1、本科毕业设计( 论文)题目：应急照明设备智能维护系统软件部分院（系） 电信学院 专 业 自动化 班 级 050415 姓 名 胡心科 学 号 050415106 指导教师 师公社 2009 年 5 月本科毕业设计( 论文)题目：应急照明设备智能维护系统软件部分院（系） 电信学院 专 业 自动化 班 级 050415 姓 名 胡心科 学 号 050415106 指导教师 师公社 2009 年 5 月I应急照明设备智能维护系统软件部分摘要设计一种新颖的独立式应急照明系统。以 C8051F330微处理器为核心，采用变压整流/逆变电路复用结构，具有并网能馈方式的自动维护性定时放电等功能。介绍了主要部分
2、的结构、工作原理、PWM 恒流充电及 SPWM逆变控制算法。结果表明：该系统减小了日常维护的强度，提高了电能利用率，保障了设备在应急状态下更高的可靠性，具有实际应用价值。关键词： 应急照明；蓄电池；恒流充电；并网能馈；维护性放电IIEmergency Lighting Equipments Intelligence Maintenance SystemSoftware partAbstractThe novel freestanding emergency lighting system is designed. The system bases on C8051F330 microproce
3、ssor and adopts multiplexing structure of variation voltage rectifier/inverter circuit. It has the function of auto maintenance time discharge with energy fed infinite bus. This paper introduces the main structure of system， principle， PWM constant current charge and SPWM inverter control Algorithm.
4、 Experiment results show that the system can decrease strength of routine maintenance， improve the utilization of power energy， ensure the higher reliability in the status of emergency and have practical values.Key words： emergency lighting；battery ；constant current charge；energy fed infinite bus；;m
5、aintenance dischargeI目 录摘要 IABSTRACT II1 绪论 11.1应急照明设备的研究意义 11.2应急照明设备的相关标准 11.2.1应急照明分类 .11.2.2应急照明的电源设置 .21.2.3应急照明的控制方式 .21.3 应急照明蓄电池的发展、现状及维护 31.3.1应急照明蓄电池的发展 .31.3.2应急照明蓄电池的维护 .41.3.3应急照明设备的技术现状 .61.4应急照明设备项目研究的内容及目标 61.4.1研究的重点： .71.4.2设计的特点： .71.4.3设计的功能： .72 系统方案 82.1应急照明设备系统基本结构 82.2应急照明设备系
6、统实现方案 82.2.1系统微处理器 .82.2.2系统整流及逆变 .92.2.3系统软件思想 102.3 C8051F330芯片简介 102.3.1 10位模/数转换器及比较器 132.3.2 CIP-51微控制器核 .13II3 系统设计 .153.1设计方案论证 .153.1.1 充电电压选取 .153.1.2电压、电流采样电路 .173.1.3电源的选定 .193.1.4温度补偿 .193.1.5可靠性设计（光敏检测电路） .203.2系统结构及工作原理 .214 系统软件设计 244.1系统软件流程设计 .244.1.1 主程序流程 .244.1.2 应急照明程序流程 .264.2
