智能应急照明系统的设计.docx

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智能应急照明系统的设计

毕业设计（论文）报告

题目智能应急灯系统的设计

系别

专业

班级

学生姓名

学号

指导教师

2013年4月

智能应急灯系统的设计

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。

论文首先分析了智能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。

接着介绍了常用智能消防应急灯的分类，着重说明了自带电源智能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。

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.

Keywords:

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

前言

应急灯是由应急电源供电的，提供必要处所应急照明用的灯具。

应急灯被广泛地用于工厂、学校、仓库、码头、机场、医院、宾馆、酒店、大型办公楼、高档娱乐场等人员密集的场所。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。

广泛用在在各种控制电路中用来完善电路的控制功能。

对传统应急灯控制电路的改进。

首先要根据相关的技术规范，其次对应急灯控制电路进行分析改进，完善各种控制要求，增加一些辅助控制功能，增强其控制性。

本课题设计的智能应急灯系统主控制用MCS-51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。

单片机因为其性能十分稳定、适应能力强，并且开发价格低廉、门槛低，非常适用于工业控制中。

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。

随着科技的进步和社会的发展，单体建筑的面积越来越大，建筑高度越来越高，聚集的人员越来越多，当建筑物内部发生火灾时，造成人员严重伤亡的危险性越来越大，所以良好的应急照明系统是一个相当重要的安全设施，是保障建筑物内人员安全、及时疏散的前提，并且利于救援工作的顺利进行，从而最大限度地减少人员的伤亡和降低财产的损失。

本课题设计的智能应急灯主要用于消防领域。

当火灾发生时，正常供电可能无法使用，这时候智能应急灯就为撤离人员和消防人员提供了应急照明。

第一章智能应急灯系统

1.1智能应急灯背景介绍

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。

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。

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

表1.1消防应急灯的分类

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。

1.2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；

2.没有充电时间可选，不能适应于不同型号的电池；

3.应急照明灯和应急标志灯需要采用不同的控制芯片；

4.应急工作时间达不到标准要求的90min；

5.终止电压偏低，未能满足标准规定额定电压要求的80％；

6.充放电耐久试验末次放电时间达不到首次放电时间的85％。

1.3课题意义及其目的

据权威人士估计，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。

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。

第二章智能消防应急灯工作原理

2.1常用智能消防应急灯

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。

目前市场上应急灯按应急供电方式分为：

自带电源型和集中电源型。

自带电源型自带备用蓄电池，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；集中电源型单个本身不带电源，市电故障时，由专用集中式应急电源供电。

2.2自带电源型智能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。

常明应急疏散标志灯的工作原理：

如果市电电压正常，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。

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，应急疏散照明灯应能检测光源开路与否，如果出现故障，指示灯应亮。

2.3本智能消防应急灯设计的总体结构

2.3.1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。

图1主控制器与分散应急灯之间连接原理框图

2.3.2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。

图2系统结构框图

第三章硬件电路分析

3.1电源模块

图3为电源模块框图，图4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电源模块框图

图4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4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5所示。

此元件使用了7806输出6V电压，7809输出电压为9V。

引脚编号

引脚符号

引脚功能

1

Vin

电源输入端

2

GND

接地端

3

Vout

电源输出端

表3.1LM78XX系列电源稳压器引脚功能一览表

图57806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6）。

图6主电源电路

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7）。

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7Li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。

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8）。

图8Li电池充电电路

2.电池检测电路

自带电源型消防应急灯具由于使用的独立电源作为备用电源，电池的特性会直接影响到应急时间、光源的亮度，因此采用合适的电池非常重要。

本设计采用Li充电电池。

同时，控制系统必须对电池进行检测：

检测到的电压输入A/D转换器中变为数字信号送到单片机中进行处理。

A/D转换器的输入值在0~5V之间（见图9）。

1）当输入到A/D转换器IN1中的电压为0~0.5V时，电池为短路状态。

2）当输入到A/D转换器IN1中的电压为0.6~3.2V时，电池为正常状态。

3）当输入到A/D转换器IN1中的电压为3.3~5V时，电池为断路状态。

图9电池检测电路

3.电源转换电路

当有市电时，应急灯的电源由市电提供。

市电通过LEDD2供电给A点。

当无市电时，Q6管马上导通，随即Q5导通，由Li电池供点给A点。

由此电路可完成电源转换功能（见图10）。

图10电源转换电路

3.2单片机模块

单片机模块电路主要由看门狗电路、A/D转换电路和光源检测电路等组成。

单片机模块框图见图11，电路图见图12。

图11单片机模块框图

图12单片机模块电路图

3.2.1器件选型

1.单片机

本设计采用MCS-51系列单片机。

51单片机的典型产品有8031,8051和8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全形同。

本设计采用的是8051，其引脚配置图见图13。

HMOS的MCS-51单片机采用双列直插式封装，有40个引脚，分为地址总线、数据总线、控制总线3类见图13。

MCS-51系列单片机的各引脚的功能如下：

1）主电源引脚Vcc，Vss

Vcc：

接+5V电源

Vss：

接地

2）外接晶振引脚XTAL1,XTAL2

XTAL1：

片内反相放大器输入端

XTAL2：

片内反相放大器输出端

图1351单片机引脚图

外接晶体时XTAL1,、XTAL2各接晶体一端构成振荡器。

3）输入/输出引脚P0，P1，P2，P3

P0.0~P0.7:

