消防應急照明燈設計

1、2017年安徽理工大學生電子設計競賽消防應急照明燈設計（B題）參賽成員：袁孝杰 2015300217陳夢南 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心的交點，消防應急照明燈在發(fā)生特殊險情中起著至關重要的作用。本文針對應急燈的特殊要求和使用場合，利用LED光源相比的傳統(tǒng)光源具有壽命長、固體照明不易損壞、高光效、無汞環(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，利用單片機檢測電池狀態(tài)，實時檢測反饋電池電量，并在低電量時做出報警，利用PWM對LED負載的狀態(tài)，進行信號采樣和

2、控制，最終設計出高效可靠的電路。目 錄摘 要1目 錄2引言31.蓄電池的充放電設計31.1整流和濾波31.2PWM原理42.51瓦LED燈珠驅動電路部分設計42.1串聯連接42.2恒流驅動53.LED的電學特性54.具有蓄電池剩余電量檢測、顯示功能，警報功能64.1電量的檢測64.2電量的轉換64.3電量的顯示65.電池自動定期維護管理功能76.測試77.結論8附錄一：電路原理圖9附錄二：程序框圖10消防應急照明燈設計引言：消防應急照明燈，適用于消防應急照明，是消防應急中最為普遍的一種移動照明燈，應急時間長，高亮度具有斷電自動應急功能。消防應急照明燈具有耗電小、亮度高、使用壽命長等特點，邊上設

3、計有電源開關和指示燈，設計使用的應急照明系統(tǒng)以自帶電源獨立控制型為主，正常電源接普通照明供電回路中，平時對應急燈蓄電池充電，當正常電源切斷時，備用電源（蓄電池）自動供電。消防應急照明燈內設計有變壓、穩(wěn)壓、充電、逆變、蓄電池等大量的電子元器件，應急燈在使用、檢修、故障時電池均需充放電。1.蓄電池的充放電設計方案：對于LED電路，我們需要用直流電路來驅動，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。本電路驅動LED需要直流驅動。而橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正

4、的輸出；輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，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。 橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。濾波電路中當流過電感的電流變化時，電感線圈中產生的感應電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時將一部分電能轉化成磁場能存儲于電感之中；當通過電感線圈的電流減小時，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時釋放出存儲的能量，以補償電流的減小。因此經電感濾波后，不但負載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導通角增大。另外電容濾波電路適用于小電流負載，且外特

5、性比較軟，電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。1.2PWM原理PWM即脈沖寬度調制，利用脈沖控制開關電路的開關時間，可以控制電路輸出的平均電壓或電流從而達到控制電路的輸出功率。PWM開關穩(wěn)壓或恒流的基本工作原理是在輸入電壓、系統(tǒng)參數及外接負載發(fā)生變化的情況下，在固定工作頻率下控制電路通過被控信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關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措施，屬高可靠性電源。PWM開關電路由4部分組成，即輸入整流濾波、PWM控制、

6、開關器件和輸出濾波。根據PWM方式開關電路設計的LED驅動電路框圖為： 2.51瓦LED燈珠驅動電路部分設計方案：串聯連接，恒流驅動2.1串聯連接LED串聯連接方式的特點是總壓降等于所有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驅動電流已經限定的情況下，需要較多顆數的LED串聯， 因此LED串連的壓降比較高，對于元件額定電壓的選擇，以及安規(guī)設計有比較高的要求。另外由于每顆LED正向導通壓降的不同（特別是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負載電壓公差比較大，特別是相對于

7、同樣流明輸出的LED并聯情況下LED負載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅動電路有比較好的負載調整率。LED串聯使用并在恒流驅動條件下，當其中一顆或幾顆短路時，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 將無法點亮。如圖所示：2.2恒流驅動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載阻值的大小不同在一定范圍內變化的驅動電路。恒流驅動是比較理想的LED驅動方式。常用的恒流驅動電路可分為線性LED恒流驅動電路和開關模式LED恒流驅動電路。對于線性恒流LED恒流驅動電路，其具備電路簡單，成本較低的特點。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，延長了LED驅動器的使用壽命。開關模式LED恒流驅動電路，比較起線性恒流驅動電路，具有高效率，高恒流精度的特點。根據不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結構。開關模式LED恒流驅動電路應用領域廣泛。但開關模式的LED恒流驅動電路相對復雜，成本較高。3.LED的電學特性白光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，工作電流與 呈指數關系.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；T為熱力學溫度。LED可長期穩(wěn)定工

