（环境工程专业论文）矿灯充电器阵列的监控管理系统设计.pdf

壬葡晏 为了解决传统铅酸矿灯存在的质量重、不易维护、灯泡易碎等缺陷以及低效混乱的 矿灯充电和矿工考勤管理方法，本论文采用磷酸铁锂电池为电源，以大功率l e d 为光 源的新型矿灯方案，开发了基于矿灯充电架的考勤信息管理系统，完成了矿灯的设计、 矿灯状态数据采集电路和基于矿灯充电的考勤信息管理系统。研究和设计的具体内容如 下： 1 ) 对矿灯的光源、电源等组成部分作了详细的分析，并对存在的缺陷给出了改进 方案，设计了以全封闭l e d 为光源，以磷酸铁锂电池为电源的矿灯，使矿灯在功耗减 少、重量减轻的同时在安全性方面也有了较大提升。 2 ) 研究了数据采集系统，设计了能够对矿灯的充电电压进行处理，完成对矿灯充 电状态进行判断的电路系统，解决了矿灯电池在充电过程中的状态监测问题。同时研究 了充电架数据采集电路与计算机的数据通信方法，为了实现计算机与多个充电架的数据 通讯，系统采用了r s 4 8 5 作为通信总线，提出了实现多机主从通信的方法和通信协议， 较好地解决了矿灯电池充电状态的监控、检测问题。 3 ) 根据对用户的需求进行详细的了解，把整个管理系统划分为三部分，分别为矿 灯设备管理、系统管理和员工的管理，开发完成了能够对矿灯和矿工考勤信息进行同时 管理的管理系统，使矿灯管理和考勤合二为一，提高了管理效率。 关键词：l e d 矿灯、数据采集系统、通信协议、考勤管理系统 a b s t r a c t i no r d e r t os o l v et h ed e f i c i e n c i e so f h e a v yq u a l i 吼d i 箍c u l tm a i n t e n a l l c ea n db r i t t l eb u l b i nt r a d i t i o n a ll e a d a c i dm i n e r sl 锄p ，a sw e l la st h ei n e m c i e n ta n dc h a o t i cc h a r g i n gm e t h o do f m i n e r sl 锄pa n dm i n e r s a t t e n d a n c em a n a g e m e n t ，t 1 1 et h e s i sp r o p o s e san e wm i n e r sl 锄p p l a nb ye m p l o y i n gp o l y m e r l i t l l i u mi o nb a t t e r ) ra sp o w e rs o u r c ea n dl l i g h - p o w e rl e da st h e l i g h t s o u r c e b e s i d e s ，t h et h e s i s a l s of o c u s e so nt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n ta t t e n d a n c e m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e du p o n1 锄p c h a r g i n gr a c k ，t h ed a t a - a c q u i s i t i o nc i r c u i to fm i n e r s 1 锄ps t a t ea sw e l la st h ei n f o n n a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e du p o nt h em i n e r sl 锄pc h a 唱e t h er e s e a r c ha n dd e s i g n 、v o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 ) as c i e n t i f i ca n dd e t a i l e da j l a l y s i si sc o n d u c t e dt ot h ec o m p o n e n t so fl i 曲ts o u r c ea i l d 1 i g h tp o 、v e ro fm i n e r s1 a m p ，a 1 1 da ni m p r o v e m e n td e s 迢nb yu s i n gc l o s e dl e d a sl i g h ts o u r c e a n dp o l y m e rl i t h i u mi o nb a t t e 巧a sp o w e rs o u r c ei si n t r o d u c e d i nv i r t u eo ft h ea b o v e i m p r o v e m e n t ，p o w e rc o n s u m p t i o no ft h em i n e r sl 撇pi sr e d u c e d ，i t sw e i g h td e c r e a s e da n d t h es e c u r i t yo ft h em i n e r sl a m pi sa l s oi m p r o v e d 2 ) ar e s e a r c ho nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h em i n e r s1 锄pc h a 哂n gi sd o n ea 1 1 da c i r c u i tw m c hi s c a p a b l eo fj u d g i n gt h es t a t e - o f - c h a 唱eo ft h em i n e r s1 a m pi s t h e r e a r e r d e s i g n e d ，w l l i c hs o l v e sm o i l i t o r i n gp r o b l e md u r i n gt h ec h a r g i n gp r o c e s so ft h eb a t t e r i e s a t t h es a m et i m e ，t 1 1 ed a t a - a c q u i s i t i o nc i r c u i to fc h a r g i n gr a c ka i l dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o n m e t h o do fp ci ss t u d i e s i no r d e rt or e a l i z et h e ( 1 a t ac o m m u n i c a t i o nb 娟e e np ca 1 1 dm u l t i p l e c h a 唱er a c k s ，t h es y s t e ma d o p t s r s 一4 8 5a sc o m 】m u l l i c a t i o nb u s ，a 1 1 dp r o p o s e st h en e w c o m m u n i c a t i o nm e t h o da 1 1 dp r o t o c o l sf o rm u l t i p l ep co w n e r s ，t h ed e s i g ng i v e sag o o d s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fm o n i t o r i n ga n dd e t e c t i o nd 嘶n gt h em i n e r sl 锄pb 甜e r yc h a r g i n g a c c o r d i n gt om ed e t a i l e ds u e yf o rt h ec u s t o m e r sd e m 锄d ，t h em a n a g e m e n ts y s t e mi s d e s i g n e d t od i v i d ei n t ot h r e e p a r t s ： m i n e r sl 锄pe q u i p m e n tm a n a g e m e n t ， s y s t e m m a n a g e m e n ta n ds t a f rm a l l a g e m e n t an e wi i l f o m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma b o u t t l l em i n e r s l 锄pa 1 1 dh i s 、v o r k 矾e n d a n c ei sd e v e l o p e d t h em a n a g e m e n te 衔c i e n c yi sr a i s e d 黟e a t l yd u e t ot h es y s t e mi n t e 伊a t e sl 锄pm a l l a g e m e n ta 1 1 da t t e n d a 【i l c er e c o r d k e y w o r d s ：l e dm i n e r sl 锄p ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ， a t t e n d a n c er e c o r ds y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：吨式乏乓叩年乡月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弋运喜 丫年，月2 f 日 导师签名： 段层蔓 7 年，月z 厂日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题的背景 在我国的能源生产和消费结构中煤炭的比重占7 0 左右l l 】，是我国能源的支柱，随 着我国改革开放后，工业的快速发展和经济的高速增长，对煤炭产量的需求在不断加大。 然而在煤炭产量日益增加的同时我们不得不关注煤炭生产的安全现状，我国的煤矿开采 基本上全部是地下作业。据官方统计公布的数据是，2 0 0 0 年矿难死亡人数5 ，7 9 8 、2 0 0 1 年矿难死亡人数5 6 7 0 人、2 0 0 2 年矿难死亡人数6 9 9 5 、2 0 0 3 年，矿难死亡人数6 6 8 3 人、2 0 0 4 年矿难死亡人数6 0 2 7 人、2 0 0 5 年矿难死亡人数5 9 3 0 人、2 0 0 6 年矿难死亡人 数4 7 4 6 人【2 】o2 0 0 3 年世界煤炭产量约5 0 亿吨，我国煤炭产量为1 6 1 7 亿吨，约占全球 的3 5 ；全球煤矿事故死亡人数约8 0 0 0 人，我国6 4 3 4 人，占全球的近8 0 【引。