基于单片机的应急灯控制设计.docx

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基于单片机的应急灯控制设计

基于单片机的应急灯控制设计

中文摘要1

英文摘要2

1绪论3

1.1消防应急照明技术背景介绍3

1.2相关技术的发展现状及趋势4

1.3课题意义及其目的5

2消防应急灯具工作原理6

2.1常用消防应急灯6

2.2自带电源型消防应急灯具工作原理8

2.3消防应急灯具的国家标准9

2.4本消防应急灯设计的总体结构11

2.4.1系统硬件设计11

2.4.2应急灯单元11

2.4.3系统通信部分设计12

3硬件电路分析13

3.1电源模块13

3.1.1主电电路14

3.1.2Li电池模块15

3.2单片机模块18

3.2.1器件选型19

3.2.2分析电路24

3.3通信模块24

3.3.1器件选型25

3.3.2分析电路28

4软件分析29

4.1主控制器软件设计29

4.2应急灯单元软件设计29

4.2.1电池检测软件流程图30

5抗干扰措施32

5.1抗干扰技术32

5.1.1串模干扰及其抑制方法32

5.1.2共模干扰及其抑制方法33

5.1.3长线传输干扰及其抑制方法34

5.2抗干扰措施的设计34

结论35

谢辞36

参考文献37

基于单片机的应急灯控制器设计

摘要:

本文设计了一种基于单片机的应急灯控制器。

该设计以MCS-51单片机为核心,符合消防应急灯具国家标准GBl7945-2000。

论文首先分析了消防应急疏散照明的技术背景及目前的发展现状和未来的发展趋势,说明设计的意义及目标。

接着介绍了常用消防应急灯的分类,着重说明了自带电源消防应急灯具的工作原理,提出了符合国家标准的总体结构框图。

随后,合理的选择了主要器件,给出了三个关键模块的具体电路图,包括电源模块、单片机模块和通信模块,并分析其工作原理,实现了掉电检测与电源转换、电池状态检测、光源状态检测以及RS-485通信等功能。

在软件设计方面,分析了控制器的工作逻辑,画出了系统主程序框图和电池开路、短路及正常状态分析流程图。

最后讨论了串模干扰、共模干扰及长线传输干扰,并介绍隔离、屏蔽以及滤波的抗干扰措施。

关键词:

单片机,应急灯,消防,RS-485通信

ADesignofMCU-basedControllerofEmergencyLuminary

Abstract:

Thispaperpresentsanemergencyluminarycontrollerbasedonsingle-chipmicrocomputer.ThedesignusestheMCS-51microcontrollerasthecoreandmeetstherequirementofthenationalstandardsforfireemergencyluminaryGBl7945-2000.Firstly,thetechnicalbackground,thecurrentstudyandthedevelopmenttrendofthefireemergencyevacuationlightingaswellasthesignificanceandtheobjectivesofthisdesignareexpound.Then,theclassificationofthefireemergencyluminarywidelyusedandtheprincipleofself-poweredemergencyluminaryforfirefightingarehighlighted.Theoverallstructurediagramaccordingtothenationalstandardisalsopresented.Subsequently,afterthekeydeviceswerereasonablychosen,thespecificcircuitdiagramofthreeimportantmodulesincludingthepowermodules,theCPUmoduleandthephoto-electricalisolatedcommunicationmodulearepresented.Theoperationofeverymoduleisanalyzed.Thefunctionsofpower-downdetection,powerconversion,batterystatedetection,lightingLEDstateinspectionandRS-485communicationareachieved.Inthedesignofsoftware,theworklogicofthecontrollerandthemainblockdiagramofthesystemareintroduced.Theflowcharttoanalyzethethreestatesofbattery,opencircuit,shortcircuitandthenormalaredrawn.Finally,theseriesmodeinterference,thecommonmodeinterferenceandthelong-termtransmissioninterferencearediscussed.Someanti-jammingmeasures,suchasphoto-electricisolation,shieldingandfilteringaredescribed.