7、系统部分程序设计 .275 研究结果 .285.1结果与讨论 .285.2技术创新及特点 .285.3主要技术指标 .295.4研究结论 .29参考文献 31致谢 32毕业设计（论文）知识产权声明 33毕业设计（论文）独创性声明 34III附录 A 主流程图 35附录 B 系统部分程序 .36附录 C 外文原文及翻译 .431 绪论11 绪论1.1应急照明设备的研究意义随着我国改革开放以来国力的日益增强及市场经济体系的进一步完善和发展，人民群众生产、生活、学习的环境获得了极大的改善，生活质量显著提高，以胡锦涛总书记为首的新一届政府又适时提出了亲民的以人为本，创建和谐社会的执政理念，在抵御自然灾
8、害的同时，更是将保障人民群众的生命及财产的安全放在了首要位置。公共场合及人员密集区的应急照明保障历来是一个既普遍又极其重要的问题。近年来，城市建设的步伐越来越快，一些高层、大型及复杂结构的建筑如雨后春笋般日趋增多。这些在平时为我们的生产、生活及学习创造舒适便利的条件的建筑，一旦发生人力不可抗拒的如火灾、水灾、地震等自然灾害或如战争、恐怖袭击等导致电源中断的紧急情况，怎样保障被困人员安全逃生和消防人员及时扑救，应急照明将起到非常重要、关键的作用。另外，应急照明技术其实还与现代社会中人们的通讯、信息、指挥、医疗、交通、能源、环保等领域息息相关。1.2应急照明设备的相关标准民用建筑电气设计规范(JG
9、J/ T16-92)及高层民用建筑设计防火规范(G13 50045-95)等标准中有关条款对应急照明设备的技术指标及施工规范等有明确而详细的规定。1.2.1应急照明分类应急照明包括疏散照明、备用照明及安全照明(用于因瞬时停电会危及生命安全的医院手术室)。1. 疏散照明 疏散照明包括：疏散指示照明，即标志出口位置的“出口标志灯”和引导指向出口的“指向标志灯”;用于满足疏散通道照度要求的“疏散照明灯” 。当正常电源断电时，应使疏散通道或公共大厅内的人员在任何位置都能看到疏散标志。出口标志灯应装设在通向室外的正常出口和应急出口，及通向疏散楼梯间或防烟楼梯间前室等处。指向标志灯应装设在走廊拐弯处或走廊
10、直线段上相距出口标志灯不大于 20米处。为避免火灾时烟雾的影响，出口标志灯和指向标志灯都不宜装得过高，安装高度距地 22.5米。若指向标志灯在墙上安装，则距地高度不宜大于 1米。疏散照明灯应装设在走廊、拐弯处、疏散楼梯间、防排烟楼梯间及前西安工业大学毕业设计（论文）2室、消防电梯前室、自动扶梯上方及火灾报警按钮、消防设施的附近等处。2. 备用照明 高层建筑必须设计备用照明以维持正常电源断电时继续工作。备用照明应结合正常照明统一考虑，通常选用部分或全部照明灯作为备用照明，断电时进行电源转换，一般场所采用部分照明灯作为备用照明，其照度应不低于正常照度的 10%。消防控制室、消防泵房、排烟机房、发电
11、机房、变配电室、电话总机房、中央监控室等处必须保证全部照明为备用照明。疏散照明和备用照明均宜选专用照明灯具。3. 安全照明 宾馆内的安全照明可以减少犯罪的发生，并通常提供良好的可视条件以使宾客感到轻松自在。影响安全照明选择的若干因素：经济情况；是否使用了其它安全系统（如闭路电视监控） ；那种情况将采用不同的的照明等级；照明的位置室内、室外或两者皆有；优先保护的对象。安全照明充分利用低压钠灯和紧凑型荧光灯的高光通输出和低能耗的特点。1.2.2应急照明的电源设置高层建筑中应急照明电源应依据建筑类别和可能取得的电源情况来确定，一般采用的种类有：1. 建筑内由外来两路高压电源或内设两台及以上的变压器供
