智能应急灯系统的设计[1]

　　前言

　　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。

　　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a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。

　　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。