Keywords:

Single-chipmicrocomputer,Emergencyluminary,Firefighting,RS-485communication

1绪论

1.1消防应急照明技术背景介绍

所谓应急照明,是指在非正常状态下才使用的照明设施,包括:

备用照明、疏散照明、安全照明。

随着我国综合国力的不断增强,人民生活水平的日益提高,公众聚集场所越来越多,公众聚集场所火灾事故也日趋频繁,特别是群死群伤恶性火灾时有发生,不但造成了大量人员伤亡,而且影响了社会政治稳定。

这些火灾的发生,大多是因为这些场所发生火灾时缺少必要可靠的应急照明和疏散指示,致使火灾发生后被困人员不能及时疏散,被烟熏窜息而死[1]。

消防应急灯具作为一种重要的消防器材,广泛应用于宾馆、商场、娱乐场所等公众聚集场所,其功能是这些场所发生火灾断电后,应急灯具自动照明,引导被困人员疏散。

消防应急疏散照明技术是一项重要的救生疏散技术。

近几年,随着国民经济的高速发展,高大而复杂的智能建筑日益增多,对消防安全的要求越来越高,消防应急灯具的品种不断增多如表1.1,性能不断改进,技术水平有了很人提高[1]。

表1.1消防应急灯的分类

按功能分照明或标志照明和标志消防应急灯

按工作方式分持续工作型、非持续工作型

按应急供电方式分自带电源型、集中电源型

按工作实现方式分独立控制型、集中控制型、字母控制型

按安装高度分高位安装型、低位安装型、高低位复合安装型

按用途分消防应急照明灯、消防应急标志灯、消防应急照明标志灯欧美等发达国家消防应急疏散照明技术发展较早、较快,一直处于领先地位,上述各种灯具已被大量生产和广泛应用。

我国起步较晚,但近年来发展也很快。

目前,国内已申请到国家公安部消防产品认证的应急灯制造商大约300余家,但产品质量、性能和品种同发达国家相比还有一定的差距。

只有少数大型企业及一些合资企业的产品与国外产品相差无几,并向智能环保型方向发展,但价格稍高。

现在,自带电源独立控制型消防应急灯具是我国的主要应急灯具产品[1]。

应急疏散照明技术未来发展有以下几大特点:

1.荧光灯、白炽灯光源技术被场致发光光源技术所取代场致发光器件标志灯具具有节能、美观、表面亮度和匀光度都易控制等优点,其耗电极低,发展前景广阔。

我国过去曾长期使用荧光灯及自炽灯作为光源,其缺点是效率低下,场致发光器什的使用得益于技术的进步及智能建筑中的大量需求。

2.低位应急照明安装技术将得到广泛应用低位应急照明技术是指在靠近地面或地面高度上提供疏散应急照明的一项新的安装应用技术,与传统的高位安装技术相比,它具有特殊的优点和独到之处。

传统的高位应急照明安装技术常用于有较高天棚的较大空间和疏散走道的天棚或墙壁距地面有一人高度的位置处,为空间和走道提供均匀的照度,并为走道提供清楚的信息和方向标志,一般采用传统的持续型应急照明灯具和8瓦充电应急标志灯具。

然而,在更多的有限空间里,如带有相对低的天棚的走廊,高位应急照明系统提供的照度往往不如低位应急照明系统。

原因是当着火时,靠近地面处烟少,氧气多,便于人的匍匐行动;另一方面,低位应急照明系统采用能发出穿透烟强光的发光二极管光源,可产生理想的局部高照度,使疏散人员更容易识别疏散走道,迅速而安全地找到安全出口。

所以,低位照明在火灾和其它应急情况下对于人的安全疏散十分重要。

在图纸设计上一般也主要采用这种作法。

3.向智能化、环保等高科技方向发展新型的电力电子技术相结合的高科技电子产品,综合了计算机测量与控制技术、电力电子逆变技术、网络通讯技术、系统在线检测等技术,组成了光机电一体化的应急电源及应急照明系统产品,具有高效率、高技术含量、高可靠性的特点。

并且在减少谐波对电网的污染方面有较多的考虑。

1.2相关技术的发展现状及趋势

目前蓄电池供电方式主要采用如下两种形式:

一种是独立式供电,每个应急灯自带备用蓄电池,平时由市电供电,只有当市电电源切断时,备用电源才自动投入运行;另一种是采用集中式供电,每个应急灯本身不带电源,市电故障时,由专用集中式应急电源供电。

针对两种不同的供电方式必须提供不同的内部控制电路。

本文设计的控制电路是独立式供电的应急灯具。

目前国内大部分的应急灯具采用的都是由分离器件搭配通用lC如555、LM358构建控制系统。

国家对消防应急灯具有完整的国家标准GBl7945-2000,要求应急灯具具备完善的应急转换、充电保护和故障检测、保护和显示等功能,这要求有当数量的分离元件,同时对单个元件的特性要求也较高。

