具有电池充放电管理及故障报警功能的新型应急灯的研制与应用

吴俊融，王 晶，周 阳，李梦轲，孙中皋，赵 静

（1.辽宁师范大学 国际商学院；2.辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029）

具有电池充放电管理及故障报警功能的新型应急灯的研制与应用

吴俊融1，王 晶2，周 阳2，李梦轲2，孙中皋2，赵 静2

（1.辽宁师范大学 国际商学院；2.辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029）

针对目前市场上常用的镍氢蓄电池组应急灯普遍存在的蓄电池长期过充，电池易失效，可能导致紧急停电情况下，应急灯点不亮等问题，本研究组开展了具有电池充放电智能控制，出现电池缺失、电池故障及突然停电时，可自动声光报警和手机短信推送功能的新型应急灯的研制工作.通过将单片机，GSM通信模块、数字集成芯片及继电器等元器件的组合集成，设计出了具有电池检测、故障判断、充放电控制及声光和短信报警等功能的控制电路.现场测试表明，新型应急灯的可靠性和维护性都得到了显著改善.

应急灯；电池充放电；控制电路

消防应急照明系统是厂矿、企业、学校、机关等楼宇中的重要安全设备，主要由应急照明灯、应急出口标志、烟感报警器及指示灯等组成.而应急照明灯的主要作用是在发生火灾等紧急情况下，场所发生无预警停电时，保证被困人员紧急疏散并为灭火救援行动人员提供应急照明的关键设备.

为保证应急灯在关键时刻能正常点亮，有必要知道安装的应急灯的蓄电池的工作状态，以便维护人员迅速维修更换；同时，最好能定期对应急灯的蓄电池进行充放电维护，提高其使用寿命和安全点亮的可靠性.针对此问题，本研究组开展了具有电池充放电管理及故障报警功能的新型应急灯的研制工作.通过在现有镍氢蓄电池组应急灯上加装智能控制电路，实现了对蓄电池的充放电过程的智能管理，且一旦蓄电池出现问题，或出现突发应急状态点亮时，控制电路将进行声光报警并对维修人员推送手机短信进行提示，使维修保障人员迅速了解停电突发事件的发生和应急灯电池的工作状况，以便及时进行维护；同时，智能控制电路可在应急灯电池使用60天后，利用电压控制充电法，定期自动对电池进行1次深度放电，以此减少电池的记忆效应，提高其的使用寿命.该项研究大大提高了应急灯的可靠性和使用寿命，对提高公共场所应急灯的可靠性，消除应急灯使用中的安全隐患具有一定实用价值.

1 控制电路的原理与设计

本项研究以3.6V镍氢电池组应急灯使用中存在的问题为对象，利用C51单片机、LM393电压比较芯片及GSM通信模块等开发出了具有电池充放电管理、电池定期自动深度放电、电池缺失、损坏和突然停电时自动声光报警并向维修人员推送手机短信提示的控制电路.设计中，该控制电路由主控模块、应急状态检测模块、有无电池检测模块、电池故障检测模块、电池电压检测模块、电池组模块、GSM通信模块、电池照明模块、电池充电控制模块、电池放电控制模块、电池声光报警模块、系统电源模块等组成.

图1 控制电路原理图

在新型应急灯控制电路各模块组成框图的基础上，我们设计了新型应急灯的控制电路.图1给出了控制电路的原理图.其中，主控单元C51单片机外围通过两个LM393电压比较芯片提供电池是否损坏和是否需要对电池进行充放电控制信号.当检测信号通过电压比较器传输给单片机后，单片机通过控制程序的时序关系及对应管脚输出电压的高低变化，控制继电器J1和J2的开启，完成应急灯的点亮、电池的充放电，并判断蓄电池有无、电池是否出现故障、电网是否停电等情况.同时，当时间计数累计达到60天后，对电池进行一次深度放电.深度放电电压设定为以2.8V为截止点.此后，记录时间累积变量归零，蓄电池重新充电，并重新开始记录电池使用时间.当出现电池缺失、故障及电网停电事故时，控制电路一方面启动对应状况颜色的LED闪烁灯和喇叭进行报警提示；另一方面，C51单片机控制GSM模块向设定手机推送提示短信，提示维护者故障类型，方便及时维修.

图2 电压比较检测电路

在控制电路运行中，电压比较芯片LM393始终对电池及系统状态进行比较检测，当电池电压与基准电压差异较大时，根据程序逻辑控制条件由C51给出对应电平信号，并通过外围8050晶体管的开关，使J1、J2开合，从而控制相应电路的启停，完成各模块的具体工作.

