一種森林滅火彈發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計

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，包括目標的瞄準、發(fā)射姿態(tài)的調(diào)整和滅火彈的發(fā)射。本文主要介紹通過單片機之間數(shù)據(jù)的傳遞來控制整個發(fā)控系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)了對火源的精準測距、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)；激光測距；單片機

1 引言

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

森林滅火彈是針對森林火災火情復雜，滅火人員無法近距離滅火的特點而研制的。本文主要介紹一種基于單片機的森林滅火彈發(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 瞄準定位裝置

瞄準定位裝置由測距儀和羅盤儀組成，其中測距儀測量至目標點的直線距離，羅盤儀測定目標距磁北方向（標準方向）的偏角，其精度一般為0.5°，精度較高的可達0.25°。

考慮到安全性，測量時瞄準定位裝置通過三腳架放置在發(fā)射車側(cè)面距發(fā)射車10m左右位置，此時瞄準點距目標點和從回轉(zhuǎn)中心距目標點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。

瞄準點、發(fā)射點與目標點的位置關(guān)系如圖2所示：

圖2中，A點為瞄準點，B點為發(fā)射車回轉(zhuǎn)中心點，C點為目標點。α為瞄準點至目標點的方位角，L1為瞄準點至目標點的水平距離，L為發(fā)射車回轉(zhuǎn)中心至目標點的水平距離。γ為發(fā)射車至目標點的方位角。由圖2可知，

L= （1）

（2）

γ=α-δ （3）

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

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、控制電路板和殼體組成。其主要實現(xiàn)以下功能。

1）與彈上處理組合實時通信，將車體的實時信息如發(fā)射架的位置、支腿的狀態(tài)，瞄準的信息（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）當面板上的調(diào)平、復位、撤收和發(fā)射等按鈕被按下時，上傳調(diào)平、復位、撤收和發(fā)射等命令到彈上處理組合，啟動相應的程序；

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，并通過射表算出發(fā)射所需的射程和方位角，通過外部連接的鍵盤，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，用于顯示車體的狀態(tài)，瞄準狀態(tài)，裝訂的參數(shù)以及裝彈的情況，便于實時監(jiān)測整個發(fā)控系統(tǒng)的運行。

6）當面板上充電按鈕被按下時，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載荷傳感器的信息，并將車體位置的實時信息下傳到地面控制盒，在液晶顯示屏上實時監(jiān)控車體狀態(tài)；

2）接收地面控制盒上傳的調(diào)平、撤收、復位以及裝訂發(fā)射參數(shù)，驅(qū)動電機上下運動來調(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，當接收到地面控制盒觸發(fā)充電繼電器時，開始充電，在電容充滿電后，斷開充電電源，通過比較器與基準電源比較輸入到單片機，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，通過單片機產(chǎn)生一個高電平來驅(qū)動光耦前端，將點火器和限流電阻接入光耦的后端并接通另一組光耦，若單片機接收到高電平，則證明點火器斷開，滅火彈沒有裝好，若接收到低電平則證明點火器連接完好，滅火彈安裝完好，檢測完成后等待發(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（點發(fā)和齊發(fā)），激活點火電路。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)動機點火器與控制盒的發(fā)射通道之間直接用導線進行連接，通道號與發(fā)射管號相對應。為了盡量保證發(fā)射時發(fā)射架重心不偏移，設(shè)定發(fā)射順序為：①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤。

單發(fā)模式：當?shù)孛婵刂坪忻姘迳系膯伟l(fā)按鈕被按下時，地面控制盒將發(fā)射信號上傳到彈上控制盒，彈上控制盒啟動檢測電路，檢測合格后，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的順序進行，直到24發(fā)彈發(fā)射完成。

齊發(fā)模式：當?shù)孛婵刂坪忻姘迳系凝R發(fā)按鈕被按下時，地面控制盒將發(fā)射信號上傳到彈上控制盒，彈上控制盒啟動檢測電路，檢測合格后，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3s的時間間隔先后發(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)射的時間不超過100s。

6）接收地面控制盒手動把手調(diào)節(jié)的指令，驅(qū)動直流電機將發(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)實時顯示在液晶屏上，以便實時監(jiān)測。

3 軟件設(shè)計要求

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IO口，4路串口通信，可滿足此次設(shè)計要求。軟件需實現(xiàn)以下工作：

1）對電容充電情況的檢測功能；

2）對導彈安裝完畢的檢查功能；

3）當接收到自檢、撤收、復位和發(fā)射等命令時，可執(zhí)行相應的操作；

4）實現(xiàn)兩個組合之間的通訊，傳感器與單片機之間是數(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，為了保證信號穩(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，對于測量的數(shù)據(jù)進行分析處理，并以文字或圖像的方式進行實時顯示；

6）外接薄膜數(shù)字小鍵盤，用于射程和方位角的輸入；

4 結(jié)束語

通過設(shè)計分析，本系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，能快速準確地實現(xiàn)森林滅火彈的發(fā)射。

參考文獻：

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