部分厂商出于降低成本的目的,只能提供应急转换、充电计时等功能,而不能完整的提供的故障检测、故障显示和保护等国家标准所强制要求达到的指标。

国内市场也出现了应急灯具的控制芯片,但是其存在的主要问题:

1.对电池的保护不够。

大多采用慢速充电的方式给应急电源进行持续充电,应急电源充满后没有涓流充电过程,容易导致应急电源的过充;

没有充电时间可选,不能适应于不同型号的电池;

应急照明灯和应急标志灯需要采用不同的控制芯片;

应急工作时间达不到标准要求的90min;

终止电压偏低,未能满足标准规定额定电压要求的80%;

充放电耐久试验末次放电时间达不到首次放电时间的85%。

随着国家对消防措施的日益重视,对消防应急疏散灯具的要求越来越高,用功能更加完善的控制芯片取代目前的由分离器件或简单控芯片构成的系统成为必然趋势[2]。

1.3课题意义及其目的

据应急灯行业权威人士估计,全国应急灯一年的市场总需求量大概在4亿左右。

随着国民经济的发展、社会安全意识的提高,对公众安全的要求只会越来越高,意味着应急灯具市场必然从不成熟走向成熟。

如前所述,目前的应急灯具大部分不同程度的存在着质量不过关、安全隐患,直接威胁到公众的安全。

造成这种局面的直接原因来源于应急控制电路。

设计安全性能更好、稳定性更高的消防应急灯控制芯片是必然的趋势。

2消防应急灯具工作原理

2.1常用消防应急灯

自19世纪40年代开始,国家及地方权威性机构就明文规定了应急灯在商业楼房,工业设施及公共场所方面的使用,以确保人们远离由于火灾或其他事故引起的恐慌所带来的对生命财产安全的威胁。

应急灯广泛运用于大型场所如银行营业厅,商场等人口聚集比较多的地方,以有效的确保外出人员的安全。

目前市场上的应急灯按应急供电方式大致分为:

自带电源型和集中电源型。

自带电源型单个系统自带备用蓄电池,平时由市电供电,只有当市电电源切断时,备用电源自动投入运行;集中电源型单个应急灯本身不带电源,市电故障时,由专用集中式应急电源供电。

目前集中电源型应急灯具主要用于智能化程度很高的大中型建筑中,并且需要有人值守,同时由于其需要统一的备用电源,如果备用电源发生故障,将导致整个系统无法工作。

所以,目前国内的公共建筑里大多采用自带电源型应急灯具。

因为其备用电源独立,一个系统的故障不会影响剑另外的系统。

同时其线路的敷设也较为简单。

a常明应急疏散标志灯

b双头应急疏散照明灯

图2.1常用自带电源型消防应急灯具

图2.1是市场上最常见的两种自带电源型应急灯具:

图2.1a是常明应急疏散标志灯,其内部使用的光源是LED:

图2.1b是双头应急疏散照明灯,其内部使用的光源可以是荧光灯、白炽投射灯、EL等。

常明应急疏散标志灯主要给楼道拐角等采光不理想的地方提供常明的光源,以确保疏散指示标志能够正常的显示,其在市电正常的情况由市电提供光源电源,而在发生消防状况时,由于市电被切断,内部的蓄电池提供电源以保证在一定的时间≥90min内疏散指示标志仍然能正常的显示。

双头应急疏散照明灯主要用于展览馆、会所等人口聚集的公共建筑。

正常情况下,其光源不发光。

而在发生紧急情况后,其光源需要提供足够亮度的光源以保证人员能够及时的疏散。

其提供应急光源的时间和常明疏散灯的标准一样。

2.2自带电源型消防应急灯具工作原理自带电源型消防应急灯具主要由以下器件构成:

应急灯具、蓄电池、控制电路、状态显示灯、测试开关等。

对于常明应急疏散标志灯和应急疏散照明灯米说,由于应用要求的多样性,他们在这些元件的选择上也会有很大的差异。

下面简要说明两种应急灯具的器件构成和工作原理:

对于常明应急疏散标志灯来说,目前市场上一般采用绿光散射LED做为光源,也有部分厂家会使用EL场致发光源和荧光灯。

由于绿光LED的功耗较小,其使用的蓄电池一般为3.6V。

且电池容量也不大≤800mAH。

常明应急疏散标志灯的外观一般偏薄,内部不能直接使用电力变压器降压以提供控制电路所需工作电源,一般在控制电路中引入由电子变压器为主体的开关电源。

目前其控制电路主要由分离器件搭配通用IC如555、LM358完成。

状态显示灯一般由红黄绿三色LED灯来表示,状态显示灯一般安装在应急灯具的侧边。

测试开关一般和状态显示灯放置在一起,一般采用普通的按钮开关,它的作用主要是便于建筑管理人员的日常维护和检查[3]。

常明应急疏散标志灯的工作原理:

