一種森林滅火彈發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅倩 陳大坤

摘 要：發(fā)控系統(tǒng)作為滅火彈的核心控制單元，包括目標(biāo)的瞄準(zhǔn)、發(fā)射姿態(tài)的調(diào)整和滅火彈的發(fā)射。本文主要介紹通過(guò)單片機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳遞來(lái)控制整個(gè)發(fā)控系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火源的精準(zhǔn)測(cè)距、發(fā)射架姿態(tài)的調(diào)整以及滅火彈的發(fā)射，經(jīng)設(shè)計(jì)分析，該發(fā)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：發(fā)控系統(tǒng)；激光測(cè)距；單片機(jī)

1 引言

由于我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，森林覆蓋面積廣，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，人工滅火的工作極難開(kāi)展，且受到地形、氣象等自然因素的影響，給撲火人員帶來(lái)了極大危險(xiǎn)。目前我國(guó)滅火手段和設(shè)備相對(duì)落后，滅火效率低，且滅火危險(xiǎn)系數(shù)高，不僅威脅消防人員的人身安全，也給國(guó)家森林資源安全帶來(lái)極大的損失。

森林滅火彈是針對(duì)森林火災(zāi)火情復(fù)雜，滅火人員無(wú)法近距離滅火的特點(diǎn)而研制的。本文主要介紹一種基于單片機(jī)的森林滅火彈發(fā)控系統(tǒng)的研究。該發(fā)控系統(tǒng)主要由瞄準(zhǔn)定位裝置、傳感器模塊、控制盒組成如圖1所示。

2 組成

2.1 瞄準(zhǔn)定位裝置

瞄準(zhǔn)定位裝置由測(cè)距儀和羅盤(pán)儀組成，其中測(cè)距儀測(cè)量至目標(biāo)點(diǎn)的直線距離，羅盤(pán)儀測(cè)定目標(biāo)距磁北方向（標(biāo)準(zhǔn)方向）的偏角，其精度一般為0.5°，精度較高的可達(dá)0.25°。

考慮到安全性，測(cè)量時(shí)瞄準(zhǔn)定位裝置通過(guò)三腳架放置在發(fā)射車(chē)側(cè)面距發(fā)射車(chē)10m左右位置，此時(shí)瞄準(zhǔn)點(diǎn)距目標(biāo)點(diǎn)和從回轉(zhuǎn)中心距目標(biāo)點(diǎn)之間最大角度誤差為0.57°，橫向偏差約為8m（射程1km），距離誤差最多10m。

瞄準(zhǔn)點(diǎn)、發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的位置關(guān)系如圖2所示：

圖2中，A點(diǎn)為瞄準(zhǔn)點(diǎn)，B點(diǎn)為發(fā)射車(chē)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，C點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)。α為瞄準(zhǔn)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的方位角，L1為瞄準(zhǔn)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的水平距離，L為發(fā)射車(chē)回轉(zhuǎn)中心至目標(biāo)點(diǎn)的水平距離。γ為發(fā)射車(chē)至目標(biāo)點(diǎn)的方位角。由圖2可知，

L= （1）

（2）

γ=α-δ （3）

通過(guò)公式1、2、3可精確求出發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)方位角以及實(shí)際射程。

2.2 控制盒

2.2.1 地面控制盒

地面控制盒主要由控制面板、液晶屏、小鍵盤(pán)、控制電路板和殼體組成。其主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）與彈上處理組合實(shí)時(shí)通信，將車(chē)體的實(shí)時(shí)信息如發(fā)射架的位置、支腿的狀態(tài)，瞄準(zhǔn)的信息（高低角和方位角）以及電容的充電情況和裝彈狀態(tài)顯示在液晶屏上。

2）當(dāng)面板上的調(diào)平、復(fù)位、撤收和發(fā)射等按鈕被按下時(shí)，上傳調(diào)平、復(fù)位、撤收和發(fā)射等命令到彈上處理組合，啟動(dòng)相應(yīng)的程序；

3）完成發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)備自檢；

4）接收電子羅盤(pán)儀發(fā)送的方位角和高低角，將方位角和高低角顯示在液晶屏上，并通過(guò)射表算出發(fā)射所需的射程和方位角，通過(guò)外部連接的鍵盤(pán)，輸入發(fā)射所需的射程和方位角，將裝訂好到參數(shù)上傳到彈上控制盒，并將射程和方位角顯示在液晶屏上。

5）連接外部的液晶屏，用于顯示車(chē)體的狀態(tài)，瞄準(zhǔn)狀態(tài)，裝訂的參數(shù)以及裝彈的情況，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)發(fā)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

6）當(dāng)面板上充電按鈕被按下時(shí)，給彈上處理組合發(fā)送充電命令，觸發(fā)繼電器給電容充電。

2.2.2 彈上控制盒

彈上處理組合主要由箱體、控制電路板和DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊組成，安裝于發(fā)射架的下方。

