吳俊融，王 晶，周 陽，李夢(mèng)軻，孫中皋，趙 靜

（1.遼寧師范大學(xué) 國際商學(xué)院；2.遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029）

具有電池充放電管理及故障報(bào)警功能的新型應(yīng)急燈的研制與應(yīng)用

吳俊融1，王 晶2，周 陽2，李夢(mèng)軻2，孫中皋2，趙 靜2

（1.遼寧師范大學(xué) 國際商學(xué)院；2.遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029）

針對(duì)目前市場(chǎng)上常用的鎳氫蓄電池組應(yīng)急燈普遍存在的蓄電池長(zhǎng)期過充，電池易失效，可能導(dǎo)致緊急停電情況下，應(yīng)急燈點(diǎn)不亮等問題，本研究組開展了具有電池充放電智能控制，出現(xiàn)電池缺失、電池故障及突然停電時(shí)，可自動(dòng)聲光報(bào)警和手機(jī)短信推送功能的新型應(yīng)急燈的研制工作.通過將單片機(jī)，GSM通信模塊、數(shù)字集成芯片及繼電器等元器件的組合集成，設(shè)計(jì)出了具有電池檢測(cè)、故障判斷、充放電控制及聲光和短信報(bào)警等功能的控制電路.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，新型應(yīng)急燈的可靠性和維護(hù)性都得到了顯著改善.

應(yīng)急燈；電池充放電；控制電路

消防應(yīng)急照明系統(tǒng)是廠礦、企業(yè)、學(xué)校、機(jī)關(guān)等樓宇中的重要安全設(shè)備，主要由應(yīng)急照明燈、應(yīng)急出口標(biāo)志、煙感報(bào)警器及指示燈等組成.而應(yīng)急照明燈的主要作用是在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下，場(chǎng)所發(fā)生無預(yù)警停電時(shí)，保證被困人員緊急疏散并為滅火救援行動(dòng)人員提供應(yīng)急照明的關(guān)鍵設(shè)備.

為保證應(yīng)急燈在關(guān)鍵時(shí)刻能正常點(diǎn)亮，有必要知道安裝的應(yīng)急燈的蓄電池的工作狀態(tài)，以便維護(hù)人員迅速維修更換；同時(shí)，最好能定期對(duì)應(yīng)急燈的蓄電池進(jìn)行充放電維護(hù)，提高其使用壽命和安全點(diǎn)亮的可靠性.針對(duì)此問題，本研究組開展了具有電池充放電管理及故障報(bào)警功能的新型應(yīng)急燈的研制工作.通過在現(xiàn)有鎳氫蓄電池組應(yīng)急燈上加裝智能控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的充放電過程的智能管理，且一旦蓄電池出現(xiàn)問題，或出現(xiàn)突發(fā)應(yīng)急狀態(tài)點(diǎn)亮?xí)r，控制電路將進(jìn)行聲光報(bào)警并對(duì)維修人員推送手機(jī)短信進(jìn)行提示，使維修保障人員迅速了解停電突發(fā)事件的發(fā)生和應(yīng)急燈電池的工作狀況，以便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)；同時(shí)，智能控制電路可在應(yīng)急燈電池使用60天后，利用電壓控制充電法，定期自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行1次深度放電，以此減少電池的記憶效應(yīng)，提高其的使用壽命.該項(xiàng)研究大大提高了應(yīng)急燈的可靠性和使用壽命，對(duì)提高公共場(chǎng)所應(yīng)急燈的可靠性，消除應(yīng)急燈使用中的安全隱患具有一定實(shí)用價(jià)值.

1 控制電路的原理與設(shè)計(jì)

本項(xiàng)研究以3.6V鎳氫電池組應(yīng)急燈使用中存在的問題為對(duì)象，利用C51單片機(jī)、LM393電壓比較芯片及GSM通信模塊等開發(fā)出了具有電池充放電管理、電池定期自動(dòng)深度放電、電池缺失、損壞和突然停電時(shí)自動(dòng)聲光報(bào)警并向維修人員推送手機(jī)短信提示的控制電路.設(shè)計(jì)中，該控制電路由主控模塊、應(yīng)急狀態(tài)檢測(cè)模塊、有無電池檢測(cè)模塊、電池故障檢測(cè)模塊、電池電壓檢測(cè)模塊、電池組模塊、GSM通信模塊、電池照明模塊、電池充電控制模塊、電池放電控制模塊、電池聲光報(bào)警模塊、系統(tǒng)電源模塊等組成.

