過放保護電路R8、RP1、C9、ZD1和LM308組成充電電池過放電壓檢測和控制電路。當電池過度放電，端電壓下降至允許值下限時，燈自動關(guān)閉，防止電池因深度放電而損壞。電路如圖10所示。12V鉛酸電池，放電電壓不能低于10.8V，檢測的原理是：首先給RP1設定一個過放電壓比較值，電壓比較器的兩個管腳采集到電壓。當蓄電池放電電壓使其端電壓大于預先設定的過放電壓值時，集成運放LM308的3腳電位高于2腳電位，6腳輸出高電平，如果蓄電池放電電壓使其端電壓低于預先設定的過放電壓值時，集成運放LM308的3腳電位低于2腳電位，6腳輸出低電平，集成運放LM308的第6腳接單片機AT89C2051的p1.

44、4口，給單片機送一個低電平信號，通過內(nèi)部程序控制放電電路斷開。過放電壓比較值為 (5)則RP1的過放值為 (6) 圖10 防過放保護電路（1）LM308穩(wěn)壓塊介紹：LM308是精密運算放大器，對非穩(wěn)壓電源有足夠電源抑制，其工作溫度范圍0 +70 C，它在10M歐電源阻抗下工作誤差比在10K歐電源阻抗下工作小，積分器漂移小于500uV/秒，采用不大于1uF電容可獲得大于1小時的模擬時間延遲。管腳圖如圖11所示。特性：最大輸入偏置電流0.3nA；失調(diào)電流小于400pA；電源電流只有300uA(含飽和時)；保證漂移特牲；圖11 LM308管腳圖4.6 LED光源組合及驅(qū)動電路因為我們選用的應急燈供電

45、電源是采用12V的蓄電池進行供電，因此我們采用恒壓驅(qū)動。該電路的功能是：當應急檢測電路檢測到應急場所需要應急時，就給中央處理電路發(fā)出信號，然后在程序的控制下，在單片機AT89C2051的P1.6口送一個低電平信號，三極管V6導通，使繼電器導通，將12V蓄電池接到LED燈源上，此時LED發(fā)光。電路如圖12所示。圖12 LED光源驅(qū)動電路設計LED燈時，我們應該考慮采用什么樣的組合方式，合理的配合設計，才能保證LED正常工作。白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長中。如圖13所示傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動，由于白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身

46、具有不同的波動范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。圖13 傳統(tǒng)白光LED并聯(lián)驅(qū)動方式因電壓波動引起白光LED亮度不相同時，背光照明單元的光線就會有照明不均勻的問題。雖然使用電器特性相同的白光LED可以改善亮度不均勻問題，但實際上無法獲得電氣特性相同的白光LED。應根據(jù)各個白光LED的電氣特性，逐一調(diào)整負載電阻。但是，實際上這種方式不是解決問題的方式。為使白光LED的電流相同，可以用串聯(lián)方式如圖14所示的方式。由于電流I相同，亮度幾乎一致。但是當某一顆LED品質(zhì)不良短路時，由于驅(qū)動器輸出電壓不變，那么分配在剩余的LED兩端電壓將升高，驅(qū)動器輸出電流將增大，導致容易損壞余下所

47、有LED。圖14 傳統(tǒng)白光LED串聯(lián)驅(qū)動方式在需要使用比較多LED的產(chǎn)品中，如果將所有LED串聯(lián)，將需要LED驅(qū)動器輸出較高的電壓。如果將所有LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負載電流較大，驅(qū)動器的成本也會大增。解決辦法是采用混聯(lián)方式。串并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，分配在同一串聯(lián)LED上的電壓相同，通過同一串每顆LED上的電流也基本相同，LED亮度一致。如圖15所示采用三個LED串聯(lián)，然后在并聯(lián)十排。根據(jù)國家標準消防應急燈具的要求，消防應急燈供電的時間不小于90min。我們選擇蓄電池電池為12V、。選擇工作電壓為3V，電

48、流為20mA的高亮白光LED。燈亮時間為： (6)限流電阻： (7)通計算可知。與傳統(tǒng)應急燈相比，利用同一型號的電源，采用LED光源的應急燈的點亮時間明顯變長。如果出現(xiàn)特殊情況需要長時間照明，此時就可以滿足需要。如果亮度不夠還可以增加LED的數(shù)量，只要不超過允許值。以應急燈亮2小時計算最多可并排數(shù)為： （8）圖15 傳統(tǒng)白光LED混聯(lián)驅(qū)動方式第五章 軟件系統(tǒng)設計軟件系統(tǒng)的設計，首先根據(jù)硬件電路所要完成的具體功能進行設計。根據(jù)控制過程設計出軟件系統(tǒng)的流程框圖，再根據(jù)硬件電路的各個模塊的控制要求，設計對應的程序，然后把各段程序組合起來。程序如附錄2所示。軟件系統(tǒng)主要完成的功能：系統(tǒng)通電后,主程序先

49、完成初始化工作，包括設定定時器/計數(shù)器的工作方式及初值,將有關(guān)存儲單元置初值,啟動定時器/計數(shù)器,開中斷等等。然后程序?qū)⒉粩嗟奶幱谘h(huán)查詢外部電路送來的信號的狀態(tài)中。檢測是否有應急信號送來，判斷是否需要應急。如果檢測到應急信號，則通過內(nèi)部程序驅(qū)動應急燈控制電路點亮應急燈。如果在計時一個月的時間中，沒有檢測到應急信號，則啟動放電電路給蓄電池放電。在放電過程中，如果檢測到有應急信號，則終止放電驅(qū)動應急燈點亮。如果應急燈長時間處于點亮應急狀態(tài)，蓄電池長時間放電，造成蓄電池過放，檢測到過放信號后，就驅(qū)動輸出電路，關(guān)閉應急燈。結(jié) 論YN開始初始化點亮應急燈過放檢測程序定時程序應急檢測程序結(jié)束放電滿足應急

50、?足？滿足應急?足？NY滿足?足？YN本文論述了采用單片機控制LED應急燈的控制原理與實現(xiàn)方法。首先通過對傳統(tǒng)應急燈的分析，以及在現(xiàn)實生活中觀察。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，分析提出了傳統(tǒng)應急燈在現(xiàn)實生活中存在的不足，針對存在的不足提出了具體的改進措施，對傳統(tǒng)應急燈的照明光源以及控制電路進行分析改進。分別提出改進措施，首先選擇新型發(fā)光材料，采用高亮白光LED作為光源，提高了光源的發(fā)光效率，減少對電源的損耗，節(jié)約資源，降低成本。采用單片機AT89C2051改進控制電路，增強電路的控制功能，提高了電路的可控性和可視性。但由于資料和水平有限，在電源顯示和保護方面做的還不夠完善，在以后的學習和設計中將會加以改進。 圖18 控制系統(tǒng)流程圖致 謝在大學的學習階段，我要感謝機電學院的全體老師給我們講述知識，使我們受益匪淺，是您們才給了我們這樣的機會。在此，向您們致以崇高的敬意！在畢業(yè)設計結(jié)束之際，首先感謝我的導師，在整個設計過程中導師在設計思路和設計方法上給予我以充分的指導，對我論文不厭其煩的精心修改，提出了許多寶貴的意見使我能夠順利的完成畢