新颖智能应急照明灯的设计.docx
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新颖智能应急照明灯的设计
新颖智能应急照明灯的设计
摘要
随着时代的飞跃进步，各个方面的技术也是迅猛发展，尤其是电子技术，随着大规模集成电路的产生而出现的丰富的电子产品得到飞速发展，这些产品的产生给人类生活带来了质的变化。
电子技术的飞速发展使现代科学研究得到了质的跨越，这些功劳就离不开那些微电子技术集成块。
可以说集成块的出现给电子产品的微型化做出了巨大贡献，更可以毫不夸张的说它的出现时电子技术领域带来一次新的技术革新。
目前，各类的集成块层出不穷，它的体积越来越小然而功能是越来越强大，并且质量好。
重量轻、易于开发、可靠性高及成本的低等优点而被广泛应用。
而且已经走进寻常百姓家，从小的收音机在到大件的汽车等家庭常用东西并已走人家庭，到处都可见到集成块的踪影。
因此，集成块技术的开发与应用技术已经可以是衡量一个国家科技以及工业发展水平的一个重要水准之一。
本次课可设计的新颖智能应急照明灯就是主要利用NE555集成块和CD4049集成块设计而成的。
在突发停电状况下，为了保证人们的生命财产安全，应急灯是必不可少的设施。
目前市面上大多数应急灯仅仅在市电突然中断时自动点亮，并不考虑现场是否需要照明，，比如白天停电时应急灯也会点亮，很浪费资源。
而本次研制的“新颖智能照明应急灯”克服了上述的缺点，它被设计为：
在白天或夜间用户主动关闭室内照明灯后，即使市电中断也不会点亮。
在夜间，一旦市电中断，失去照明的应急灯会立即被点亮，电路能自动检测断电前后室内的照明情况，并判断是否有启动应急灯照明的需要。
关键词：
应急照明灯,NE555,CD4049，集成块
目录
1绪论5
1.1课题描述5
1.2基本工作原理及框图5
1.3元器件选择6
2．主要芯片介绍7
2.1555集成定时器的五个组成部分7
2.2.555定时器基本功能8
2.3CD4049芯片8
2.3.1CD4049的引脚图8
2.3.2CD4049的功能特性9
2.3.3CD4049的主要性能参数9
2.3.4CD4049的内部结构图10
2.3.5CD4049交流特性图10
2.4与门功能11
2.5与非门功能12
3．主要功能模块13
3.1整流降压滤波模块13
3.3.1整流降压滤波流程13
3.3.2整流降压滤波电路图13
3.2坏境照明状况检测模块13
3.2.1境照明状况检测原理13
3.2.2环境照明状况检测电路图14
3.3智能开关模块14
3.3.1智能开关原理14
3.3.2智能开关电路图15
3.4电池欠压检测模块15
3.4.1电池欠压检测原理15
3.4.2电池欠压检测电路图16
3.5灯驱动模块16
3.5.1灯驱结构原理16
3.5.2灯驱动电路图17
4新颖智能应急照明灯总电路设计17
4.1新颖智能应急照明灯电路图17
4.2新颖智能应急照明灯工作原理18
总结19
致谢20
参考文献21
1绪论
1.1课题描述
随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。
而现在生活中有好多地方都离不开照明设施，例如在地下室、一些大厦的楼梯道里即使白天也需要照明，当然在市电正常时这些都可以靠普通照明灯就可以解决，但是当市电中断时就出现问题了，着些普通的照明设备就丝毫不起作用了，这时就要用到应急灯了。
本次介绍的应急灯在停电时能根据光敏探头检测到的光线强弱和当时是否需要照明等因素进行逻辑运算，决定应急灯的点亮或不点亮。
本次设计的新颖智能应急灯具有电路简单、取材容易、新颖智能、方便节电等特点，这给我们生活带来了极大的方便。
1.2基本工作原理及框图
本课程设计的新颖智能照明灯系统由整流滤波电路、市电检测电路、智能检测开关电路、坏境照明状况检测电路、稳压电路、电池欠压检测电路、灯驱动电路和电池组构成。
其基本工作原理：
市电首先经过整流滤波电路进入，经过稳压之后对电池组进行充电，在经过市电检测和坏境照明状况检测之后，若同时符合条件则通过灯驱动使应急灯点亮。
基本工作原理框图如图1.2所示。
图1.2基本工作原理框图
1.3元器件选择
✧光敏探头VTO选用有聚焦镜的3DU03等光敏三极管。
✧IC2选用输出电流较大的CD4049六反相器。
✧逆变管VT4选用基极驱动电流较小的DBT63C等达林顿三极管，要求耐压大于50V，电流大于5A;也可用9013、TIP41C等三极管组成复合管使用。
✧VD10选用Φ3mm高亮度红色发光二极管。
✧变压器T1选用6.5x6E1型铁氧体磁芯绕制，一次侧用Φ0.67高强度漆包线绕22圈，二次侧用Φ0.17高强度漆包线绕300圈，另外，还应根据节能灯的功率大小调整E1型铁氧体磁芯的空气间隙和C6容量大小（2200~6800pF）。