而南非 是世界上最大的黄金和白金矿产地，同时也是主要的基本金属生产地和煤炭产地。虽然 采矿业是南非经济的支柱产业但南非的采矿业仍是劳动密集型产业，其中不少是来自非 洲其他国家的临时性劳动工人，在南非所有矿工中，绝大多数为半熟练和非熟练工人。 尽管如此，南非矿山事故死亡率却逐年在降低，1 9 9 5 年时，千人死亡率为1 0 2 ，2 0 0 0 年下降到o 7 2 ，2 0 0 1 年南非煤矿伤亡率达到历史最低点，全国煤炭行业死亡人数仅为 1 7 人；目前年死亡率为o 6 o ，百万吨煤事故死亡人数是o 3 。澳大利亚是世界上主要的 采矿国家之一，尽管澳大利亚的矿产资源大多分布在气候条件十分恶劣，十分不利的地 貌条件和距离遥远的地方，但澳大利亚的采矿安全却走到了世界的前列。在1 9 7 9 年到 1 9 9 9 年的2 0 年间，澳大利亚共发生死亡1 0 人以上的特大矿难事故6 起，总计死亡6 9 人。近几年，澳大利亚的年均煤产量达到了2 5 亿至2 9 亿吨。在2 0 0 0 2 0 0 1 年度，百 万吨煤的死亡率即已下降到o 0 1 4 人。自2 0 0 3 年起，全国煤矿开采实现了“零死亡”。 德国也是世界上煤炭和褐煤储量最大的国家之一，德国不仅煤炭储量丰富，而且矿山安 全在全球也名列前茅。但德国的矿山事故比较低。报道说，德国煤矿百万吨死亡率是 o 0 4 ，2 0 0 4 年上半年德国煤矿事故死亡仅1 人。我国的百万吨死亡率接近4 ，是美国的 1 0 0 倍，南非的3 0 倍【4 j 。而据统计在我国所发生的矿难事故中由于瓦斯爆炸所引起的死 亡事故又占到死亡事故的7 1 左右【5 】。而在有瓦斯爆炸引发的事故中，有8 0 以上是由 于矿灯引发的。现在仍有多数煤矿仍采取比较笨重的铅酸蓄电池和白炽灯泡矿灯。白炽 灯泡由于寿命短耗电量大，灯泡烧坏后，井下矿工经常拆开、敲打灯泡，这样一旦瓦 斯达到一定浓度就很容易引起爆炸，存在严重的安全隐患。而铅酸蓄电池使用一段时间 第一章绪论 后，经常出现漏酸、漏液现象，不仅维修工作量大，占用人员多且由于电池硫化物产 生，普遍存在容量不足，点灯时间不够，影响井下一线矿工安全生产。 而在矿灯的管理方面，大部分矿企仍然是由充电房的矿灯管理员在早晨、中午和晚 上为下井人员发放矿灯，再将升井人员的矿灯收回并码放到充电架上进行充电。除此之 外还必须要有专人对工人的考勤进行统计、这样做需要多人管理而且效率低下，特别是 矿灯和矿工不对号入座，矿工对矿灯的状态不了解。而且在上下班的高峰期工人取灯还 灯时间集中。拥堵不堪这就造成了忙时管理人员非常紧张，闲时无事可做。但是人员又 不能减少。 综上所述，在矿灯的安全性，矿灯及工人考勤等管理的高效方面必须进行改进和创 新成为势在必行的重要工作，因为矿灯的安全直接关系着每一个矿工的人身安全。所以 开发安全性高的新型矿灯和对基于矿灯充电架的考勤管理方法的改进具有非常重要的 意义。 1 2 国内外现状 1 2 1国外现状 国外特别是矿业大国对矿灯的安全性以及多功能矿灯的开发非常重视，在矿灯电源 方面以美国、英国为代表的国家目前使用的主要是免维护铅酸蓄电池。而德国、俄罗斯 等为代表的国家的矿灯电源以碱性蓄电池为主。在光源方面国外基本上都采用了双灯丝 或双灯泡结构的溴钨灯泡。在对矿灯以及矿工考勤管理方面都实现了智能化。和国内相 比国外在矿灯及矿工信息管理方面存在着很大优势，但在矿灯方面也存在以下缺点： ( 1 ) 在光源方面尽管采用了双灯丝和双光源设计，但白炽灯的能耗、寿命、防爆 性能仍然无法与l e d 比拟： ( 2 ) 在矿灯电源方面由于矿业较发达的国家仍大量采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池， 所以在矿灯总质量，体积，比能量等方面和锂离子电池相比不占优势。 1 2 2 国内现状 按照矿灯电源的性质划分，目前我国的矿灯类型主要有k s 型矿灯( 酸性矿灯) 、 型矿灯( 碱性矿灯) 和k l 型矿灯( 锂电矿灯) 3 类。酸性矿灯主要是指采用了铅酸蓄电池的 矿灯，碱性矿灯主要是指电源采用的是镍镉或镍氢电池的矿灯，而锂电矿灯主要是指电 源采用了锂离子蓄电池的矿灯。目前，矿灯光源也有两种一种是新型的l e d 矿灯光源， 另种是传统的白炽灯。 2 长安大学硕士学位论文 在现有矿灯市场中，以铅酸蓄电池和白炽灯为代表的传统矿灯，仍占据着大部分的 市场份额。在我国现有的矿山从业人员中，农民工占了绝大多数，其受教育程度相对较 低，安全生产的意识淡薄，在矿灯的使用上经常对矿灯进行违规操作：灯泡坏了，矿工 经常会用手指弹灯泡，往往造成灯泡壳的碎裂，引起电火花而引发矿难。有部分矿工甚 至偷偷带电阻丝到矿井下，利用现有矿灯灯头短接电阻丝点火吸烟，这极易直接引爆瓦 斯而引发矿难事故。由于矿工的劳动时间长、劳动强度大。在体力严重下降的情况下2 5 公斤左右的矿灯对矿工来说就是个负担，很多矿工就用矿灯的电缆来拖动，造成矿灯电 缆的拉脱、拉断、擦破电缆造成电池短路而引起电火花从而引发矿难。对于现有矿灯本 身存在的缺陷，矿灯生产中的质量问题，矿工的素质等诸多因素成为导致我国煤矿矿难 事故频发的重要因素之一。为了能够把隐患从源头上予以根除，从而减少矿难事故拯救 矿工兄弟们的宝贵生命和提高企业的管理效率，我们迫切需要解决旧矿灯存在的不安 全、寿命短等缺陷和矿灯充电架存在的设备落后，充电性能不稳定往往造成矿灯使用寿 命缩短等问题；在考勤管理方面则需要解决矿灯充电不能实现自动化，统计工人考勤靠 人工完成，统计一次时间长，误差大，不能适应现代化管理需求等弊端。 