太阳能应急灯.docx
《太阳能应急灯.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能应急灯.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
太阳能应急灯
\\
\\\\\\\\\
攀枝花学院综合实验（论文）
基于单片机实现计算器的设计
学生姓名：
熊金彪
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
2011级电子信息工程
指导教师：
伍刚教授
同组学生：
余波周章祝超果
二〇一四年五月
摘要
近年来，大型公建越来越多，尤其是人员较为密积的酒店、商场、写字楼，在紧急状况下的人员疏散是一个很现实和重要的问题，这对应急照明系统的合理设置提出了新的问题。
应急照明包括以下几种：
（1）正常照明失效时，为继续工作（或暂时继续工作）而设的备用照明
（2）为使人员在火灾情况下，能从室内安全撤离至室外（或某一安全地区）而设置的疏散照明；
（3）正常照明突然中断，为确保处于潜在危险的人员安全而设置的安全照明。
就其功能而言，应急照明是十分重要的，它涉及到人身安全的问题，所以应急照明系统设计的合理性是其可靠性的关键。
本应急灯由后备锂电池电供电，而锂电池平常由市电和太阳能板对其充电。
当市电断电后，应急灯工作，应急灯由锂电池对其供电，太阳能板对锂电池充电；在市电正常时，应急灯熄灭，市电经整流，滤波后对LED灯供电。
【关键词】应急灯;整流滤波;太阳能板子。
Abstract
Inrecentyears,largepublicmoreandmore,especiallythestaffisrelativelyclosepackingofhotels,shoppingmalls,officebuildings,inanemergencyevacuationisaveryrealisticandimportantproblem,thereasonablesettingofemergencylightingsystemarealsoputforwardnewproblems.
Emergencylighting,includingthefollowing:
（1）normallightingfails,tocontinuetoworkorcontinuetoworktemporarilyandstandbylighting
（2）tomakepersonnelundertheconditionoffire,fromindoorsafetyevacuationtooutdoor（orasafearea）andsetupevacuationlighting;
（3）thenormallightingsuddenly,toensurethesafetyofthepersonnelatriskofpotentialsecuritylighting.Intermsofitsfunction,emergencylightingisveryimportant,itrelatestopersonalsafetyproblems,sotherationalityofthedesignofemergencylightingsystemisthekeytoitsreliability.
Theemergencylightsbybackuplithiumbatteryelectricpowersupply,andlithiumbatterybyordinarymainsandsolarsurfacecharge.Afterthemainspower,emergencylights,emergencylightsbylithiumbatteryforitspowersupply,solarthreateningthelithiumbatteries;Whenthemainsisnormal,emergencylights,mainsthroughrectifier,filterafterfortheLEDpowersupply.
【keywords】emergencylight;Rectifyingfiltering;Solarenergyboard.
目录
摘要1
Abstract2
1绪论5
1.1本课题研究的背景及意义5
1.2应急灯的介绍5
1.3应用应急灯的作用与意义5
1.4本设计实现的技术指标5
2方案分析6
2.1方案认证6
2.2讨论总体方案6
3功能电路分析6
4系统的硬件设计与实现7
4.1总体电路设计框图7
4.2锂离子电池7
4.3家用220V交流电充电模块8
4.4太阳能充电模块11
4.5LED照明及控制模块13
4.65V升压模块（可选）13
5Saber软件仿真16
5.1Saber软件的概要及发展16
5.2Saber的应用16
5.3saber的优点22
6PCB版的制作23
6.1利用DXP构建原理图23
6.2利用DXP生成PCB板的过程23
6.3将PCB板打孔24
6.4腐蚀25
7组装与调试25
7.1应急灯的组装25
7.2应急灯的调试26
7.3实验结果26
8结束语27
参考文献28
附录A：
系统电路图29
附录B：
元器件选择30
致谢31
1绪论
1.1本课题研究的背景及意义
应急照明是现代公共建筑及工业建筑的重要安全设施，它同人身安全和建筑物安全紧密相关。
当建筑物发生火灾或其它灾害，伴随着电源中断，应急照明对人员疏散、消防救援工作，对重要的生产、工作的继续运行或必要的操作处置，都有重要的作用……现在人身安全越来越重要，尤其是发生灾害的时候生命显得更加珍贵。