✧荧光灯管选用光效较高的H形或蝶形节能灯管，功率在7~18W间选用。
✧蓄电池选用容量在7~9Ah的摩托车免维护铅酸蓄电池。
✧其他元器件无特殊要求。
2．主要芯片介绍
2.1555集成定时器的五个组成部分
基本RS触发器：
有两个“与非”门组成
比较器：
C1、C2两个电压比较器
分压器：
阻值为5千欧姆的电阻串联起来构成分压器，为比较C1、C2提供的参考电压
晶闸管开关和输出缓冲器：
晶体管VT构成开关，其状态受Q非得控制。
下图是555在某一个软件中的逻辑符号：
图2.1555定时器的逻辑符号
555定时器是一个中规模的集成电路，只要爱外部连接时配上适当的电器元件就可以实现脉冲信号的产生。
下图是555定时器的内部结构图：
图2.1555定时器的内部结构
2.1.2.555定时器基本功能
当
=0时，输出电压VO=VOC为低电平，VT饱和导通。
当
=1时，VTH>2/3VCC、V
>1/3VCC时，C1输出低电平，C2输出高电平，Q=0，VO=VOH，TD导通。
当
=1时，VTH<2/3VCC、V
>1/3VCC时,C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来的状态不变，因此VO，VT也保持原来状态不变。
当
=1时，VTH<2/3VCC、V
<1/3VCC时,C1输出高电平，C2输出低电平，Q=1，VO=VOH，VT截止。
555定时器的逻辑功能如下表3-5
表2.1.2555定时器的逻辑功能表
2.2CD4049芯片
2.2.1CD4049的引脚图
图2.2.1CD4049的引脚图
2.2.2CD4049的功能特性
CD4049六反相缓冲器/转换器.,CD4049是六反相缓冲器，具有仅用一电源电压（VCC）进行逻辑电平转换的特征。
用作逻辑电平转换时，输入高电平电压（VIH）超过电源电压VCD。
该器件主要用作COS/MOS到DTL/TTL的转换器，能直接驱动两个DTL/TTL负载。
CD4049可替换CD4009，因为CD4049仅需要一电源电压，可取代CD4009用于反相器、电源驱动器或逻辑电平转换器。
CD4049与CD4009引出端排列一致，16引出端是空脚，与内部电路无连接。
若使用时不要求高的漏电流或电压转换，推荐使用CD4049六反相器。
2.2.3CD4049的主要性能参数
CD4049的主要性能参数如下：
●工作电源电压：
—0.5V——18V；
●输入电压：
—0.5V——18V
●各引脚输出电压：
—0.5V——0.5V
●储存温度范围：
—65℃——150℃
●普通双列封装功耗：
700mW；
●小外形封装功耗：
500mW；
●焊接温度：
260℃；
2.2.4CD4049的内部结构图
CD4049电路原理图如图2,2,4所示：
图2.2.4CD4049的原理图
2.2.5CD4049交流特性图
图2.2.5CD4049的交流特性图
2.3与门功能
图3.3.1与门逻辑符号
真值表如下表2-3
表2-3
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
从真值表中可以看出与门的功能，A、B输入只要有一个低电平输出F为低电平，A、B输入全为高电平时输出为高电平。
2.4与非门功能
图2.4与非门的逻辑符号
与非门的真值表如下表2-4
表2-4
A
B
F
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
从真值表中可以看出与非门的逻辑功能，A、B输入只要有一个低电平输出F即为高电平，当A、B输入全为高电平时输出F为低电平。
3．主要功能模块
3.1整流降压滤波模块
3.1.1整流降压滤波流程
220v交流市电从T2左端接入，通过T2达到降压的作用，再通过4个FR157首尾相连组成整流堆完成对电流的整流作用，然后电流在经过C8、C9时完成滤波，最终进入LM7815进行充电。
3.1.2整流降压滤波电路图
图3.1整流降压滤波电路图
3.2坏境照明状况检测模块
3.2.1境照明状况检测原理
对坏境照明状况检测主要靠的是光敏探头，由图中VT0、VT1、RP1组成。
在停电时，光敏探头检测到光信号突然减弱，或门逻辑电路输出低电平触发施密特触发器电路输出高电平于是控制电路启动节能灯电路工作，应急照明灯点亮。
同时，反相器组成的自锁电路将施密特触发器锁定在输出高电平状态，使应急灯保持点亮状态。
当电网恢复供电时，或门逻辑电路检测到来电信号后输出高电平、触发施密特触发器翻转输出低电平使应急灯熄灭。
当白天或夜晚未开照明灯时停电，光敏探头检测到光线不产生突然变化，应急照明灯不会启动点亮。
