仿真滅火器設(shè)備的研究和設(shè)計

張 紅

（閩江學(xué)院，福建 福州 350108）

1 概述

滅火器屬于消耗性產(chǎn)品，訓(xùn)練中不斷反復(fù)使用，成本過高，本產(chǎn)品旨在應(yīng)用超聲波技術(shù)，在不需消耗品的情況下在訓(xùn)練中反復(fù)使用，以達到教學(xué)目的。滅火器種類較多，如干粉滅火器、泡沫滅火器、二氧化碳滅火器、推車式滅火器等。以教學(xué)樓配備的干粉滅火器為例，其正確使用的步驟如下：①拔出保險銷；②握緊管帶；③對準火焰根部按住壓把。消防栓的操作步驟為：①打開消栓箱門；②報警；③接通管道及水槍；④取出后旋轉(zhuǎn)閥門。本項目通過監(jiān)控訓(xùn)練人員正確完成以上步驟，糾正錯誤使用方法，最終達到訓(xùn)練目的。

本設(shè)計采用單片機為主控芯片，作為整個系統(tǒng)的核心部分主要用于對超聲波傳感器、加速度傳感器的數(shù)據(jù)進行分析處理和對語音芯片、音樂芯片、步進電機、繼電器等功能模塊進行控制［1］。

2 仿真滅火器設(shè)計

超聲波傳感器模塊主要用于進行滅火器罐即操作者與模擬火焰距離的測量，首先滅火器罐里的超聲波傳感器發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，當模擬火焰里的超聲波傳感器接收模塊接收到信號后，通過計算脈寬從而得到操作者與火焰的距離。整體電路的控制核心為單片機AT89C52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，單片機電路，顯示電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把信號再次放大。單片機發(fā)出40kHz的信號，經(jīng)放大（功率放大還是電壓放大）后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送1602顯示［2-3］。

2.1 控制模擬火源

采用超聲波傳感技術(shù)，控制模擬火源，首先產(chǎn)生40kHz超聲波代替實際滅火器噴出物，然后利用超聲波接收器控制模擬火源。即以仿真滅火器本體為發(fā)射管，以模擬火源為接收管，以超聲波為載體，通過遙控模擬火源光學(xué)器件熄滅，達到模擬滅火的效果?；鹪捶矫嬖O(shè)置接收管為LED組超聲波發(fā)射管的遙控，使其逐個給予熄滅響應(yīng)，并同時配套以火光等現(xiàn)場效果。

圖1 超聲波發(fā)射電路圖

2.2 安全距離測量

采用超聲波傳感器技術(shù)，測量安全距離，首先產(chǎn)生40kHz超聲波，微處理器啟動計時器，當模擬火源接納到超聲波時，無線收發(fā)模塊將返回一個信號，通知微處理器，微處理器停止計時，通過計算得到超聲波傳播時間t，因為聲音傳播速度v為340m/s，從而得到超聲波傳播距離S。

2.3 加速度傳感器模塊

兩軸加速度傳感器MXC6225，將它放置在膠管內(nèi)，通過它得到手對噴管的操作過程，包括方向、角度、頻率等數(shù)據(jù)。經(jīng)過微處理器分析所得的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)操作者對噴管無規(guī)律運動，或者運動角度過大，或者運動頻率過快時，語音提示錯誤。

2.4 步進電機模塊

外形模擬實際壓力表，通過對作用時間的統(tǒng)計，估算出貯氣瓶內(nèi)剩余滅火材料比例及壓力值，并通過步行電機給予相應(yīng)顯示。若響應(yīng)規(guī)格超出有效時間，則語音系統(tǒng)報警。

圖2 超聲波接收電路圖

我們采用微型步進電機，它的脈沖分配由單片機通過軟件控制構(gòu)成環(huán)行分配器，功率放大器選用單電壓功率放大電路。當單片機I/O口輸出為1時，經(jīng)反相器74LS14后變成低電平，電機繞組不通電，反之單片機I/O口輸出為0時，經(jīng)反相器后變成高電平，三極管導(dǎo)通，電機繞組通電。

2.5 語音芯片模塊

利用單片機對多方面內(nèi)容進行監(jiān)控，并通過SYN6288語音芯片播報出來。SYN6288語音芯片對不同的電平激勵產(chǎn)生不同的響應(yīng)，在正確的情況下給予語音提示，錯誤的情況下給予語音報警。最小系統(tǒng)包括：控制器模塊、SYN6288語音合成芯片、功放模塊和喇叭。

主控制器和SYN6288語音合成芯片之間通過UART接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6288語音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，SYN6288語音合成芯片把接收到的文本合成為語音信號輸出，輸出的信號經(jīng)功率放大器進行放大后連接到喇叭進行播放。接收到控制命令幀，芯片會向上位機發(fā)送1個字節(jié)的狀態(tài)回傳，上位機可根據(jù)這個回傳來判斷芯片目前的工作狀態(tài)。SYN6288芯片在初始化成功時會發(fā)送一個字節(jié)的“初始化成功”回傳。SYN6288芯片收到命令幀后會判斷此命令幀正確與否，如果命令幀正確返回“接收成功”回傳，如果命令幀錯誤則返回“接收失敗”回傳［4-5］。

2.6 JZ863無線數(shù)傳模塊

JZ863無線數(shù)傳模塊主要用于滅火器罐與模擬火焰內(nèi)部單片機以及主機對從機的控制中通信。JZ863數(shù)傳模塊是高集成度的微功率半雙工的無線數(shù)傳模塊，其采高性能射頻芯片及高速單片機。模塊提供8個頻道，并配備有專業(yè)的設(shè)置軟件，以便用戶進參數(shù)更改,模塊采用透明傳輸?shù)姆绞?，無須用戶編寫設(shè)置與傳輸程序，即可進行傳輸任何大的數(shù)據(jù)。模塊體積小，使用電壓寬，方便使用。

3 總結(jié)

本課題完成了該仿真系統(tǒng)軟硬件的整體設(shè)計，并且已經(jīng)通過調(diào)試能夠初步應(yīng)用。在今后的一段時間里逐步完善就可以投入使用。

［1］樓然苗，李光飛.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］張培仁，張志堅，高修峰.十六位單片微處理器原理及應(yīng)用（凌陽SPCE061A）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］周堅.單片機C語言輕松入門［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］郭成林.AT89系列PC機之間的串行通信接口設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2008（1）：66-70.

［5］Guiyun Tian.單片機原理及應(yīng)用（英文版）［M］.北京：高等教育出版社，2011.