1 3 课题来源、研究内容及主要工作安排 本课题来源于长安大学与企业的合作项目，以开发新型矿灯和基于矿灯充电架的考 勤管理系统。 在采矿业当中矿灯是煤矿工人必备的井下照明工具，矿灯的安全性能及使用管理与 煤炭安全生产息息相关。所以用安全性能高、体积小、重量轻的矿灯替代安全性能差的 铅酸矿灯，成了矿山企业迫切需要解决的问题，同时由于矿灯的信息化管理还很薄弱， 已经不能适应煤矿现代化建设的需要。基于以上考虑我们需要设计一种新型矿灯来解决 传统矿灯所存在的缺陷和研制了具备从矿灯放灯、充电、待用、取灯、使用到自动统计、 报告、考勤等全过程动态管理的矿灯( 矿工) 智能管理系统。该系统为管理者、实时提 供了快速、准确、全面的信息依据，为矿灯和人员的管理和安全预防、决策打下了基础。 课题主要研究内容： ( 1 ) 以新型大功率l e d 作为光源，以磷酸铁锂电池为电源的新型矿灯的设计。 ( 2 ) 智能充电架的数据采集电路设计 ( 3 ) 基于充电架的对矿灯充电状态判断、员工的信息、员工的考勤等的管理系统。 论文的内容及章节组织安排如下： 第一章，绪论，论述了矿灯及管理系统研制的背景、现阶段我国使用的矿灯以及存 3 第一章绪论 在的问题。 第二章，智能矿灯充电架管理系统的结构概述。矿灯的组成部分、光源的种类、特 点及选择、蓄电池的选择和充电架的结构以及系统软硬件的开发环境等等。 第三章，提出数据采集电路的设计思想、系统组成、通信协议的制定及其工作原理。 第四章，分析矿灯充电及考勤管理系统的需求，介绍管理系统的设计思想、数据库 结构及设计流程。 第五章介绍矿灯充电及考勤管理系统的界面设计。 结论与展望，对全文进行总结。 4 长安大学硕士学位论文 第二章矿灯系统的构成 2 1 矿灯管理系统概述 矿灯是矿井工人必备的井下照明工具，矿灯的安全性及使用管理与矿山安全管理息 息相关。为了改变传统铅酸矿灯存在的质量重、维护困难、灯泡易碎等缺陷和安全隐患， 需要对矿灯的光源、电源进行了重新的设计。设计出了安全性能高、体积小、重量轻的 新型锂电池矿灯。并且为了适应矿井现代化建设的需要、在改善了对锂离子电池矿灯信 息化管理的基础上，又实现了对员工的信息化管理。摆脱了长期以来人工管理带来的矿 灯充电无法监控、矿灯管理的好坏取决于管理人员的经验和责任心，矿灯在发放高峰期 拥挤不堪，矿工的考勤统计混乱，人员效率低下等弊端。 在充电架的基础上开发的信息管理系统，不但可以监测矿灯的充电状态，实现矿灯 的信息化管理，还可完成矿工的考勤管理，档案管理等功能。并能够进行查询、统计、 打印有关信息大大提高了工作效率。 2 2 系统组成 该系统分为硬件系统和软件系统两部分： 硬件系统包括矿灯、充电架、数据采集电路、通信转换器。工业控制计算机。软件 系统主要是考勤管理系统。 硬件系统架构如图2 1 所示。 图2 1 硬件系统架构图 第二章矿灯系统的构成 2 2 1 矿灯 矿灯是由光源、灯体和电源组成的。目前我国大量使用的矿灯光源有两大类：一类 是传统的白炽灯泡，另一类是新兴的大功率l e d 光源。矿灯的电源现阶段以铅酸类蓄 电池为主，碱性蓄电池和锂离子蓄电池共存。 2 2 2 矿灯光源选择 白炽灯泡也分两类：它们分别是氪气灯泡和溴钨灯泡。氪气灯泡在当前的矿灯市场 上占主导地位，适用性较强，由于是传统产品，大量的矿灯都使用这类灯泡。溴钨灯泡 的结构与氪气灯泡不同，溴钨灯泡是利用溴钨再生循环反应的原理制成的。溴钨再 生循环的基本作用过程是【6 】：从灯丝蒸发出来的气态钨与溴族反应生成了一种挥发 性的卤化钨，它扩散到灯丝附近的高温区又受热分解，使钨重新回到灯丝上，被 释放出来的溴素继续扩散参与下一次循环反应，如此周而复始地循环下去，从而 防止了钨的蒸发和灯泡的发黑现象。溴钨灯泡的使用寿命大约在5 0 0 小时，光效高， 约为1 2 l 删，w ；溴钨灯灯壳的温度在2 0 0 8 0 0o c 时才能形成充分的卤钨再生循环。为 此，玻壳须选用耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃或低碱硬质玻璃，所以可靠性相对氪气 灯泡高、色温好。溴钨灯泡照射光亮度、颜色和温度比较好。但白炽灯依然存在着使用 寿命短不达标、产品质量稳定性差、耗电量大、发热量大等缺陷。由于白炽灯发热量大； 可靠性差，灯泡壳易碎，灯丝易断和光效低等缺陷，这不仅仅增加了使用成本，而且由 于以上缺陷的存在，在使用过程中易产生电弧和火花，所以用白炽灯泡作为矿灯光源存 在极大的安全隐患。 l e d 半导体发光二极管从显示到照明，是近几年刚刚起步的一种新兴光源。l e d 是 半导体材料制成的发光二极管组件，由于它与传统光源相比不是通过发热产生光，发光 二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半 导体之间有一个过渡层，称为p n 结。在某些半导体材料的p - n 结中，注入的少数载流 子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光 能。p n 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原 理制作的二极管叫发光二极管。当它处于正向工作状态时，电流从l e d 阳极流向阴极， 半导体晶体就会发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关【丌。