圖1 控制電路原理圖

在新型應(yīng)急燈控制電路各模塊組成框圖的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了新型應(yīng)急燈的控制電路.圖1給出了控制電路的原理圖.其中，主控單元C51單片機(jī)外圍通過兩個(gè)LM393電壓比較芯片提供電池是否損壞和是否需要對(duì)電池進(jìn)行充放電控制信號(hào).當(dāng)檢測(cè)信號(hào)通過電壓比較器傳輸給單片機(jī)后，單片機(jī)通過控制程序的時(shí)序關(guān)系及對(duì)應(yīng)管腳輸出電壓的高低變化，控制繼電器J1和J2的開啟，完成應(yīng)急燈的點(diǎn)亮、電池的充放電，并判斷蓄電池有無、電池是否出現(xiàn)故障、電網(wǎng)是否停電等情況.同時(shí)，當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)累計(jì)達(dá)到60天后，對(duì)電池進(jìn)行一次深度放電.深度放電電壓設(shè)定為以2.8V為截止點(diǎn).此后，記錄時(shí)間累積變量歸零，蓄電池重新充電，并重新開始記錄電池使用時(shí)間.當(dāng)出現(xiàn)電池缺失、故障及電網(wǎng)停電事故時(shí)，控制電路一方面啟動(dòng)對(duì)應(yīng)狀況顏色的LED閃爍燈和喇叭進(jìn)行報(bào)警提示；另一方面，C51單片機(jī)控制GSM模塊向設(shè)定手機(jī)推送提示短信，提示維護(hù)者故障類型，方便及時(shí)維修.

圖2 電壓比較檢測(cè)電路

在控制電路運(yùn)行中，電壓比較芯片LM393始終對(duì)電池及系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行比較檢測(cè)，當(dāng)電池電壓與基準(zhǔn)電壓差異較大時(shí)，根據(jù)程序邏輯控制條件由C51給出對(duì)應(yīng)電平信號(hào)，并通過外圍8050晶體管的開關(guān)，使J1、J2開合，從而控制相應(yīng)電路的啟停，完成各模塊的具體工作.

設(shè)計(jì)中，控制電路以電壓控制法對(duì)充放電及深度放電過程進(jìn)行控制，依據(jù)標(biāo)稱電壓為3.6V的鎳氫電池組的充放電控制要求，對(duì)C51單片機(jī)的管腳定義如下：

P3.0（2腳）：GSM模塊串行通信數(shù)據(jù)接收端；

P3.1（3腳）：GSM模塊串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送端；

P3.2（6腳）：1.5V參考點(diǎn)；

P3.3（7腳）：電池電壓0.5V參考點(diǎn)，低于該電壓就認(rèn)為電池缺失；

P3.4（8腳）：強(qiáng)制條件按鍵，為了演示沒有電池、電池?fù)p壞及充放電過程中的系統(tǒng)響應(yīng)特性，縮短等待時(shí)間；

P3.7（11腳）：GSM模塊開啟控制端；

P1.7（19腳）：控制J1繼電器；

P1.6（18腳）：控制J2繼電器；

P1.5（17腳）：控制充電LED燈；

P1.4（16腳）：控制故障LED燈；

P1.3（15腳）：控制報(bào)警LED燈及報(bào)警喇叭；

P1.2（14腳）：充電燈；

P1.0（12腳）：電池電壓3.0V參考點(diǎn)，該電壓是電池充放電啟停的轉(zhuǎn)換參考電壓；

P1.1（13腳）：電池電壓1.5V參考點(diǎn)，低于該電壓就認(rèn)為電池有故障；

圖2給出了新型應(yīng)急燈的電池組的電壓比較檢測(cè)電路圖.依據(jù)3.6V鎳氫電池組的使用要求，將LM393-1和LM393-2電壓比較芯片的第2、6腳分別設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)基點(diǎn)，4個(gè)芯片腳的設(shè)定電壓值分別為：3.0V、1.5V、1.5V、0.5V.芯片的第1、5腳為檢測(cè)電壓輸入端.比較芯片工作時(shí)，其輸出端第1、7腳可檢測(cè)并判斷應(yīng)急燈有無電池缺失、電池是否有故障、電池電壓是多少，電池是要充電還是要放電.當(dāng)電池組電壓低于3.0V，就開始充電，當(dāng)電池組電壓在0.5-1.5V之間，就認(rèn)為電池組有故障，當(dāng)電池組電壓在0.5以下，就認(rèn)為電池組缺失或失效.