3.2.2环境照明状况检测电路图
图3.2.2光敏探头电路图
3.3智能开关模块
3.3.1智能开关原理
ICINE555时基集成电路组成典型的施密特触发器，当C点（IC1的2、6脚）电位大于2/3Vcc时，Q端（3脚）输出低电平；c点小于1/3Vcc时，Q端输出高电平，4脚是强制复位端，当4脚（b1）电位大于1.4V时，施密特触发器正常工作，小于0.3V时被强制复位，此时不管C点电位是处于高电平还是处于低电平，Q点总是输出低电平。
当al、C点为低电平，b、b1点因C1延时放电保持为高龟平，满足施密特触发器翻转条件，因此，密特触发器S翻转，Q端输出高电平，其一路经R8给VT2提供正向偏压，使VT2导通，将al点籍制为低电平自锁；另一路，使D点输出高电平，自动应急照明灯点亮。
当应急照明灯的光线照射光敏探头使VTD、VTl导通时，a点升为高电平，并经D1向C1充电，使b点保持在高电平状态。
a点的高电平因al点被籍制在低电平而不会使C点升为高电平，因此，C点仍应保持在低电平，Q,D点保持在高电平，应急照明灯应继续点亮。
C3的作用是保证应急照明灯点亮时间稍晚于自锁电路动作时间，保证自锁电路优先动作。
再来电时，E1、C点恢复高电平（VD2反偏截止），施密特触发器翻转输出低电平，Q,D点转为低电平，应急照明灯熄灭，VT2失去偏置电压而截止，处于待命状态。
3.3.2智能开关电路图
图3.3.2智能开关电路图
3.4电池欠压检测模块
3.4.1电池欠压检测原理
铅蓄电池低电压报警器电路由VT5、VT6、RP2、VD10等组成，调整RP2的阻值，可调整铅蓄电池的低电压报警点（一般选10.5V），当铅蓄电池电压下降到设定电压时，VT5截止，VT6导通，发光二极管VD10点亮，发出红光报警，但不停止应急灯工作，以避免在急需照明时因蓄电池电压保护动作使应急灯熄灭，如报警时照明不重要，可按下SB1而强制关掉应急灯。
3.4.2电池欠压检测电路图
图3.4.2电池欠压检测电路图
3.5灯驱动模块
3.5.1灯驱结构原理
灯驱动主要是由CD4049、二极管VD4、三极管VT3VT4、变压器T1、灯管EL和一些电容电阻组成。
当Q端输出高电平使VT3饱和导通，经D1反相后D为高电平，VD4截止，由IC2的D2、3D、D4反相器组成方波发生器起振，振荡频率约15KHZ，经D5、D6反相器并联组成的激励推动电路，推动VT4逆变管工作，经变压器T1输出高频电流点燃节能灯EL。
3.5.2灯驱动电路图
图3.5.2灯驱动电路图
4新颖智能应急照明灯总电路设计
4.1新颖智能应急照明灯电路图
图4.1智能应急照明灯电路图
4.2新颖智能应急照明灯工作原理
智能应急灯由电源整流、恒压充电、光敏探头、逻辑电路、施密特触发器（停电状况鉴别器）、自锁电路、蓄电池、控制电路，节能灯电路等组成。
其电路如图所示。
平时，市电经充电器向蓄电池恒压充电，其最高充电电压为14.5V.夜晚停电时，光敏探头检测到光线信号突然减弱，或门逻辑电路输出低电平触发施密特触发器电路输出高电平，于是控制电路启动节能灯电路工作，应急照明灯点亮。
同时，反相器组成的自锁电路将施密特触发器锁定在输出高电平状态，使应急灯保持点亮状态。
当电网恢复供电时，或门逻辑电路检测到来电信号后输出高电平、触发施密特触发器翻转输出低电平使应急灯熄灭。
当白天或夜晚未开照明灯时停电，光敏探头检测到光线不产生突然变化，应急照明灯不会启动点亮。
就是说应急照明灯在不需要照明的情况下，不会因为停电而启动点亮，具有智能控制应急照明灯点亮和熄灭的功能。
为提高充电器的充电电流，采用了两只配对的LM7815并联对蓄电池充电。
D5是防止在停电时蓄电池向电源检测电阻器R5供电，并兼有降低蓄电池最高充电电压的作用。
VTO,VT1、RPI组成光敏探头电路，调节RPl的阻值可以调节光敏探头的感光灵敏度。
R2,R4,R5、D2、D3组成两输人端或门电路，当a、E1两输人端只要有一个输人端为高电平时，其输出端C点即为高电平；当a、E1两个输人端同时为低电平时，C输出低电平。
ICINE555时基集成电路组成典型的施密特触发器，主要用于停电状况鉴别。
当C点（IC1的2、6脚）电位大于2/3Vcc时，Q端（3脚）输出低电平；c点小于1/3Vcc时，Q端输出高电平，4脚是强制复位端，当4脚（b1）电位大于1.4V时，施密特触发器正常工作，小于0.3V时被强制复位，此时不管C点电位是处于高电平还是处于低电平，Q点总是输出低电平。
这里强制复位的作用是：
当在夜晚不需照明时，光敏探头因无灯光照射而使VTO、VT1截止，a点电位为低电平，b点电位随着C1经R3、R6放电后也降为低电平，使b1点电位小于0.3V而强制施密特触发器复位输出低电平，并使其不受停电后C点电位转为低电平的影响，从而使Q、D点电位保持在低电平，使应急灯在夜晚不需照明（本来就没开灯）时，再遇到停电也处于不工作状态。