设计中，控制电路以电压控制法对充放电及深度放电过程进行控制，依据标称电压为3.6V的镍氢电池组的充放电控制要求，对C51单片机的管脚定义如下：

P3.0（2脚）：GSM模块串行通信数据接收端；

P3.1（3脚）：GSM模块串行通信数据发送端；

P3.2（6脚）：1.5V参考点；

P3.3（7脚）：电池电压0.5V参考点，低于该电压就认为电池缺失；

P3.4（8脚）：强制条件按键，为了演示没有电池、电池损坏及充放电过程中的系统响应特性，缩短等待时间；

P3.7（11脚）：GSM模块开启控制端；

P1.7（19脚）：控制J1继电器；

P1.6（18脚）：控制J2继电器；

P1.5（17脚）：控制充电LED灯；

P1.4（16脚）：控制故障LED灯；

P1.3（15脚）：控制报警LED灯及报警喇叭；

P1.2（14脚）：充电灯；

P1.0（12脚）：电池电压3.0V参考点，该电压是电池充放电启停的转换参考电压；

P1.1（13脚）：电池电压1.5V参考点，低于该电压就认为电池有故障；

图2给出了新型应急灯的电池组的电压比较检测电路图.依据3.6V镍氢电池组的使用要求，将LM393-1和LM393-2电压比较芯片的第2、6脚分别设置为标准基点，4个芯片脚的设定电压值分别为：3.0V、1.5V、1.5V、0.5V.芯片的第1、5脚为检测电压输入端.比较芯片工作时，其输出端第1、7脚可检测并判断应急灯有无电池缺失、电池是否有故障、电池电压是多少，电池是要充电还是要放电.当电池组电压低于3.0V，就开始充电，当电池组电压在0.5-1.5V之间，就认为电池组有故障，当电池组电压在0.5以下，就认为电池组缺失或失效.

LM393-1和LM393-2电压比较芯片的第1、5脚为检测电压输入端，由单片机发出检测信号，由电压比较器输出端第1、7脚的电压大小确定电池的状态.当LM393-2第7脚由高电位“1”变为低电位“0”时，规定为无电池状态，故障灯中的无电池LED灯亮，喇叭进行鸣叫报警，提醒用户电池丢失.

图3 应急灯控制程序设计流程图

控制电路中的GSM模块采用了西门子公司的TC35I，这是一款双频900/1800MHZ的支持中文短消息的工业级GSM模块，其电源范围为直流3.3～4.8V，可通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM读卡器和无线收发天线.C51单片机通过P3.7（11脚）控制TC35I的开关机，通过P3.0（2脚）和P3.1（脚）与TC35I进行串行数据通信.设定通信速率为9600Kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位和1位停止位.当检测到电池缺失、损坏和应急状态情况时，C51发出指令，控制GSM模块向手机发出短信提示.当图3中LM393-2第7脚由高电位“1”变为低电位“0”时，可判断为电池缺失或失效情况发生.

在告警显示电路设计控制上，依据应急灯显示面板上原有的三个LED指示灯（故障、充电、电源），又增加了放电灯和报警器，供用户人员及时判断处理.控制电路的供电电源采用了整流滤波及变压器组合电路，直接将220V交流电转换为DC5V，为主控电路、采集电路和GSM通信模块供电.

图3给出了控制程序流程图，因篇幅及文字有限，控制程序部分也就不再赘述.

2 现场测试与效果

为了验证新型应急灯的可靠性，我们在学校走廊安装了5台改装后的新型应急灯，并对其持续跟踪监控了12个月，定期对其性能进行测试分析.表1给出了现场实验测得的新型应急灯工作中控制电路的参考控制电压参数、新型应急灯与现有市售应急照明灯特性比较及应急灯对20次人为设定故障给出的平均报警响应时间测试结果数据表.

表1 参考控制电压实验参数

表2 新型应急灯与现有市售一般应急照明灯特性比较表

表3 新型应急灯对20次应急条件给出的平均响应时间测试数据

经对安装在学院教学楼走廊的5只新型应急灯进行12个月的跟踪测试和比较分析，结果表明，利用单片机和GSM模块，对电池有无、故障、应激状态进行手机短信报警信息，确实提升了应急灯的智能化管理水平.经1年使用后检测发现，利用电压控制法对电池进行充放电进行智能监控和定期深度放电管理后，蓄电池的充放电特性与新电池充放电特性基本一致.1年使用中，应急灯无电池充放电特性下降及电池损坏的情况发生.当新型应急灯遇到突然停电及电池缺失等特殊情况时，声光报警首先响应，随后手机都在20s内都可准确收到报警信息.

3 结语

通过采用单片机技术，实现了对应急灯运行状况的实时监控和故障报警功能，提高了应急灯的可靠性.

利用GSM通信模块功能，当应急灯出现电池缺失、电池故障及出现应急状态时除声光报警外，还给手机发送不同内容的短信报警信息，确保应急灯得到及时维护，提升了用户应对安全隐患的管理水平；

利用电压控制充电法，对应急灯电池定期自动进行1次深度放电，减少了电池的记忆效应，提高了应急灯电池的可靠性和使用寿命.

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2017-09-20