1  概述
在经济高速发展、全球气候变暖的今天，资源的大量消耗以及不合理的开发使用已成为人类社会发展的重大问题。全球气候变暖、气候现象威胁人类生存，国际气候大会上，我国政府提出了积极应对策略，其中为发展节能工程，推广绿色照明、高效节电照明系统将是一项重要举措，因为能源消耗和气候变化是密切相关的。
多年来，普遍采用的是白炽灯/荧光灯照明，这种灯体积和重量大，灯泡/灯管的寿命短，特别是在矿井下等环境工作时，白炽灯丝温度高，易产生火花，有可能引爆瓦斯。此外，当铅酸电池内的电解液渗漏溢出，还可能烧伤矿工的皮肤。传统的照明方式存在安全隐患。
目前，安全、高效、节能、绿色、环保等技术越来越受到政府的鼓励和支持，使用微处理器集成电路、高亮度LED发光管等半导体先进技术，结合新型锂离子电池，开发工业和民用照明产品，符合我国 “十一五”规划及中长期发展规划，未来我国将开展十大节能工程，其中绿色照明，推广高效节电照明系统将是一个重要内容。
2  技术要求和指标
(1) 额定容量：3Ah。
(2) 标称电压：3.7V。
(3) 点灯时间 ：不小于11h。
(4) LED光源：额定电压3.7V；
     额定电流：主光源0.24A，辅助光源0.13A。
(5) 最大照度：点灯开始≥800lx，点灯11h≥350lx。
(6) 照度调节范围：350lx-1000lx。
(7) 重量：小于200g。
(8) 参考标准：
     GB7957-2003矿灯安全性能通用要求，
     GB/T18287-2000蜂窝电话用锂离子电池总规范。
3  技术方案
3.1 锂电节能灯目标功能
(1) 在规定的照度范围内能够正常照明；
(2) 照度可以进行控制调节；
(3) 满足国家相关法规、技术标准；
(4) 安全、高效、节能、便携。
3.2 系统组成及工作原理
根据锂电节能灯要实现的目标功能，确定系统组成如图1所示。
控制板组件实现充电、放电、亮度控制等功能，放电控制电路是其核心部分，主要由微处理器组成。LED灯板组件实现高亮度发光管LED的组合与集成，透镜组件实现多点光源的聚焦，锂离子电池组件实现电池的组合固定与过流过热保护，外壳及其它组件完成整灯的构型、支撑、装夹固定。节能灯工作原理如图2所示。
3.3 硬件及软件技术方案
3.3.1 硬件方案
(1)AT89C2051单片微型机
ATMEL公司的AT89C2051单片微型机是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写只读Flash程序存储器和128bytes随机存取数据存储器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大，AT89C2051单片机可用于许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出(I/O)端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
AT89C2051单片机主要功能特性如表1所示。
表 1   AT89C2051单片机主要功能特性
序号 功能 序号 功能
1 兼容MCS51指令系统 9 2k可反复擦写Flash ROM
2 15个双向I/O口 10 6个中断源
3 两个16位可编程定时/计数器 11 2.7-6.V的宽工作电压范围
4 时钟频率0-24MHz 12 128x8bit内部RAM
5 两个外部中断源 13 两个串行中断
6 可直接驱动LED 14 两级加密位
7 低功耗睡眠功能 15 内置一个模拟比较放大器
8 可编程UARL通道 16 软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C2051是一种20引脚的双列直插式IC芯片，引脚是单片机的硬件外特性，用户通过引脚连接外部器件就能组建单片机系统。
信号引脚功能如下：
①P1口
8位双向口线，即P1.0-P1.7。口引脚P1.0（12脚）和P1.1（13脚）用于外部接口工作时，要求配置外部的上拉电阻；P1.2-P1.7内部设有上拉电阻，用于外部接口工作时由外部负载工作方式决定是否配置上拉电阻。P1口带有输出缓冲器，可吸收20mA的电流并能直接驱动LED显示。P1口的功能之一是在闪速编程和程序校验期间接收代码数据（即编程的数据输入口）。
②P3口
带有内部上拉电阻的7位双向口线，即P3.0-P3.5和P3.7。P3口的其它特性与P1口相同，此外P3口还具有第二功能。
③复位端RST（1脚）
当1脚加“H”高电平时芯片内部的功能电路复位，此时I/O口引脚复位到“1”电平。
④XTAL1（5脚）
振荡器外接晶振，内部时钟发生器输入。
⑤XTAL2（4脚）
振荡器外接晶振、反向放大器输出。
⑥电源端20脚(+2.7-6V)和10脚（地端）。
(2)锂离子电池
① 锂离子电池的特点