VTZ、R8组成反相器自锁电路，当夜间在照明状态下停电时，E1点为低电平，照明灯突然间熄灭后光敏探头无光照，VTO、VTl截止，a点为低电平，C点也转为低电平，由于C1充足电后保持高电位使b点仍为高电平，b1点亦为高电平，施密特触发器被正常触发翻转，Q端输出高电平，经R8向VT2提供正向偏置电压，VT2导通并将al点钳制在低电平。
同时，Q端输出高电平使VT3饱和导通，经D1反相后，D点为高电平，VD4截止，由IC2的D2、D3、D4反相器组成方波发生器起振，振荡频率约15kHz，经D5、D6反相器并联后组成的激励推动电路，推动VT4逆变管工作，经变压器T1输出高频电流点燃节能灯EL.光敏探头受光照后VTO、VTI导通，a、b、b1点转为高电平，由于VT2导通将al点钳制在低电平状态，从而使C点仍保持在低电平状态，保证Q点输出高电平（即自锁），并使应急灯保持正常点亮状态。
蓄电池低电压报警电路由VT5、VT6、RP2、VD10等组成，调整RP2的阻值，可调整蓄电池的低电压报警点（一般选10.5V），当蓄电池电压下降到设定电压时，VT5截止，VT6导通，发光二极管VD10点亮，发出红光报警，但不停止应急灯工作，以避免在急需照明时反面因蓄电池低电压保护动作而使应急灯熄灭，如报警时照明不重要，可按下SB1将应急照明灯关闭。
总结
经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。
在本次数字电子技术课程设计过程中，我学到了不少的东西，通过自己动手查资料请教老师同学，确实学到了很多课本里学不到的知识。
在绘制电路图的时候，自己不会用Protel软件我就请教了好些位同学关于这方面的知识，虽然大家都忙着做课程设计时间比较紧，但他们还是耐心的教我怎么用，最终我花了一个下午的时间学会了Protel的用法，然后自己独立完成了电路图的绘制。
还有在做课程设计的时候发现自己的Word真的很差，很多基本的功能就不会用，然后为了完成课程设计我上网搜了一些资料，了解了Word的强大功能和用法。
在本次课程设计中通过自己动手查资料自己也对NE555和CD4049等一些集成块的功能有了更深层次的了解。
通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。
在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。
在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。
总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。
在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。
致谢
通过二周的努力，终于将数字电子技术设计完成了，在完成课程设计的这二周中，王二萍老师给予了我很大的帮助。
她不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。
当我对此课程设计无从下手的时候，王老师专心地为我们讲解，为我们解决了很多实际存在的困难和问题。
因为我们是第一次接触这个课程设计，很多东西都不知道，王老师为了让我们少走弯路她还特意给我们讲解了一下课程设计的格式，还给我们发来了模板，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲。
还要谢谢在此次课程设计中帮助我的各位同学，是他们教会了我怎样去画电路图，耐心的给我讲解了很多电子元器件的知识，帮我解决了很多疑问，真的没有这些同学的热心帮助我是无法这么顺利的完成此次的课程设计的。
在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的王二萍老师，也要感谢一直支持我帮助我的各位同学。
通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。
在此，再次感谢各位同学同学和王老师老师。
参考文献
[1]数字集成电路应用300例黄继昌人民邮电出版社
[2]实用电路小丛书光电电路赵宏图电子工业出版社
[3]常用电子电路280例解析张延琪中国电力出版社
[4]新编电子元器件选用与检测郑凤翼福建科学技术出版社
[5]模拟电子技术基础简明教程杨素行高等教育出版社
[6]数字电子技术基础简明教程余孟尝高等教育出版社
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