如果市电电压正常并且电池电压和光源状况也正常,则状态指示灯绿灯、充电状态灯红灯亮,故障指示灯灭,控制电路控制开关电源给LED灯供电,保持疏散显示正常,同时控制电路检测市电电压、电池电压和光源,提供充电回路给蓄电池进行慢速充电;如果慢速充电完成,则充电指示红灯灭。

如果在市电正常情况下,出现电池开路、电池短路等故障,故障指示灯黄灯亮,提示管理人员需要对系统进行检查和维修;当市电电压低于应急转换电压时,控制电路转入应急状态,此时备用电源和光源的同路被打开,保证光源能正常的二作;当电池电压低于规定的放电电压时,控制电路应断开电池的所有放电回路,同时整个控制电路应停止工作以避免蓄电池的漏电。

对于双头应急疏散照明灯,其光源可以是白炽投射灯、荧光灯、卤素灯等,由于一般对照明灯亮度要求较高,很少会使用LED作为光源;基于同样的原因,应急疏散照明灯使用的蓄电池种类更多、电池容量更大。

目前使用的有3.6V、6V、12V等多种电池,同时一般要求电池额定容量大于1000mAH。

由于应急疏散照明灯对体积要求不高,所以市场上人部分采用的是小功率电力变压器。

控制电路相对常明急疏散灯控制电路简单,因为不需要提供常明通路。

状态显示灯和测试开关的功能和设置和常明急疏散灯类似,不过安放位置在应急灯具的正面。

应急疏散照明灯的工作原理和常明急疏散灯类似,不同的是市电正常情况下,光源不亮,因此,应急疏散照明灯应能检测光源开路与否,如果出现光源故障,故障指示灯应亮[3]。

表2.1对两种工作方式应急灯具的比较

状态充电状态光源断路电池断路电池短路充电完成应急状态

标志灯光源√×√×√√

绿灯√√√×√×

红灯√√√×××

黄灯××√√××

照明灯光源×××××√

绿灯×××××√

红灯√√√×××

黄灯×√√√××

2.3消防应急灯具的国家标准消防应急灯具的质量好坏直接关系到人民生命财产安全,因此,国家对消防应急灯具有严格的国家标准,目前国内实行的是GBl7945-2000。

表2.1列出了和控制电路设计直接相关的标准,本课题的主体设计完全遵循这个标准,同时考虑到该标准属于对消防应急灯的基本要求,出于提高产品性能的目的,需要在控制电路加入一些实用功能。

表2.2GBl7945-2000对控制电路的要求

标准序号参数具体标准

5.1.1应急转换时间消防应急灯具应急转换时间应不大于5s,离危险区域使用的消防应急灯具应急转换时间不大于0.25s。

5.1.2应急工作时间消防应急照明灯具的应急工作时间应不小于90min。

5.1.7主电故障保护应急状态应不受主电供电线路短路、接地的影响。

5.1.8测试按钮消防应急照明灯具应设有模拟交流电源供电故障的自复式试验按钮,不应设影响应急功能的开关。

5.1.9故障显示自带电源型消防应急照明灯具应设置主电、充电、故障状态指示灯。

主电状态用红色,充电状态用绿色,故障状态用黄色。

5.1.10光源故障保护消防应急灯具在未接入光源、光源不能正常工作或光源规格不符台要求等异常状态时,内部元件表面温度应不超过90℃,且不影响电池的正常充电。

光源正常后,消防应急灯具应能正常工作。

5.1.15充电保护消防应急灯具应具有过充电保护和充电回路短路保护,充电回路短路时其内部器件表面温度不应超过90℃.重新安装电池后,应急灯具应能正常工作。

消防应急灯的充电时间应犬于24h,最大连续过充电电流不应超过0.05CsA。

5.1.16过放电保护电池放电终止电压应不小于额定电压的80%,放电终止后,在未重新充电条件下,即使电池电压回复,消防应急灯具也不应重新启动,且静态泄放电流应不大于0.1CsA。