《建筑设计防火规范》第10.2.6条规定：
各单位应在各疏散走道、出口及楼梯间设置事故应急照明灯。
但是大部分应急灯都是价格高，不能大规模的应用。
本次设计的应急灯简单、价格低廉适应也中等收入的家庭应用。
1.2应急灯的介绍
应急灯的种类：
手提应急灯；消防应急灯；节能应急灯；供应应急灯；水下应急灯；可充电应急灯；太阳能应急灯；多功能应急灯等。
国内目前使用的应急照明系统以自带电源独立控制型为主，正常电源接自普通照明供电回路中，平时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。
这种形式的应急灯每个灯具内部都有变压、稳压、充电、逆变、蓄电池等大量的电子元器件，应急灯在使用、检修、故障时电池均需充放电。
另一种是集中电源集中控制型，应急灯具内无独立电源，正常照明电源故障时，由集中供电系统供电。
在这种形式的应急照明系统中，所有灯具内部复杂的电子电路被省掉了，应急照明灯具与普通的灯具无异，集中供电系统设置在专用的房间内。
与自带电源独立控制型应急灯具相比，集中电源集中控制型应急灯具有便于集中管理、用户自查、消防监督检查、延长灯具寿命、提高应急疏散效能等优点,系统可靠性好、使用寿命长、维护与管理方便、系统价格低。
但是集中电源集中控制型应急灯具由于每个应急灯具内没有备用电源，若供电线路发生故障，则会直接影响到应急照明系统的正常运行，所以对其供电线路敷设有特殊的防火要求。
而自带电源独立控制型应急灯具因为在每个应急灯具内都带有备用电源（蓄电池），所以对供电线路没有特殊的要求，供电线路故障并不会影响到备用电源发生作用。
应急灯发生故障时也只影响该灯具本身，对整个系统影响不大。
1.3应用应急灯的作用与意义
应急灯的作用就是当正常照明出现故障时充当应急照明。
属于消防系统的一部分，一般能够应急90分钟左右，帮助人们撤离事故区。
应急灯的电源和系统电源连接在一起，平时充当一般照明，同时进行充电，当发生断电或其他事故时自动切入应急状态。
用来更好的保护人们的安全、顺利工作。
1.4本设计实现的技术指标
本设计实验在市电正常下由灯正常工作且对储能电池充电；在断电情况下，由太阳能板子对储能电池充电以供给应急灯工作。
2方案分析
2.1方案认证
本应急灯由电源电路（整流电路、稳压电路）、两路充电电路等电路组成。
常用的容量较大的可充电电池有：
镍--镉电池，镍氢电池，铅酸电池，锂电池等，免维护密封铅酸蓄电池因其容量大，价格廉价。
而广泛用于便宜式仪器，轮船，电动车，通讯等，本设计选择4.2V小容量免维护锂电池。
2.2讨论总体方案
220V交流市电由工频变压降压，变压器次级电压经整流滤波用于对电池充电，稳压器输出电压调定在4.2V。
用4.2V直流电压给蓄电池充电，市电中断时由太阳能板给蓄电池充电输出4.2V电压供灯照明。
市电经过变压器后形成PWM脉冲，推动开关管工作，获得4.2V的稳压输出。
同时接受各种检测信号，完成控制功能。
在不增加硬件成本的情况下，可实现更多完善的充电，保护功能。
此方案的优点是：
电路简单、可靠。
缺点是：
由于蓄电池的关系照明时间比较短。
3功能电路分析
本设计应急灯电路由电源电路、两个充电电路等电路组成，
电源电路由电源变压器Tl、桥式整流二极管VD、电容C1、C2、C3等组成。
市电充电电路由电阻R1、R2，电容C4、C4，二极管D5、D6，蓄电池J3组成。
太阳能板充电电路由太阳能板、二极管D7组成
输出led电路由继电器U，灯L1、L2等组成
在市电正常时，交流220V电压经Tl降压及VD整流，在经过滤波后给锂电池充电以及使U吸合使得灯L1亮；停电时，K释放，由锂电池J3供电给灯L2，而太阳能板子给锂电池充电。
4系统的硬件设计与实现
4.1总体电路设计框图
太阳能应急灯大致分为：
220v交流电充电模块、太阳能电池板充电模块、USB接口5V输出（升压）模块（可选）、LED光源以及控制模块。
因此，总的电路设计方案围绕锂电池来做为核心设计。
图3.1硬件设计框图
4.2锂离子电池
4.2.1锂离子电池简介
锂离子电池（Li-ion，LithiumIonBattery）是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：
充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率。
此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点。
4.2.2锂离子电池工作原理简介
1）充放电原理
锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。
回到正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。
所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。
2）充放电过程
锂电池充电控制是分为两个阶段的，第一阶段是恒流充电，在电池电压低于4.2V时，充电器会以恒定电流充电。
第二阶段是恒压充电阶段，当电池电压达到4.2V时，由于锂电池特性，如果电压再高，就会损坏，充电器会将电压固定在4.2V，充电电流会逐步减小，当电流减小到一定值时（一般是1/10设置电流时），切断充电电路，充电完成指示灯亮，充电完成。
锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。