9、作時的直流電流，稱為額定工作電流，此時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LED電流之積的最大值為其極限功耗，當實際功耗超過該值時，LED發(fā)光特性變差，嚴重時會使LED產生結構破壞。由LED的I-V特性得知，當加在LED兩端的電壓稍有波動，都會引起電流的劇烈變化，此時很容易使電流過大，輸入功率超過其極限功耗，從而對LED造成不可恢復的損壞。當LED工作電流值不同時，其發(fā)光強度也不同，若采用恒壓驅動，則LED陣列應采用并聯方式連接，但是由于LED個體之間的參數誤差，會導致各支路的電流不同，致使整列發(fā)光強度不均勻，因

10、此LED的驅動電路一般選擇恒流驅動模式，相應的LED陣列亦采用串聯方式連接，驅動電流一般設為LED額定電流的70%85%，以保護LED，達到延長使用壽命的目的，同時也使每個LED的發(fā)光強度均勻一致。4.具有蓄電池剩余電量檢測、顯示功能，警報功能方案：單片機控制，反饋設置，顯示報警當要檢測一個電池的電量時，并不能直接測量電池兩端的端電壓，但是我們可以通過檢測蓄電池組充放電回路的電流量，來達到檢測電池組電量的目的。采取方案為：在蓄電池組充放電回路中串接一個阻值很小的電阻，其上必有壓降。當充電時，電壓值為負；放電時，電壓值為止。這一電壓值可以作為后接運放LM321的一路輸入電壓，經過運算電路處理后接

11、入HT46R22單片機的A/D轉換引腳，從而將模擬電壓量轉換為數字電壓量，在數字電壓量經過一定處理后，再驅動LED燈來顯示蓄電池組電量的大小要實現電池組電量的采集以及顯示，并且需要通過HT46R22單片機來實現電壓的模擬量到數字量的轉換。整個系統(tǒng)共分三個部分：電量的檢測，電量的轉換，電量的顯示。4.1電量的檢測當要檢測一個電池的電量時，并不能直接測量電池兩端的端電壓，但是我們可以通過檢測蓄電池組充放電回路的電流量，來達到檢測電池組電量的目的。所以我們在蓄電池組充放電同路中串一個阻值很小的電阻，其上必有壓降。當充電時，電壓值為負；放電時，電壓值為正。這個電壓值直接作為后接電路的一個輸入電壓，經過

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

13、為運放LM321，單片機以及LED顯示部分提供+5V的正向電壓。而且，單片機還可以通過一個PA口來控制外接的電子開關，由用戶編程來控制同相加法電路的電源供給，從而實現低功耗的目的。運算電路圖5.電池自動定期維護管理功能 方案：根據單片機檢測電池的狀態(tài)情況，日常進行狀態(tài)維護，對蓄電池應定期進行補充充電，防止過充或長時間在高溫環(huán)境中運行。對蓄電池組的狀態(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)時間的參數進行全面監(jiān)測并設定報警門限。當電池欠壓或輸出電流過小時，單片機的指示燈會亮起，提醒檢測或更換電池。6.測試選用器件：最終根據電路設計需要和產品實用性和成本考慮，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PWM開關控制信號產生部分大都實現了集成化，更加精簡PWM開關電源的設計，利用芯片HV9910B設計適用于大功率LED的典型PWM方式開關驅動電路。單片機使用HT46R22型單片機。實際測試：當市電正常時，220V交流電經變壓器整流為6V,經VD1-VD4整流，C濾波后，直流電一路經VD5、R4限流，給電池G充電。另一路經R1，R2分壓，使VT1飽和，VT2基極高電位，VT2、VT3截止，電路開路。當停電時，變壓器失電，VT1失電截止，VD5反偏，電源經過VT3，VT2，R3構成回路，VT2，VT3導通，構成回路。VD

15、5同時起防止電池S向電路反送電作用。設計電路時參考芯片的使用手冊和具體電路要求可以確定芯片的外圍器件參數，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。開關頻率選50kHz。LED的驅動電流設定為0.35A，根據芯片手冊中提供的計算公式可得到值為478k。在設計允許范圍內可以使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，一般限制紋波系數最大為0.3，電感值的計算公式為:.電路驅動了5個LED，其為16.5V，是經過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，導通電阻0.6 。二極管選取快恢復二極管BYV26B，其反向耐壓 =500V，正向平均電流1A，正向導通壓降1.2V。電容 作為輸出濾波電路實現電壓濾波， 在4.733 的電容中選取，前級的濾波 電容選擇4.733 的極性電容，電容 使用2.2