因为发光 二极管发光时发热量极小，因此被称为冷光源。 由于技术的原因早期的l e d 主要用于做指示灯。它的发光强度不高，发光效率也 不高，一般小于o 2 l 州w ，其功率仅几十毫瓦到上百毫瓦( 属于小功率l e d ) 【引。但现 6 k 安大学硕士学位论文 在l e d 发展迅速，特别是白光技术的突破，现在已经可以造出3 w 以上的l e d 灯了。 参照中华人民共和国国家标准对矿灯安全性能通用要求一】： ( 1 ) 在矿灯的设计电路中，所有的电压必须小于8 v ，包括输入电压，输出电压和 变换所需的中间电压。 ( 2 ) 矿灯的光源必须是主副两组，而且是完全独立控制。主灯用于大部分时间的 照明，因此主灯需要的电流较大，且时间较长不小于1 1 小时。副灯主要在主灯不能工 作的时候辅助工作，电流一般较小，且工作时间较长，不低于3 0 小时。 ( 3 ) 特殊的应用环境要求所有的控制电路不能在工作时产生电弧或者电火花，避 免发生瓦斯爆炸。 采取l e d 作为矿灯光源是完全可行的，与传统的白炽灯相比l e d 光源有以下优点： ( 1 ) 节能，获得与白炽灯相同的照度，其所耗能量仅为白炽灯的l 3 。也就是说用 等容量的电源能够提供更长的照明时间 ( 2 ) 热性能好，由于发光原理与白炽灯先发热再发光不同，所以l e d 发光时的温 度一般不会超过6 0 0 c ，而传统的白炽灯发光时的温度能达到2 5 0 0 0 c 。 ( 3 ) 寿命长，现在的l e d 的寿命可以达到5 万小时以上，也就意味着在矿灯的寿 命期内无须更换光源。 ( 4 ) 安全性高，l e d 光源采用的整体全封闭式封装。整体式全密封、不能拆卸的 结构具备防爆隔爆的特性，从而割断了传统矿灯引发事故的根源。很好的解决了以前矿 灯灯泡使用寿命短不达标等问题。 2 2 3l e d 驱动方式 由于生产工艺、材料等原因，l e d 个体间的电性能是存在差异的，所以l e d 的发 光强度与驱动电流是不完全相同的。同时l e d 的色温和光效都不是恒定值，在额定电 流范围内电流越大，色温会越高越偏暖色，而光效在电流达到一定数值之后，会随着驱 动电流的继续增加而持续降低。虽然可以用直流电源直接驱动l e d ，但开始时所有光源 都会被点亮但光强会不一样，随着电池的损耗电压的降低，l e d 的光强会减弱，随着电 池电压的持续降低会出现一部分l e d 亮一部分熄灭的状态。所以在实际应用中，需要 驱动电路来保证l e d 亮度的均匀性和稳定性。 矿灯采用双电源设计，主电源由一只3 w 的大功率白光l e d 构成，副光源由六个 小功率l e d 构成，多个l e d 的连接方式主要有串联、并联以及混联。但是由于串联存 在着当一个l e d 出现故障( 比如开路) 就会影响到其它所有的l e d ，且串联模式所需 7 第二章矿灯系统的构成 驱动电压高，为了得到高的驱动电压一般采取电感升压电路，通过开关电源将低电压转 换成高电压，这种方式不但存在着开关噪声等影响 同时由于采用了电感等，尺寸较大 的外部元器件，所以驱动电路在体积方面太大，考虑到l e d 的散热问题及矿灯灯头狭 小的内部空间来说显然是不合适的。因此采用了并联的方式。采用并联方式时即使有一 个l e d 出现故障时，也不会影响到其它l e d 的正常工作，对于井下特殊的作业环境更 加合适。 目前常见的l e d 驱动控制模式有：p f m 模式即通过调节脉冲频率的方法实现稳压 输出的技术，脉宽调制模式p w m ( p w m 控制模式由于误差放大器的影响，存在回路 增益及响应速度慢，增益低等缺陷，很难用于l e d 恒流驱动) 电荷泵控制模式，数字 脉宽调制模式( 该模式适用于大电流密度，其响应速度很快，但成本相对较高。和强制 脉宽调制模式。其中p f m 、p w m 是采用恒压驱动方式控制l e d ，实践证明恒流驱动模 式更适合驱动l e d 。对矿灯来说最常用的驱动方式是采用电荷泵型l e d 驱动器，电荷 泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端，整个过程不需要使用任何电感， 其外围电路简单，体积可以做的更小，电荷泵上的各个电流通道使用匹配的电流独立驱 动各并行连接的l e d 。电荷泵的升压比例是离散的，其大小由倍增因子决定。随着电池 电量的消耗电压的降低，为了保证驱动效率需要对电荷泵进行升压处理，常见的电荷泵 升压方案是通过两个外部电容实现的，两个电容可以实现1 倍升压，1 5 倍升压和2 倍 升压三种模式来保证所需输出电压。 常用的l e d 驱动电路有恒流式和稳压式两种【1 0 1 。 ( 1 ) 恒流驱动电路：恒流驱动电路的主要功能是，通过控制电路实现各路l e d 的 均流。这种方法可以消除l e d 两端正向电压的变化而引起的电流变化，从而使每只l e d 的亮度保持相同，在保证每个l e d 亮度相同的同时，尽可能的提高驱动的效率。主灯 由于只有一个大功率l e d ，所以采用这种驱动方式非常合适。主灯的驱动原理如图2 2 所示。 图2 2 主灯l e d 驱动原理图 8 长安人学硕士学位论文 副光源采用的也是恒流驱动方式，其驱动原理图如图2 3 所示。 = 图2 3 副灯l e d 驱动原理图 ( 2 ) 恒压驱动电路：恒压驱动电路在l e d 工作的过程中输出的电压是固定的，而 输出的电流却随着负载的增减而变化；以稳压驱动电路驱动l e d ，由于恒压驱动电路存 在的开关电源，工作时频率非常高，所产生的电磁干扰会非常大。