过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。
为简化设计与使用安全性本设计采用的是带有保护板的18650型锂离子电池，该电池保护板具有锂过放、过充、过流，以及输出短路保护等功能。
过充电保护：
当充电器对锂离子电池过充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。
为此，保护器件需监测电池电压，当其到达电池过充电压时，即激活过充电保护功能，中止充电。
过放电保护：
为了防止锂离子电池的过放电状态，当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时，即激活过放电保护，中止放电，并将电池保持在低静态电流的待机模式。
过电流及短路保护：
当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时，保护器件将激活过电流保护功能。
4.3家用220V交流电充电模块
4.3.1设计参数设定
输入电压：
220V50Hz
输出电压：
4.2V800ma
纹波电压：
纹波系数：
4.3.2选集成稳压器，确定电路形式
选择可调式三端稳压器LM317组成稳压电路如下图所示。
1）LM317主要特性
可调整输出电压低到1.2V。
保证1.5A输出电流。
典型线性调整率0.01%。
典型负载调整率0.1%。
80dB纹波抑制比。
输出短路保护。
过流、过热保护。
调整管安全工作区保护。
标准三端晶体管封装。
电压范围LM3171.25V至37V连续可调
2）特性概述
LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
（1）管脚说明：
（2）输出电压的计算
决定LM317输出电压的是电阻R1,R2的比值,假设R2是一个固定电阻.因为输出端的电位高,电流经R1,R2流入接地点.LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计.所以,控制端的电位是IXR2又因为LM317控制端,输出端接脚间的电位差为1.25V,所以Out（输出）的电压是:
考虑到隔离二极管的分压，故取R2为590Ω。
4.3.3选电源变压器
电压Vi的为：
4.2V
副边电压
取
副边电流
取
则变压器副边输出功率
取η=0.7，则原边输出功率
为留有余地选功率为10W的电源变压器
4.3.4选整流二极管和滤波电容
整流二极管D选1N4001，其极限参数为
，
。
满足
，
的条件。
已知Vo=4.2V，Vi=12V,
所以稳压器的输入电压的变化量：
滤波电容：
电容耐压值应大于
。
故取两只2200µF/25V的电容并联。
4.4太阳能充电模块
4.4.1太阳能电池板原理简介
太阳能电池能量转换的基础是半导体PN结的光生伏打效应。
当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区和P区中激发出光生电子--空穴对。
耗尽区：
光生电子--空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区。
根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为0，即p=n=0。
在N区中：
光生电子--空穴对产生以后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入P区，光生电子（多子）则被留在N区。
在P区中：
的光生电子（少子）同样的先因为扩散、后因为漂移而进入N区，光生空穴（多子）留在P区。
如此便在P-N结两侧形成了正、负电荷的积累，使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。
从而形成与内建电场方向相反的光生电场。
1.光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。
当电池接上一负载后，光电流就从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。
2如果将P-N结两端开路，可以测得这个电动势，称之为开路电压Uoc。
3.如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称为短路电流Isc。
4.4.2所选太阳能电池板规格及参数
名称：
多晶太阳能电池板
电压功率:
5V/2.5W
电流:
500ma
尺寸:
165*165*3mm
重量:
80克
4.4.2太阳能电池板充电电路
为简化设计直接在太阳能电池板输出段串联二极管，利二极管的导通压降分压实现约4.2v输出对锂离子电池充电，同时二极管起到防倒充的作用防止电流回流损坏太阳能电池板。
电路原理图如下
4.5LED照明及控制模块
当有220v交流电接入时，继电器开关切向左边，发光二极管D11（电源指示灯）导通，当断开220v交流电时继电器开关切向右边，D12（应急照明灯）导通，开始应急照明，可通过图中单刀开关控制其是否发光（默认为闭合）。
4.65V升压模块（可选）
4.6.1MC34063简介
该器件本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。
它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。