5.1.18

5.1.19转换电压消防应急灯具在主电电压为132-187v范围内,不应由主电状态转入应急状态。

由主电状态转入应急状态时的主电电压应在132-187v范围内,由应急状态转为正常状态的时间应不大于187v。

5.1.20连续转换照明状态消防应急照明灯具应能完成10次“完全充电-放电终止-完全充电”循环的充电、放电过程。

末次放电时间应不低于首次放电时间的85%

2.4本消防应急灯设计的总体结构

2.4.1系统硬件设计

该系统主要由主控制器和应急灯单元两部分构成。

主控制用MCS-51系列单片机作微处理器,应急灯单元也用MCS-51系列单片机作微处理器。

主控制器和应急灯单元共同构成多单片机通信系统,应急灯嵌入的单片机主要完成应急灯状态采集、点亮或熄灭应急灯的功能,并与主控制器进行通信。

应急灯的状态及时送往上位主控制器,并在主控制器上显示出来,如果是故障状态则主控制器会有相应的声光显示见图2.2[4]。

图2.2主控制器与分散应急灯之间连接原理框图

2.4.2应急灯单元

应急灯状态主要有应急灯应急状态、故障状态、充电和主电状态。

应急灯的状态采集由单片机完成。

用3个发光二极管来表示应急灯的4个状态,同时留出串行通信口和主控制器进行通信。

本设计主要完成应急灯单元的设计,结构框图见图2.3。

图2.3系统结构框图

2.4.3系统通信部分设计集散型应急灯控制系统所要求的传输距离较远必须采用串行通信总线技术实现远距离串行通信。

而具体的通信方法,是通过串行总线技术或者是通过电力载波实现。

本系统可采用串行通信的方法来实现主控制器与应急灯之问的串行通讯信。

3硬件电路分析

3.1电源模块图3.1为电源模块框图,图3.2为此模块的电路图。

下面将对每一模块所需用的器件进行选型,并分析每个模块所要完成的功能。

图3.1电源模块框图

图3.2电源模块电路图

3.1.1主电电路

1.器件选型1）电源稳压器

LM78XX系列主要有LM712、LM709、LM705和LM733等几种,都是三端电源,在单片机中最为常用的有LM705和LM733两类。

这些元件都使用了电流限制、热关断和安全区补偿技术,使他们在大多数工作条件下都非常稳定可靠。

如果采用合适的散热器,他们的输出电流可以超过1.5A。

图3.2中的U7/U8/U9/U10为LM78XX系列电源稳压器,其引脚分布及功能如表3.1及图3.3所示。

此元件使用了7806输出6V电压,7809输出电压为9V。

表3.1LM78XX系列电源稳压器引脚功能一览表

引脚编号引脚符号引脚功能

1Vin电源输入端

2GND接地端

3Vout电源输出端

图3.37806引脚图2）整流电路桥本电路常用于小功率单相交流输入的场合。

目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中,他将交流电变为直流电,应用十分广泛。

2.电路分析

主电电源模块主要有变压器、整流桥和电源稳压器组成（见图3.4）。

图3.4主电源电路

A、C端提供9V电压,B、D端提供6V电压。

D1路电源给485电路供电,D2路电源给单片机及A/D转换器供电。

注:

图3.4中的发光二极管D2为主电源供电标识灯（绿灯）。

3.1.2Li电池模块

Li电池模块有电池充电电路、电池检测电路和电源转换电路组成（见图3.5）。

Li电池由主电电源充电,当没有市电时,应急灯工作电源需要由Li电池提供。

图3.5Li电池模块电路图

1.Li电池充电电路应急灯电池的充电非常重要,如果电池出现过充电或者充电不够,直接导致应急灯具电池的使用寿命。

考虑到精确的快速充电模式需要非常复杂的电路,目前几乎所有的应急灯具都采用固定时间慢充的方式给电池充电,结合国家标准“5.1.15”,目前普遍采用的慢充充电方法是:

以0.1CC为电池的额定容量,单位为mAH的速度给电池充电,考虑到电池的静态泄放电流,充电时间应为15小时:

当慢速充电完成后,转为涓流充电,以保证电池继续处于充满状态,从国家标准来看,要求涓流充电电流小于0.05C。

本设计由单片机P1.5和P1.6引脚控制Li电池的充电。

当P1.5为高电平时NPN三极管Q1导通,Q1的发射机有电流,即Q2的基极有了电流使Q2管导通,这时由主电电源给Li电池充电。

若单片机P1.5为低电平Q1管不能导通,Q2管没有基极电流,从而Q2管不会导通Li电池不能充电。

单片机P1.6引脚同样控制三极管Q3、Q4给Li电池充电。

单片机P1.5和P1.6引脚同时为高电平可使Li电池快速充电（见图3.6）。

图3.6