LM393-1和LM393-2電壓比較芯片的第1、5腳為檢測(cè)電壓輸入端，由單片機(jī)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，由電壓比較器輸出端第1、7腳的電壓大小確定電池的狀態(tài).當(dāng)LM393-2第7腳由高電位“1”變?yōu)榈碗娢弧?”時(shí)，規(guī)定為無電池狀態(tài)，故障燈中的無電池LED燈亮，喇叭進(jìn)行鳴叫報(bào)警，提醒用戶電池丟失.

圖3 應(yīng)急燈控制程序設(shè)計(jì)流程圖

控制電路中的GSM模塊采用了西門子公司的TC35I，這是一款雙頻900/1800MHZ的支持中文短消息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，其電源范圍為直流3.3～4.8V，可通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM讀卡器和無線收發(fā)天線.C51單片機(jī)通過P3.7（11腳）控制TC35I的開關(guān)機(jī)，通過P3.0（2腳）和P3.1（腳）與TC35I進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信.設(shè)定通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位.當(dāng)檢測(cè)到電池缺失、損壞和應(yīng)急狀態(tài)情況時(shí)，C51發(fā)出指令，控制GSM模塊向手機(jī)發(fā)出短信提示.當(dāng)圖3中LM393-2第7腳由高電位“1”變?yōu)榈碗娢弧?”時(shí)，可判斷為電池缺失或失效情況發(fā)生.

在告警顯示電路設(shè)計(jì)控制上，依據(jù)應(yīng)急燈顯示面板上原有的三個(gè)LED指示燈（故障、充電、電源），又增加了放電燈和報(bào)警器，供用戶人員及時(shí)判斷處理.控制電路的供電電源采用了整流濾波及變壓器組合電路，直接將220V交流電轉(zhuǎn)換為DC5V，為主控電路、采集電路和GSM通信模塊供電.

圖3給出了控制程序流程圖，因篇幅及文字有限，控制程序部分也就不再贅述.

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與效果

為了驗(yàn)證新型應(yīng)急燈的可靠性，我們?cè)趯W(xué)校走廊安裝了5臺(tái)改裝后的新型應(yīng)急燈，并對(duì)其持續(xù)跟蹤監(jiān)控了12個(gè)月，定期對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試分析.表1給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的新型應(yīng)急燈工作中控制電路的參考控制電壓參數(shù)、新型應(yīng)急燈與現(xiàn)有市售應(yīng)急照明燈特性比較及應(yīng)急燈對(duì)20次人為設(shè)定故障給出的平均報(bào)警響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表.

表1 參考控制電壓實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 新型應(yīng)急燈與現(xiàn)有市售一般應(yīng)急照明燈特性比較表

表3 新型應(yīng)急燈對(duì)20次應(yīng)急條件給出的平均響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)對(duì)安裝在學(xué)院教學(xué)樓走廊的5只新型應(yīng)急燈進(jìn)行12個(gè)月的跟蹤測(cè)試和比較分析，結(jié)果表明，利用單片機(jī)和GSM模塊，對(duì)電池有無、故障、應(yīng)激狀態(tài)進(jìn)行手機(jī)短信報(bào)警信息，確實(shí)提升了應(yīng)急燈的智能化管理水平.經(jīng)1年使用后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，利用電壓控制法對(duì)電池進(jìn)行充放電進(jìn)行智能監(jiān)控和定期深度放電管理后，蓄電池的充放電特性與新電池充放電特性基本一致.1年使用中，應(yīng)急燈無電池充放電特性下降及電池?fù)p壞的情況發(fā)生.當(dāng)新型應(yīng)急燈遇到突然停電及電池缺失等特殊情況時(shí)，聲光報(bào)警首先響應(yīng)，隨后手機(jī)都在20s內(nèi)都可準(zhǔn)確收到報(bào)警信息.

3 結(jié)語

通過采用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)急燈運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警功能，提高了應(yīng)急燈的可靠性.

利用GSM通信模塊功能，當(dāng)應(yīng)急燈出現(xiàn)電池缺失、電池故障及出現(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)時(shí)除聲光報(bào)警外，還給手機(jī)發(fā)送不同內(nèi)容的短信報(bào)警信息，確保應(yīng)急燈得到及時(shí)維護(hù)，提升了用戶應(yīng)對(duì)安全隱患的管理水平；

利用電壓控制充電法，對(duì)應(yīng)急燈電池定期自動(dòng)進(jìn)行1次深度放電，減少了電池的記憶效應(yīng)，提高了應(yīng)急燈電池的可靠性和使用壽命.

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TM13；TP27

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1673-260X（2017）12-0020-03

2017-09-20