基于微控制器的遠程森林滅火彈延時控制方法

張建新 梁宛玉 賈丹丹

摘要：針對森林防火突發性強、破壞性大、難以處置的特點，開發了一種基于微控制器的遠程森林滅火彈控制電路，用于單兵發射滅火器具。通過軟硬件電路的設計，制定了詳細的控制策略，以確保電路控制邏輯的嚴密性，保證滅火彈的安全性。通過實彈射擊試驗，驗證了電路工作的穩定性與安全性，為森林防火裝備的實現提供了一種切實可行的工程方案。

關鍵詞：滅火彈;微控制器;延時電路;安全性

中圖分類號：TJ430.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0207-04

1引言

森林火災具有突發性強、破壞性大、難以處置的特點，一旦發生則勢不可擋，是我國主要的自然災害之一。為此，從森林火災發生的源頭及時對火種進行撲滅，是森林防火的重要措施。常用的滅火器具包括機載細水霧森林滅火彈、航空飛機裝備滅火器、細水霧云團滅火彈等。

遠程森林滅火彈是更適合單人操作與攜帶的滅火器具。滅火彈使用單兵火箭式發射器發射，發射器上裝有4節AA電池，通過扣動發射器上的扳機，給滅火彈延時控制電路供電，滅火彈延時控制電路通過檢測環境信息，點燃滅火彈發動機的電點火頭，發動機作用后滅火彈獲得加速并迅速離膛，同時滅火彈延時控制電路開始計時延期，到達預定延期時間后電路輸出點火能量給點火頭，引燃中心爆藥完成干粉拋灑。

2技術設計策略

由于單兵火箭筒的發射裝藥量固定，彈體發射后的初始速度固定，因此，遠程森林滅火彈可采用固定延時控制策略，定時起爆。其作用方式為：采用電子延時電路，在滅火彈發射同時，電路開始計時延期，延期結束后輸出電流給滅火彈起爆裝置。

2.1硬件電路設計

電路主要由微控制器、升壓電路、穩壓電路、點火電路、檢測電路等組成，如圖1所示。

單片機是電路控制核心，控制系統工作流程。電路采用STM8L51F3單片機，點火電阻檢測通斷通過電阻R18和二極管Dll。點火電阻未燒斷Test端口信號為低電平，電阻燒斷Test端口信號為高電平，電路原理如圖2所示。

整流橋電路由4個1N5819HW-7-F二極管組成，電阻R1、R5分壓之后的信號用于單片機信號檢測，用來判斷電源是否斷開，電路原理如圖3所示。

二極管1N5819HW-7-F在100mA電流條件下最大正向壓降為0.32V，則電流橋電路在100mA電流條件下最大正向壓降為0.64V，則在6V電源條件下，輸入到DC/DC電源芯片的有效電壓最小為5.36V，選擇DC/DC電源芯片時要求最低啟動工作電壓不能超過5.36V。

升壓電路由電源芯片NCV3064DR2G和電容、電阻、電感等外圍器件組成，最終輸出電壓為23.75V，電路原理如圖4所示。

升壓電路輸出電壓：

V20V=1.25×（18/1+1）=23.75V。

電源芯片NCV3064DR2G最低啟動電壓為3.0V，開關電流可以達到1.5A，具有可調輸出電壓范圍，內置輸出短路保護，適合電池供電的電源方案。

穩壓電路用TPS71533DCKR芯片和電容、電阻、電感等外圍器件組成，系統工作電壓為3.3V，電路原理如圖5所示。

TPS71533DCKR為固定3.3V輸出的低壓差線性穩壓器，靜態電流低至3.2uA，滿足系統低功耗要求，特別適用于超低功耗的控制電路。

電容C8為整個控制電路工作提供能量，確保電路工作時長。

點火輸出電路有兩路，第一路用于點燃發動機，第二路用于點燃戰斗部，電路原理如圖6、7所示。如果按有效輸出電壓從18V降低到2V計算，點火電路輸出能量為7.5mJ，滿足使用要求。

Q=47×10^-6×（18²-2²）/2=7.5×10^-3J

電路的所有輸入和輸出接口均設計了防靜電設計，提高了系統的安全性和可靠性。雪崩電壓27v，峰值反向工作電壓21V，反向浪涌電流615mA，電路原理如圖8所示。

2.2控制軟件設計

系統軟件采用自頂向下的設計方法和模塊化結構設計，不采用操作系統，直接在目標機上運行，采用C語言編寫，使用IAR Embedded Workbench集成開發環境，采用ST-LINK編程調試接口，軟件控制流程如圖9、10所示。電路實物如圖11所示。

3安全性設計

對于延時點火模塊安全設計方面，在電路上進行了如下多重保險設計。

（1）電路上電后，檢測電池供電電壓及一級點火頭短路狀態是否正常。

（2）一級點火后，檢測一級電點火頭是否斷開，同時檢測電源供電是否斷開，都斷開后，才允許二級點火輸出。

（3）軟件程序設計采用單任務順序執行結構，禁用軟件中斷，防止程序意外跳轉，確保執行二級點火指令前必須經過0.8s以上的安全延時。

（4）為保證未爆處理的安全，設計了電容放電回路。

（5）在電路所有的輸入和輸出接口均設計了防靜電設計、提高了系統的安全性和可靠性。

4試驗驗證

采用便攜式單兵火箭筒，對遠程森林滅火彈的功能性能指標進行了實彈射擊試驗。設計火箭箭彈出膛速度43.4m/s，控制電路在一級點火后延期時間2.3s，預計炸點為99.82m，通過高速攝影分析彈速和炸點距離，試驗結果見表1。試驗射擊現場如圖12所示。

5結語

森林防火具有突發性強、破壞性大、難以處置的特點，在森林火災發生的源頭及時對火種進行撲滅，是森林防火的有效措施。本文開發了一種基于微控制器的遠程森林滅火彈控制電路，可用于單兵發射滅火器具。通過軟硬件電路的設計，制定了詳細的軟件控制策略，確保電路控制邏輯的嚴密`性，以保證滅火彈的安全性。通過實彈射擊試驗，驗證了電路工作的穩定性與安全性，為森林防火裝備的實現提供了一種切實可行的工程方案。