彈上控制盒主要完成以下功能：

1）接收安裝在發(fā)射架傾角傳感器和安裝在支腿上四個(gè)載荷傳感器的信息，并將車(chē)體位置的實(shí)時(shí)信息下傳到地面控制盒，在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)體狀態(tài)；

2）接收地面控制盒上傳的調(diào)平、撤收、復(fù)位以及裝訂發(fā)射參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)上下運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整發(fā)射架的位置，并將發(fā)射架的信息回傳給地面控制盒并在液晶屏上顯示；

3）判斷充電電容的充電情況，當(dāng)接收到地面控制盒觸發(fā)充電繼電器時(shí)，開(kāi)始充電，在電容充滿(mǎn)電后，斷開(kāi)充電電源，通過(guò)比較器與基準(zhǔn)電源比較輸入到單片機(jī)，判斷該電容是否充電完成，并將充電情況下傳到地面控制盒并在液晶屏上顯示充電情況，檢測(cè)完成后等待發(fā)射命令，其基本原理圖如圖3所示；

4）判斷滅火彈是否安裝完畢，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)光耦前端，將點(diǎn)火器和限流電阻接入光耦的后端并接通另一組光耦，若單片機(jī)接收到高電平，則證明點(diǎn)火器斷開(kāi)，滅火彈沒(méi)有裝好，若接收到低電平則證明點(diǎn)火器連接完好，滅火彈安裝完好，檢測(cè)完成后等待發(fā)射命令，其原理圖如圖4所示；

5）接收地面控制盒中發(fā)射信號(hào)（點(diǎn)發(fā)和齊發(fā)），激活點(diǎn)火電路。發(fā)射管按照以下方式排列，共有三組，一共24發(fā)彈。

滅火彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器與控制盒的發(fā)射通道之間直接用導(dǎo)線進(jìn)行連接，通道號(hào)與發(fā)射管號(hào)相對(duì)應(yīng)。為了盡量保證發(fā)射時(shí)發(fā)射架重心不偏移，設(shè)定發(fā)射順序?yàn)椋孩佟唷凇摺邸蕖堋荨?/p>

單發(fā)模式：當(dāng)?shù)孛婵刂坪忻姘迳系膯伟l(fā)按鈕被按下時(shí)，地面控制盒將發(fā)射信號(hào)上傳到彈上控制盒，彈上控制盒啟動(dòng)檢測(cè)電路，檢測(cè)合格后，切換到發(fā)射電路。每按下一次單發(fā)按鈕，發(fā)射一枚滅火彈，并等待下一次單發(fā)命令，發(fā)射按照①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤的順序進(jìn)行，直到24發(fā)彈發(fā)射完成。

齊發(fā)模式：當(dāng)?shù)孛婵刂坪忻姘迳系凝R發(fā)按鈕被按下時(shí)，地面控制盒將發(fā)射信號(hào)上傳到彈上控制盒，彈上控制盒啟動(dòng)檢測(cè)電路，檢測(cè)合格后，切換到發(fā)射電路。每按下一次齊發(fā)按鈕，就按照①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤的順序，以不超過(guò)3s的時(shí)間間隔先后發(fā)射，并等待下一次齊發(fā)命令，直到三組彈發(fā)射完成，整體發(fā)射的時(shí)間不超過(guò)100s。

6）接收地面控制盒手動(dòng)把手調(diào)節(jié)的指令，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)將發(fā)射架調(diào)整到指定的位置。

2.3 傳感器模塊

傳感器主要是收集車(chē)體的狀態(tài)、發(fā)射架的姿態(tài)等數(shù)據(jù)，傳到控制盒，控制盒將其收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)要求

本次單片選用宏晶科技的STC8A4K64S4A12，該芯片工作電壓范圍2.0～5.5V，有59個(gè)IO口，4路串口通信，可滿(mǎn)足此次設(shè)計(jì)要求。軟件需實(shí)現(xiàn)以下工作：

1）對(duì)電容充電情況的檢測(cè)功能；

2）對(duì)導(dǎo)彈安裝完畢的檢查功能；

3）當(dāng)接收到自檢、撤收、復(fù)位和發(fā)射等命令時(shí)，可執(zhí)行相應(yīng)的操作；

4）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)組合之間的通訊，傳感器與單片機(jī)之間是數(shù)字量的傳遞，因安裝在支腿上的傳感器離彈上彈上控制盒較遠(yuǎn)，為了保證信號(hào)穩(wěn)定傳遞，采用485通訊協(xié)議，彈上處理組合和地面控制盒之間采用422通訊；

5）數(shù)據(jù)的處理分析功能，對(duì)于測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并以文字或圖像的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

6）外接薄膜數(shù)字小鍵盤(pán)，用于射程和方位角的輸入；

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)分析，本系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)森林滅火彈的發(fā)射。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明遠(yuǎn).森林滅火彈國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015

[2]陳吉潮.國(guó)內(nèi)外森林滅火彈發(fā)射裝置研究現(xiàn)狀.機(jī)電工程，2012

[3]高先鋒.一種高可靠點(diǎn)火執(zhí)行級(jí)電路的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2012

[4]一種森林滅火彈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)工程，2012