锂是一种金属元素，其化学符号为Li（其英文名为lithium），是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃（电视机上用的荧光屏玻璃）及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。
锂电池分成两大类：不可充电及可充电。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能（或者还原性能极差）。而可充电的电池称为二次性电池（也称为蓄电池）。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的。
锂电池的最大特点是比能量高。比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克（重量单位），L是升（体积单位）。这里举一个例来说明：5号镍镉电池的额定电压为1.2V，其容量为800mAh，则其能量为0.96Wh(1.2V×0.8Ah)。同样尺寸的5号锂－二氧化锰电池的额定电压为3V，其容量为1200mAh，则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是相同的，则锂－二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍。一节5号镍镉电池约重23g，而一节5号锂－二氧化锰电池约重18g。一节锂－二氧化锰电池为3V，而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂电池时电池数量少（使便携式电子产品体积减小、重量减轻），并且电池的工作寿命长。
另外，锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。
② 锂离子电池选用注意事项
a.单体锂离子电池的充电电压必须低于4.25V(±0.05V)，如超过此上限电压会造成永久性损坏；
b.单体锂离子电池的放电电压不得低于2.4V(±0.05V)，如低于此下限电压也会造成永久性损坏。
③ 本设计中所选锂离子电池的主要参数
根据以上情况，本设计中所选锂离子电池的主要参数如表2所示。
表 2  所选锂离子电池的主要参数
序号 功能 序号 功能
1 额定容量 1600mAh 8 充电电流（标准） 0.2 C5A
2 额定电压 3.7V 9 放电电流（标准） 0.2 C5A
3 额定容量 1600mAh 10 充电电流快速1C5A 0~+40C
4 额定电压 3.7V 11 放电电流（快速） 1C5A
5 放电终止电压（最小） 2.75V 12 放电电流（最大） 2 C5A
6 充电限制电压 (最大) 4.2±0.03V 13 内阻 ≤60m  AC 阻抗 1kHz
7 重量 43.0±3.0g 14 外形尺寸10.3× 33.7×49.7

(3)高亮度LED
LED发光二极管是一种可以将电能转化为光能的半导体发光器件，具有二极管及发光双重特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到紫外区间不同波长的光线。除此之外，还有在蓝光或紫外LED上涂上荧光粉，转化成白光 LED。白光LED发出的热量少，不像白炽灯光源那样浪费太多的热量，不像荧光灯光源那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯光源那样要求高电压而容易损坏，已被公认为新一代环保高科技光源产品。大功率LED光源的特点如下：
① 效率高
由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到90%，而白炽灯其可见光效率仅为10-20%。因此，LED的可见光效率高。
② 光线质量高
由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，LED属于典型的绿色照明光源。
③ 光色纯
与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。
④ 能耗小
单体大功率LED的功率一般在0.5W~5W，通过集群方式可以满足不同的需要，浪费很少。尤其是需要彩色光的时候，采用白光经过滤色的方式大费周折并且浪费能源，而LED固有的彩色却是得天独厚。
⑤ 寿命长
光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时，实际上几乎无限。
⑥ 可靠耐用
没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。
⑦ 应用灵活
体积小，可平面封装易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面等各种形式的具体应用产品。
⑧ 安全
单体工作电压大致在1.5V~5V之间，工作电流在20mA~1A之间。
⑨ 响应时间短
适合于频繁开关以及高频运作的场合。
⑩ 绿色环保