12、电，应急照明与正常照明完全接自不同的变压器，以便保证当一路电源发生故障时，另路电源不致同时受到损坏。2. 若只有一路高压供电，且负荷容量不大时.可从电力系统或就近单位取得第二低压电源.亦可采用具有自启动功能的柴油发电机组。3. 增设 UPS 应急电源，保证对特别重要负荷的供电，或采用自带蓄电池组的应急灯，用于所有供电系统全部中断仍能持续工作 30 分钟。1.2.3应急照明的控制方式“应急照明在正常电源断电后，其电源转换时间应满足：疏散照明15 秒；备用照明15 秒( 金融商业交易场所1.5 秒)；安全照明0.5 秒” ，可见，应急照明在转换时间上的要求非常严格，由于上述应急照明电源中采用了电源
13、自动切换装置，故能够保证应急照明电源的可靠转换。但是，应急照明的控制方式却又制约着应急照明电源的转换时间，应急照明的控制方式原则上依据建筑类别来确定，可分为如下两种： 1.宾馆、公寓、高层住宅楼等建筑昼夜有人进出，其应急照明的控制应该采用持续运行方式，把应急灯和自带蓄电池的应急灯直接接在二引线、三引线的应急照明电源不需加装控制开关。这种控制方式完全满足应急照明的转换时时间要求。2.商场、餐厅、营业厅、多功能厅、健身娱乐等场所不营业时没有人进出，为了节约用电，其应急照明可采用集中控制方式，或加装控制开关就地控制，西安工业大学毕业设计（论文）3在不营业时关闭应急照明。这种控制方式的选择无论双电源多
14、么可靠，控制开关都制约了应急照明在停电时应点燃的时间。1.3 应急照明蓄电池的发展、现状及维护1.3.1应急照明蓄电池的发展1859年 Plante发明铅酸蓄电池至今已有 130多年的历史，以往的铅酸电池均为开口式或防酸隔爆式，充放电时析出的酸雾污染及腐蚀严重，又需经常维护即补加酸和水。1957 年西德阳光公司首次将凝胶电解质技术用于铅酸蓄电池，制成密封铅酸电池并投入市场，标志着实用密封铅酸蓄电池的诞生。1971 年美国 Gates公司首次将超细玻璃纤维用于密封铅酸电池中，生产出吸液式卷绕极板圆筒形电池，第一次把氧气复合原理在商品电池中实施，实现了铅酸蓄电池技术上的重大突破，这种吸液式密封铅酸
15、蓄电池在美、日、欧等地得到了飞速的发展。1988 年日本汤浅公司开发了 3000Ah大容量固定型密封铅酸电池。1990 年世界密封铅酸蓄电池产量达到 1.5亿只/年，产值 30亿美元/年，占世界电池总产值的 15%。1996 年欧洲铅酸蓄电池市场销售额为 33亿美元，其中固定型电池为 6亿美元，动力电池为 5亿美元。领先的厂家是 Exide公司和 BTR-Hawker公司，其余为 GNB、C其二是要有较为完善的自我检测与控制功能，有较高的智能水平，可以根据蓄电池的特性和用户的具体需要，选择最佳的充电规律，以提高蓄电池的蓄电容量和使用寿命。并能对充电电压、电流，进行监视、显示等。后者正是智能充电
16、装置的控制器要完成的功能。3.1 设计方案论证3.1.1 充电电压选取充电电压的选取对变压器的制作、PWM 脉宽调制能不能很好的改变占空比达到恒流充电都是很重要的。选择不当对电池寿命、能否充满电有一定的影响。由于电池放完电后电压大约为 10.2伏，充满之后为 13.2伏。本设计第一次选取电压为 18伏，通过稳压电源给电池充电，其中用 555振荡电路产生 1KHz振荡脉冲导通功率开关管 P-MOSFET，调节电位器可改变脉冲占空比以调节充电电流。每半小时记录并重复以下操作：1. 暂时关闭稳压电源，用万用表（20 伏档）记录电池电压。2. 在接通电源记录当前电流值，接着调节电位器使电流保持 1安。
17、3. 示波器 1ms档加扩展（每格 0.1ms）情况下校正波形周期为 1ms，保证波形周期和充电电流不变，测出脉宽。(注：由于在本设计中有两块电池，所以充电开始值不一定是 10伏)如表 3.1西安工业大学毕业设计（论文）16表 3.1 充电电压为 18V时占空比、电流、电压关系时间(分) 占空比 D 电流（A） 电压(V)0 0.20 1 11.9730 0.22 0.975 12.0760 0.22 1 12.1690 0.22 1.05 12.28120 0.23 0.99 12.34150 0.23 0.99 12.37分析：18 伏时占空比变化小，调节不明显。解决方法：减小充电电压，输