因此在设计驱动电路 时，对元器件的位置及布局要求非常高，特别是电容以及布线，电容要尽可能的靠近元 器件本身，布线要尽可能的短，以减少电路在工作时产生的电磁干扰，所以电路的设计 难度比较大。同时在驱动过程中每串需要加上合适的电阻方可使每串l e d 显示亮度平 均。由于l e d 个体间存在着电性能差异所以电阻的选择也会很麻烦；亮度会受整流而 来的电压变化影响。因此恒压驱动电路用的相对较少。 2 2 4 矿灯反光罩的设计 目前，我国市场上出现的一些l e d 矿灯尽管通过了国家照度检测标准要求，但在 煤矿井下实际使用时，这些矿灯往往会出现矿灯光斑太小泛光不足的现象。这主要是反 光罩设计不合理造成的。研究表明应该采用一种侧发光，产生双峰曲线的发光二极管， 配用抛物线反射器可以得到与现矿灯相同的照明效果。为了达到这种效果必须对反光杯 进行设计。反光杯的纵截面理论上形状应该是抛物线，但是l e d 并非点光源，发光角 度，半功率辐射角都没有点光源那么大，反光杯在设计上也要考虑这些问题。反光杯的 反光面也有所差别。常见的有纯光面、丝状、微橘皮和橘皮之分。纯光面的发光率要高 但是输出的光斑不是很均衡，橘皮的反光率要低但可以做到非常均匀的聚光泛光的过 度。丝状和微橘皮的介于两者之间。 反光杯的尺寸上还有深度和口径之分，相对来说，深度越深，口径越大其聚光效果 就会越好但泛光会变差。这两个更重要的参数是深度。在反光杯尺寸的决定上，为了避 免出现泛光不足的现象。在设计的时候通过减小反光杯来达到增加泛光的目的。使矿灯 在近距离照明时视野更开阔。同时反光杯在设计材料的选择上选用了铝基板材料，在实 9 第= 章矿灯系统的构成 现其本质功能的同时也有助于散热。设计出的反光杯如图24 所示 图2 4 反光杯 225l e d 光源的散热改进方法 为了满足矿灯的照度要求。矿灯光源一般采用大功率发光_ 极管，或者用一只大功 牢二极管和多个小功率二极管进行组合。但不管是用那种方式，技术关键都是要解决好 电源变换问题和灯体的散热问题。 虽然发光二极管被称作冷光源，工作时自身不像传统的自炽灯温度高达2 5 0 0o c ， 但l e d 足一种半导体材料，与普通二极管一样具有p - n 结，电流流过发光二极管时产 生的电阻热还足会使灯体升温，半导体材料制作的发光二极管在高温下会迅速老化，p n 结的工作温度越高，发光效率越低，且会产生光衰，这种光衰是不可逆的，一旦产生发 光二极管的寿命会大幅缩短导致报废。为了避免光衰的出现，就必须解决好光源的散热 问题。并且要减小发光管和灯体之间的热阻。l e d 可以工作的环境温度大约在_ 4 0 0 c 8 5o c 之间，温度在4 0 。c 4 0o c 时发光效率虽好，超出此范围发光效率将太幅降 低。通常p n 结产生的热量都是通过引线、电路板、散热片等传导到空气中，以保证p _ n 结的温度不超过临界温度1 l oo c 旧1 ”。 由于矿灯灯头采用密封结构，腔体的容积较小，所以非常不利于散热，系统的矿灯 采用的是双光原设计，主光源采用一只大功率发光二极管，辅光源采用的是几个小功率 管并联的形式。为了解决散热问题，除了选择自身热阻较小的发光二极管外，在二次散 热机构上由于光源较多所以采用普通的印刷电路板是不能解决散热问题的，我们采用了 铝基板做散热体。铝基板的绝缘、散热和机械加工性能非常好，目前铝基板的热阻可 达到0 5o c ，w 。通过良好的散热设计，使p - n 结的工作温度不超过7 0 0 c ，l 正d 的 长安人学硕士学位论文 表面温度控制在5 0 0 c 以下。在环境温度较高时，要解决其温度升高不超过6 5 0 c 是比 较困难的，为了进一步增强光源的散热能力，我们还可以将l e d 管芯先焊接到黄铜底 座上，再将底座与铝制反射器铆合，用整个金属反射器加铜底座为其散热，以增大散热 面。实践证明在矿灯连续工作2 4 小时候温度未超过6 5 0 c 。完全可以满足光源对温度的 要求。 2 - 2 6 矿灯电源的选择 目前正在应用的电池主要有酸性电池、碱性电池和锂离子电池三种类型。下边分别 对这三种电池进行分析比较。 铅酸蓄电池矿灯是最早被发明的。但从发明至今在技术方面一直没有大的突破。铅 酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是 依靠正极板活性物质( 二氧化铅和铅) 和负极板活性物质( 海绵状纯铅) ，在电解液( 稀硫酸 溶液) 的作用下进行，其中极板的栅架，是用铅锑合金制造，蓄电池在使用过程中会发 生“减液”现象，这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电 后蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出， 使电解液减少。由其结构也决定了其主要缺点是质量重、需要定期维护。每隔半个月左 右就要对蓄电池进行补水维护，水量却很难控制这样很容易造成电解液密度降低使矿灯 在使用时发生红灯现象【l4 1 ，另一个问题是由于密封不良等问题容易发生漏酸使矿工的身 体受到伤害。 为了改善传统铅酸蓄电池的这些缺点，近年来出现了一种全封闭的不存在漏酸和补 水问题的免维护铅酸蓄电池1 翻。免维护铅酸蓄电池和传统铅酸蓄电池最大的区别是极 板的栅架免维护，蓄电池是用铅钙合金制造。用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄 电池的反电动势，减少过充电流和减低液体气化速度，从而减低了电解液的损失。