废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。
 控制灵活
通过调整电流可以调光，不同光色的组合可以调色，加上时序控制电路可以达到多样的动态变化效果。
 冷光源
利用化学能、电能激发的光源，如LED、EL、节能灯、光纤、荧光灯等。并非利用热能激发的光源，如白炽灯、卤钨灯、高压汞灯、金属卤素灯等。
所选高亮度LED的主要参数如下：
额定电压：3.2V；
额定电流：20mA；
发光角度：25°；
光强：7000mcd。
(4)集成功率驱动管
集成功率驱动管选取半导体和无源电子器件制造商VISHAY集团公司生产的Si4953ADY双通道P沟道30V (D-S) MOSFET。
其主要指标为：VDS=30V，rDS(on)=0.053Ω@VGS=-10V，ID=-4.9A，SO-8分装
根据以上设计分析，设计出电路原理图如图3所示。
(5)光学透镜
由于LED的光输出通常分布在一个较小的立体角范围内，产品内安装了多个LED光源，如何应用光学分布技术进行产品设计，使产品出射光分布均匀，光通量不被浪费，避免产生暗区并满足节能灯的照度要求是着重要研究的问题。
① 锂电节能节能灯基本光学系统
传统的节能灯采用白炽灯作为光源，其灯具基本光学构成可视为光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来，投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器，形成近似于平行的光束，然后用透镜的外罩对光束进行偏折、扩散，产生期望的光分布和照度。
随着LED技术的发展，单颗LED流明数的不断提高，一个灯具内使用的LED数目会明显减少。目前广泛使用的LED锂电节能灯，通常用(6~50)颗LED，基本均匀分布于整个发光面上，每颗LED对应一个或一组透镜单元。
由于LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件。例如，用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足标准要求的光分布。
② 透镜设计思路
灯具采用单凸透镜，凸面的曲率半径用下面的公式计算：
1/r1-1/r2=1/f(n1-1)
 其中f -透镜焦距；r1，r2 -分别为透镜两表面的曲率半径。当某表面为平面时，曲率半径为无穷大；n1 -透镜材料的折射率，为使光学效果更加合理，设计中应将灯具外罩分割成矩形小单元，这样做的目的在于打碎光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用椭球面，因为该面具有水平和垂直两个方向的弧度，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果，其根本目的是克服传统技术的不足，合理利用光通量，实现均匀、高效的光分布。同时，在圆盘状本体上，整齐排列多组透镜单元，每组透镜都由具有不同双向曲率的透镜单元组成。因为透镜的一个表面为具有水平和垂直两个方向曲率半径的曲面，所以可以使入射光在水平方向和垂直方向都得到扩散。鉴于两个方向的曲率半径相互独立，所以，可以根据要求分别调节两个曲率，使得光输出在两个方向上得到不同程度的扩散。因此，使用双向曲率曲面构成的透镜，可以根据设计要求更自由地分配光输出，更高效地利用光通量，减少不必要的浪费和眩光。此外，由于使用的是光滑过渡的曲面，节能灯具有均匀过渡的光分布和良好的外观。
设计的透镜如图3所示。
3.3.2 软件方案
(1)亮度、照度控制数学模型
水平平均照度的计算公式是：
E =UF·K·F· N /A
式中：E—水平平均照度lx；A—被照面积m2；UF—所用灯具的利用系数，通常取0.3~0.5；K—减光系数，一般取0.5~0.8；F—灯具的光通量lm；N—投光灯台数。
(2)软件方案
① 软件任务及功能需求
在规定的照度范围内实现照明功能，照度可控可调，满足国家标准KL型锂电节能灯中所规定的功能（如连续照明时间、可反复充电、安全性、便携等）；
对电池的放电电压进行监视，自动进行亮度或照度调节。在保证照明时间的情况下，控制照度最大；
通过按键人工设定亮度，可以实现有级调光和无级调光；过流保护功能，过放电保护功能；A/D转换功能；系统自检功能；看门狗功能；
系统硬件资源为：带2路A/D转换的8位单片机，8Mhz晶振，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。
② 软件流程图
按照软件任务、功能需求、技术要求，设计软件流程图如图5所示。
4  结论
该款节能灯使用效果好，具有控制可靠、便于携带、长寿命、免维护、照明时间长等特点。项目的研究对节能、环保、减轻特种工作劳动负荷、提高特殊环境下的作业安全等具有有一定意义，希望能对类似应用开发起到抛砖引玉的作用。
作者简介
雷厉（1966—），女，工程师，西安电子科技大学电子技术应用专业毕业， 现从事电子元器件、电机、变压器、精密角位移传感器等方面技术工作。