18、入 16.5伏，如下表：表 3.2 充电电压为 16.5V时占空比、电流、电压关系时间（分） 占空比 D 电流（A） 电压(V)00 0.24 1 11.8230 0.26 0.97 12.0460 0.26 0.975 12.1590 0.26 0.972 12.27120 0.26 0.975 12.35150 0.26 0.970 12.45分析：16.5 伏时占空比依然变化小，调节不明显。解决方法：继续减小充电电压，输入 15伏，如下表：表 3.3 充电电压为 15V时占空比、电流、电压关系时间(分) 占空比 D 电流（A） 电压(V)0 0.52 1 12.5030 0.54 0.9
19、8 12.6060 0.60 0.98 12.5690 0.62 0.97 12.65120 0.64 0.95 12.72150 0.68 0.95 12.85180 0.7 0.95 12.87210 0.7 0.975 12.88240 0.76 0.94 12.99270 0.78 0.97 13.05300 0.90 0.97 13.06西安工业大学毕业设计（论文）17分析：占空比变化明显，但过大。此外电网电压从 220V降至 180V时，由于变比不变（220/15） ，导致充电电压降至 12.3V，远满足不了充电电压值（小于充电终止值13.2V） 。这样会引起充电过程不会结束，陷入
20、死循环。解决方法：提高充电电压至 16V，当电网电压输入 180V时，基本可以满足充电要求。也可在充电期间加一段 10小时的定时程序（蓄电池容量 10安时）强制充电结束。表 3.4 充电电压为 16V时占空比、电流、电压关系时间 占空比 D 电流（A） 电压(V)0 0.30 1 11.6035 0.31 0.96 11.9063 0.32 0.85 12.0296 0.33 0.98 12.14134 0.34 0.97 12.32172 0.345 0.98 12.39201 0.35 0.98 12.44236 0.36 0.95 12.57266 0.36 0.98 12.64296
21、0.40 0.89 12.70326 0.41 0.97 12.74356 0.41 0.98 12.84386 0.43 0.94 12.79416 0.455 0.95 12.80446 0.46 0.99 12.90476 0.47 0.98 12.97506 0.53 0.87 12.01536 0.56 1.02 12.06566 0.58 1.05 12.12分析：16 伏电压充电时，占空比变化明显，且不大，满足设计要求，基本确定充电电压是 16伏，在电网电压降至 180伏时（充电电压为 13.09伏）充电不能正常结束，需软件定时 10小时（容量 10安/时，充电电流 1安） 。由
22、上分析，本设计确定充电电压为 16伏（变压器变比 220/16） 。3.1.2电压、电流采样电路在电池充放电过程中需实时检测电池电压，在充放电电压变化范围为 10.2V至13.2 V，采样信号转化为 02.4V 的模拟电压量送入 A/D转换单元，选用两个电阻（5K、26K）分压即可，电压增至 13.2 V，采样电压值 13.25/（5+26）=2.13 V，电压降至 10.2 V时，10.25/（5+26）=1.65 V 采样电压值可以直接送入单片机。充电回路中串了一个 0.1欧检测电阻，由于检测电阻上有压降（1 安0.1 欧=0.1西安工业大学毕业设计（论文）18伏） ，检测电压经电压放大（
23、2.4V 是放大峰值电压）送入 A/D转换单元。由运放同向输入阻抗高，电阻应选大一些，放大倍数为 24，（3.1）选 Rf=26K ,Ri=2K 。在运放前极放大前进行电流采样时，滤波电容从 0.1-220uf没有明显效果，因为采样电阻只有 0.1欧使放电常数同样很小，经过对电池充电电压、电流的采样，数据分析电网电压变化时，采用滤波平均值方法，在电流相等的情况下，电压值差异很大，故而放弃采样前滤波方法，直接采样电流峰值通过电流的占空比计算出电流平均值。采用方案：直接测量电流取样、电压值及占空比在充电电压15V、16V、17V、18V 各测量观察一组如下：（注：不同充电电压下平均电流值=电流峰值