P0口的8各引脚，P0口是8位漏极开路型双向I/O扩展接口时，P0.0~P0.7分时复用，做低8位地址总线与双向8位数据总线。

P1.0~P1.7:

P1口的8个引脚，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，对于52子系列，P1.0还可以用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

P2.0~P2.7：

P2口的8个引脚，P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口，在访问片外存储器或扩展I/O接口是，还用于提供高8位地址。

P3.0~P3.7:

P3口的8个引脚，P3口也是一个带上拉电阻的I/O口，除可工作为双向的输入输出口外，还具有第2功能。

4）控制线（4条）

ALE/PROG:

双功能引脚。

由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。

在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。

其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。

即使不访问片外存储器，访问引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6。

必须注意的是：

在访问片内外存储器时，ALE脉冲会跳空1个。

对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲/PROG的输入端。

/PSEN：

片外程序存储器读选通信号输出端，在CPU从片外程序存储器取址期间，此信号每个机器周期两次有效，已通过P0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。

/EA/Vpp：

双功能引脚，卫片外程序存储器选用端。

当该引脚信号有效（低电平）时，选择片外程序存储器，否则，即/EA/Vpp=1时，访问片内程序存储器。

RST/VP0：

双功能引脚，在单片机工作期间，当引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。

在VCC掉电期间，若该引脚接备用电源（+5V），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中的信息。

2.多通道并行A/DADC0809

ADC0809是NS公司生产的CMOS、8位、8通道、逐次比较型A/D转换芯片。

它的主要特点如下：

1）逐次比较型，单电源供电，具有三台输出所存。

2）输出与TTL兼容，无需外部进行0点和满度调整。

3）8位分辨率，最大非线性误差

0.4%LSB。

4）转换时间为100us,存取时间为135us。

5）功耗为15mW。

ADC0809的引脚分布图如图14所示。

引脚功能说明如下：

1）IN0~IN7：

8路输入通道的模拟量输入端口。

2）2-1~2-8：

8位数字量输出端口。

3）START、ALE：

START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口，这两个端口可以连接在一起，输入一个正脉冲时，便启动模/数转换。

4）EOC、OE：

EOC为转换输出结束信号脉冲输出端口，OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果数字量输出到数据总线上。

5）REF（+）、REF（-）：

REF（+）和REF（-）为参考电压输入端。

6）CLK:

时钟输入端。

7）ADD_A、ADD_B、ADD_C：

8路模拟量的三位地址选通输入端，已选择对应的输入通道，类似3-8译码器的选通。

图148089引脚图

3.锁存器扩展并行输出口74LS373

74LS373的引脚功能如下：

1）1D~8D：

8位数据输入端。

2）OE：

三态允许控制端（低电平有效）

3）LE：

锁存允许端

4）1Q~8Q：

8位数据输出锁存端。

图1574LS373引脚图

4.看门狗芯片X25045

看门狗的作用是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。

工作原理：

在系统运行以后就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定时间还不去清零看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。

1）SO：

串行数据输出脚，在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出。

在时钟的下降沿时数据改变。

2）SI：

串行数据输入脚，所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写入，在时钟的上升沿时数据被锁定。

3）SCK：

串行时钟，控制总线上数据输入和输出的时序。

4）/CS：

芯片使能信号，当其为高电平时，芯片不被选择，SO脚为高阻态，除非一个内部的写操作正在进行，否则芯片处于待机模式；当引脚为低电平时，芯片处于活动模式，在上电后，在任何操作之前需要CS引脚的一个从高电平到低电平的跳变。

5）/WP：

当WP引脚为低时，芯片禁止写入，但是其他功能正常。

当WP引脚为高电平时，所有功能都正常。

当CS为低时，WP变为低可以中断对芯片的写操作。

图16X25045引脚图

3.2.2分析电路

本设计中，51单片机工作于11.0592MHz，P0口用于读取8位A/D转换数据，P2口的P2.7用于ADC0809的片选控制，51单片机通过外部中断0触发对A/D数据的读取。

模拟信号输入端IN0用于输入待转换的光源检测电压，IN1用于输入待转换的Li电池检测电压。

51单片机P0口的低三位地址数据经锁存后送入ADC0809的通道选择端ADD_A、ADD_B、ADD_C。

在图12中,ADC0809的A/D启动端START由51单片机的P27与写控制信号/WR经过或非门后控制，转换完成后ADC0809的EOC端信号反相后送入51单片机的INT0端，触发51单片机外部中断服务程序，在终端中读取A/D数据。

用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，X25045硬件连接图如图3-10所示。

X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。

在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从reset输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。

3.3通信模块

通信模块电路图见图17

图17通信模块电路图

3.3.1器件选型

1.光耦合器

TPL521-1非线性光耦。

光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。

光耦合器一般由三部分做成：

光的发射、光的接收及信号的放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定的波长的光，被光探测器接收而产生光电流，在经过进一步放大后输