由于 免维护蓄电池的这种结构，充电时水分解量少，水份蒸发量低，加上外壳采用密封结构， 释放出来的硫酸气体也很少，所以它与传统蓄电池相比，具有不需添加任何液体，对接 线桩头、电线腐蚀少，抗过充电能力强，起动电流大，电量储存时间长等优点。但由于 工艺复杂，寿命短等原因没有得到大面积的推广。 碱性蓄电池主要有镍镉电池和镍氢电池。 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和 氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液【1 7 】。 镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能 第二章矿灯系统的构成 放出全部电量。比如，镍镉电池只放出8 0 的电量后就开始充电，充足电后，该电池也 只能放出8 0 的电量，这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后，极板上的结晶体 很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合 在一起，形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。除此以 外镍镉电池还存在体积大、质量比铅酸蓄电池更重，需要定期补水且对补水和充电技术 要求高等缺陷。补水不恰当容易导致充电不足，而充电不恰当很容易使电池报废，再有 就是电池电压是这几种蓄电池中最低的，影响矿灯的亮度和照度。 镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属互化物【豫 19 1 。许多种类的金属互化物都已 被运用在镍氢电池的制造上，它们主要分为两大类。最常见的是a b 5 一类，a 是稀土 元素的混合物( 或者) 再加上钛；b 则是镍、钴、锰，( 或者) 还有铝。而一些高容量 电池的“含多种成分 的电极则主要由a b 2 构成，这罩的a 则是钛或者钒，b 则是锆 或镍，再加上一些铬、钻、铁和( 或) 锰。所有这些化合物都可逆地形成金属氢化物。 电池充电时，氢氧化钾电解液中的氢离子会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免 形成氢气，以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的 过程而回到原来的地方。 镍氢蓄电池是由贮氢合金负极，镍正极，氢氧化钾电解液以及隔板等组成，它与镍 镉电池的本质区别只是在于负极材料的不同。作为负极材料的贮氢合金是由a 和b 两 种金属形成的合金，其中a 金属可以大量吸进氢气，形成稳定的氢化物。而b 金属不 能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就是说，a 金属控制着氢的吸藏量， 而b 金属控制着吸放氢气的可逆性。按照合金的晶体结构，贮氢合金可分为a b 5 型、 a b 2 型、a b 型、固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是a b 5 型合金。a b 5 型贮氢 合金主要由铜镧系元素和镍组成，同时少量添加铝，锰，钴等。镍氢电池与镍镉电池相 同都存在记忆效应【2 引。因此，定期的放电管理也是必需的。这种定期放电管理属于模糊 状态下被处理，甚至也有些在不正确的知识下进行放电。这种烦琐的放电管理在使用镍 氢电池时是无法避免的。相对锂电池而言因为完全没有记忆效应，在使用上非常方便简 单。它完全不必理会残余电压多少，直接可进行充电，充电时间自然可以缩短。另外以 每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1 2 v ，而锂电池确为3 6 v ，锂电池的电 压是其他两者的3 倍。并且同型电池的重量相比，锂电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢 电池却比较重。可知，每一个电池本身重量不同，但锂电池因3 6 v 高电压，在输出同 等电压的情况下使得单个电池组合时，数目可减少三分之一而使成型后的电池重量和体 1 2 长安人学硕j ：学位论文 积减小。还有就是镍镉和镍氢电池寿命较短，不耐过饱充。 锂电池最早是由爱迪生发明的。但是由于锂金属的化学特性非常活泼，在使用，加 工和保存方面变得非常不方便，而且容易发生爆炸。所以，锂电池长期没有得到应用。 但锂电的优点也是显而易见的，电压高适用于集成电路。环保、比能量大等是其它电池 不可比拟的。为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而发明了 性能优异的锂离子电池。锂离子电池的出现，使很多便携设备的电源问题得到了很好的 解决，同时由于不含镍等重金属大大减少了对环境的污染。 根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池1 2 l j 可以分为液态锂离子电池 ( 1 i t l l i u mi o nb 戤e 巧，l i b ) 和聚合物锂离子电池( p o l y m e rl i t h j 啪i o nb a t t e 巧，l i p ) 两大类。 