24、占空比，示波器横轴一格为 0.1ms.表 3.5 充电电压是 15伏是电压峰值、电流值及占空比电流 占空比 D 电压峰值（V） 电压(V)1 A 0.47 4.25mV 0.09871.1 A 0.52 4.155mV 0.10791.2 A 0.57 4.155mV 0.11831.3 A 0.625 4.105mV 0.12811.4 A 0.675 4.055mV 0.13671.5 A 0.725 4.005mV 0.145表 3.6 充电电压是 16伏是电压峰值、电流值及占空比电流 占空比 D 电压峰值（V） 电压(V)1 A 0.335 6.25mV 0.10391.1 A 0.3
25、65 6.25mV 0.11321.2 A 0.40 6.25mV 0.1241.3 A 0.435 6.25mV 0.13491.4 A 0.47 6.155mV 0.14451.5 A 0.50 6.155mV 0.1538表 3.7 充电电压是 17伏是电压峰值、电流值及占空比电流 占空比 D 电压峰值（V） 电压(V)1 A 0.26 4.310mV 0.11181.1 A 0.28 4.310mV 0.12041.2 A 0.29 4.310mV 0.12471.3 A 0.32 4.310mV 0.13761.4 A 0.34 4.310mV 0.14621.5 A 0.365 4
26、.310mV 0.1571、RifAuf1西安工业大学毕业设计（论文）19表 3.8 充电电压是 18伏是电压峰值、电流值及占空比电流 占空比 D 电压峰值（V） 电压(V)1.2 A 0.20 5.310mV 0.10601.3 A 0.215 5.310mV 0.11401.4 A 0.27 5.310mV 0.14311.5 A 0.30 5.310mV 0.1590分析：由上述表格数据，可见从占空比及电流峰值计算电流平均值的方法是可行的.3.1.3电源的选定电源部分的设计采用 2个集成稳压器芯片 LM7805和 AMS1117，其中 AMS1117为C8051F330单片机提供 3V电
27、源，LM7805 为外围的芯片提供 5V的电源。集成稳压器是将稳压直流电压换成直流电压的 IC芯片。为 3端集成稳压器，仅有输入端、输出端及公共端 3个引脚。芯片内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠、作为稳压电源被广泛应用于各种电子设备中。7805 的最大输入电压为 35v，最小输入电压为 7.5v，其输出电压为5v。LM7805 的输入端和输出端管脚分别接以电解电容，可起到防止产生自激振荡、削弱电路的高频噪声、滤波的作用，可以满足设计要求。3.1.4温度补偿铅酸蓄电池在充电过程中，由于存在极化现象，会有一定温升。温度过高，会直接影响充电效率，同时对
28、电池损坏很大，缩短寿命。所以，在充电过程中，应绝对避免电池温度太高。随着季节变化，蓄电池室环境温度变化很大，夏天经常在 35左右，冬天则经常在 5左右。虽然电池的工作温度范围很宽，可在-15到 +45范围内运行，但是电池运行最佳环境温度为 25左右，如果环境温度变化较大，需用温度系数进行补偿(-4mV/ )，特别是在夏天。此时，若对浮充电压不进行调整，必将引起蓄电池过充电和过热，恶性循环的结果是使用寿命降低、甚至损坏。因此，带温度补偿的充电方式对免维护铅酸蓄电池尤为重要。充电电压应随着蓄电池室的环境温度变化而自动调节输出电压，这个调节过程是线形的，即具有“温度补偿”作用。为此，在设计充电设备时