该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件
引脚说明:
1脚：
开关管T1集电极引出端；
2脚：
开关管T1发射极引出端；
3脚：
定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；
4脚：
电源地；
5脚：
电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1%的精密电阻；
6脚：
电源端；
7脚：
负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；
8脚：
驱动管T2集电极引出端。
4.6.2MC34063升压原理
MC34063组成的升压电路原理如下图,当芯片内开关管（T1）导通时，电源经取样电阻Rsc、电感L1、MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L1开始存储能量，而由C0对负载提供能量。
当T1断开时，电源和电感同时给负载和电容Co提供能量。
电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。
开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。
只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。
4.6.3参数计算
Vout（输出电压）＝1.25V（１＋R1／R2）=5V
Ct（定时电容）：
决定内部工作频率。
Ct=0.000004*Ton（工作频率）Ipk=2*Iomax*T/toff
Rsc（限流电阻）：
决定输出电流。
Rsc＝0.33／Ipk
Lmin（电感）：
Lmin＝（Vimin－Vces）*Ton/Ipk
Co（滤波电容）：
决定输出电压波纹系数，Co＝Io*ton/Vp-p（波纹系数）
固定值参数：
ton/toff=（Vo+Vf－Vimin）/（Vimin－Vces）
Vces=1.0V
Vimin:
输入电压范围的最小值3.2v-4.2v
Vf=1.2V快速开关二极管正向压降
5Saber软件仿真
5.1Saber软件的概要及发展
Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。
1986年Analogy公司开发并推出Saber仿真软件
2000年2月Avanti！
公司收购Analogy，Saber成为Avanti！
公司产品。
2002年6月Avanti！
公司被Synopsys并购，Saber软件再次易主，成为Synopsys公司产品。
2004年10月Synopsys在中国举办“Saber产品巡回展",并由北京才略科技有限公司作为总代理，开始了Saber仿真软件在中国的全面推广。
5.2Saber的应用
Saber是混合信号、混合技术设计与验证工具，在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用。
Saber软件在技术、理论及新产品开发方面保持明显优势，其大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统解决方案，在并在技术方面不断地完善创新。
Saber包括Sketch、Harness、ModelLibraries、InSpecs、CosmoScope五套工具，用来完成多层次设计（考虑电缆性能/不考虑电缆性能）、数据库、可执行参数设计与仿真精度保障、仿真测试与波形显示等功能。
设计者可以用MeasuredData、Datasheets或是SaberPlotFiles输入参数来设计约束条件，简单地实现建模。
Saber的建模工具运用广泛，有可用于电源、机电、磁、热、负载等各种建模工具。
Saber也有独特的设计与验证方法：
“自顶向下”（Top-DownDesign）设计与“自下而上”（Bottom-Up）仿真验证方法。
在作了建模方法演示、混合技术设计方法演示、线缆设计（从电气设计到线缆生产）流程演示后，Johnson演示了单故障模式仿真调试；关键参数与非关键参数的多故障模式仿真调试，显示了Saber仿真器Testify的强大功能。
Saber的典型案例是航空器领域的系统设计，其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。
从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都可以通过Saber来完成。
Saber目前在中国的重要合作伙伴有中科院、大唐电信、中芯国际、中兴通讯、艾默生电源等同时多家高校的实验室、电子研究所、IC代理商与系统方案提供商、知名国内汽车生产厂。
Keil的使用步骤如下：
1、打开软件SaberSketch
出现如下图图5.1所示：
图5.1打开软件SaberSketch
2、点击最下边工具栏中的PartsGallery，会出现出如下图图5.2所示边栏：
图5.2对话框
此时点击左边栏中的Search就可以搜索所需要的元器件，双击左键选取元器件。
选出如下图图5.3所示元器件（经反色后）
图5.3元器件选择
然后将所选元器件按如图5.4所示电路连接（经反色后）
图5.4
修改元器件参数大小以及显示问题，以电容元器件为例，左键双击该电容元器件将会出现如下图5.5所示对话框，按如图所示修改元器件参数
升级会员 