所谓的聚合物锂离子电池是说，在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子 材料作为主要的电池系统。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主 要是被应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用 的无机化合物聚合物。锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的 工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，电解质则可以使用固态或胶 态高分子电解质，或是有机电解液，负极则通常采用锂金属或锂碳层间化合物。一般锂 离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这 就增加了重量和成本，另外也限制了尺寸的灵活性。而聚合物锂离子工艺中没有多余的 电解液，因此它更稳定，也不易因电池的过量充电、穿刺、碰撞或其它损害、以及过量 使用而造成危险情况。聚合物锂离子电池以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以 是“干态的，也可以是“胶态 的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离 子电池可分为三类【2 2 】： ( 1 ) 固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在 常温下的离子电导率低，适于高温使用。 ( 2 ) 凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加 剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。 ( 3 ) 聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是 现有锂离子电池的3 倍，是最新一代的锂离子电池。由于用固体电解质代替了液体电解 质，与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状 化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造 电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正 第二章矿灯系统的构成 极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高5 0 以上。此外，聚合物锂 离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点， 聚合物锂离子电池得到了广泛的应用f 2 3 。2 5 1 。 在矿灯的设计中我们最终选择了磷酸铁锂锂离子蓄电池作为矿灯的光源，和其它蓄 电池相比它有以下优点： ( 1 ) 安全性好、环保，作为锂离子前身的锂电池，因金属锂易形成结晶发生短路， 缩减了其应用领域。锂离子电池不含金属锂，性质稳定。锂离子电池中不含镉、铅、汞 等对环境有污染的元素。也没有像镍镉一类电池存在的记忆效应。 ( 2 ) 比能量大，锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍 镉的4 0 5 0 ，镍氢的2 0 3 0 。 ( 3 ) 循环寿命长，一般均可达到5 0 0 次以上，甚至1 0 0 0 次以上对于小电流放电的 电器，电池的使用期限明显增长。 ( 4 ) 自放电小，室温下充满电的锂离子储存1 个月后的自放电率为1 0 左右，而 镍镉电池是2 5 3 0 ，镍氢电池是3 0 3 5 。 ( 5 ) 工作温度范围宽，工作温度为一2 5 4 5 0 c ，随着电解质和正极的改进，期望能扩 宽到4 0 7 0 0 c 。 ( 6 ) 质量轻，因为锂离子蓄电池的比能量大，存相同的能量要比其它电池体积小得 多，又因为采用了更节电的l e d 光源所一新设计的矿灯重量不到传统矿灯的四分之一， 减轻了矿工的负担。 ( 7 ) 电压高，一个锂离子电池单体的工作电压为3 7 v ( 平均值) ，相当于三个串联的 镍镉或镍氢电池。 在矿灯灯头开关的选择方面依然选择了传统的机械旋转式开关，这是因为其切断大 电流的能力强且价格便宜，这样不仅提高了矿灯的安全性，也降低了矿灯的成本。除了 矿灯的电源和光源外，还对矿灯进行了其它改进。 ( 1 ) 采用整体的密封设计、增加了电子短路保护、防静电外壳等措施。 ( 2 ) 所有电路都采用了高效的电路保护设计，保证工作电流在0 3 5m a ，短路保 护动作时间小于o 3 5m s 。 ( 3 )电源盒材料采用a b s 工程塑料，表面防静电，这样不仅可以有效避免静电产 生的火花，而且高强度的外壳更可经受住强力冲击。 ( 4 ) 对锂离子电池进行了过充过放电保护功能，使产品具有更好的可靠性。 1 4 长安大学七$ * 论女 设计后的新型矿灯与传统铅酸矿灯相比如图25 所示 图25 铂酸矿灯与l e d 锂电矿灯 2 3 充电架 本充电架为双面薄钢板结构。选择了高频丌关电源作为充电电源。输入电压范围宽， 输出电压稳定且效率高。充电的四种状态分别用充电架上红绿两个发光l e d 通过不同 的状态组台进行指示： ( 1 ) 正在充电时：