29、都考虑了温度补偿措施，但温度采样点的选取至关重要，它直接关系着补偿的效果。所以设计中添加了热敏电阻检测温度，采样蓄电池附近的空气温度以调节充电电压的终止值。补偿后的充电装置输出电压按下式计算:输出电压 U = Ug Ub式中 Ug=用户自己设定的充电电压;Ub=电池只数单体电池补偿电压(mV) / ;温度补偿是以标准 25为基准。环境温度上升，应减小充电电压，防止过充电;环境温度降低，应提高充电电压，以防欠充电。本设计中光敏电阻选用 MF11片状负温度系数热敏电阻器（参数如表）。温度为 25时电阻为 10K，-0.03/，当温度升西安工业大学毕业设计（论文）20高到 50时，电阻值为 10K-
30、0.03（50-25）10K =2.5K，当温度降低到-20时，电阻值为 10K-0.03（-20-25）10K=23.5K。要使电压变化明显取（1.4V-4V），与光敏电阻相连的的上拉电阻值 23.55/4-23.5=6.1 K。 针对实验中我所使用的蓄电池，每差 1电压修正4mV/单体。即温度每升高 1，充电电压降低 4mV/单体108= 0.432V;温度每降低 1，充电电压升高 4mV/单体108=0.432V，实时调整充电电压终止值。表 3.9 MF11普通负温度系数热敏电阻器参数主要技术参数名称参数值 MF11热敏电阻符号外形图标称阻值（k）1015额定功率 （W）0.25材料常数
31、B范围（k）19803630温度系数（10 -2/）-（2.234.09）耗散系数（mW/）5时间常数（s） 30最高工作温度（）125片状外形 符号3.1.5可靠性设计（光敏检测电路）电池放电时间不能为晚上或是光强较弱的时候，以免发生紧急情况，应急照明设备不能正常工作，耽误险情达不到应急照明的用途。针对以上情况本设计中在检测部分加了一个光敏电阻（亮阻 2K,暗阻 1M）接在单片机上，光线强时光敏电阻阻值变低，此引脚被置低，单片机发出放电指令电池放电、光线弱时光敏电阻阻值为高，置高时电池不放电，如图 3.1。光线最强时 P0.1端电压约为 0.2V，经 AD转换后可视为低电平，光线最暗时端电压
32、约为 5V，可视为高电平。西安工业大学毕业设计（论文）21图 3.1 光敏检测电路3.2系统结构及工作原理系统主要设计思想是在满足要求的情况下，尽可能使得电路结构简化，以降低成本并提高其可靠性。依据功能划分，具有并网能馈方式自动维护性定时放电功能的独立式应急照明系统典型结构如图 3.2 所示。微处理器为 Cygnal公司 C8051F系列的 C8051F330芯片。变压整流/逆变部分如图 3.3 所示，没有采用过分追求效果的独立的高频逆变方式，而是自主构思了一种新颖的变压整流/逆变复用电路结构。整流（充电）状态下系统利用逆变 N-MOSFET内部复合的二极管通过变压器副边构成一个典型的共阳极C
33、8051F330单片机变压整流/逆变电源隔离状态检测恒流充电逆变切换12V/4AH蓄电池电压/电流检测AC220V图 3.2 系统结构框图图 3.3 变压整流/逆变西安工业大学毕业设计（论文）22双半波整流+15V 输出，经过滤波至恒流充电 /逆变切换部分。逆变（应急或能馈）状态下系统由 T0、T 1两个 N-MOSFET通过微处理器的 SPWM控制交替工作，最终实现交流电正负半周的输出。电源隔离/状态检测部分如图 3.4 所示，在充电、能馈状态下为系统提供市电过零检测中断（上升沿模式）信号 RB0、市电正负半周识别信号 RB1及市电异常掉电/复电中断（变化沿模式）信号 RB4，另外待机状态下
34、为系统提供定时时钟信号 RC0。电源状态检测部分主要信号波形如图 3.5 所示。图 3.4 电源隔离/状态检测部分图 3.5 电源状态检测部分主要信号波形电流检测部分如图 3.6 所示，一个带有失调电压补偿的同相放大电路，输入为0.1 的取样电阻。由于系统中输入信号小于 0.5VP-P，加之取样回路时间长数过小，不宜采用一般的滤波平均采样方式，故此处直接进行电流脉冲信号的放大及采样。这个方案的另一个优点是系统恒流充电软件控制算法相对简单。西安工业大学毕业设计（论文）23系统 PWM控制部分如图 3.7 所示，包括充电状态下的 PWM恒流控制及能馈/应急状态下的 SPWM逆变控制。图 3.7 SPWM控制图 3.6 电压 /电流检测
