基于微控制器的遠(yuǎn)程森林滅火彈延時(shí)控制方法

張建新 梁宛玉 賈丹丹

摘要：針對(duì)森林防火突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以處置的特點(diǎn)，開發(fā)了一種基于微控制器的遠(yuǎn)程森林滅火彈控制電路，用于單兵發(fā)射滅火器具。通過(guò)軟硬件電路的設(shè)計(jì)，制定了詳細(xì)的控制策略，以確保電路控制邏輯的嚴(yán)密性，保證滅火彈的安全性。通過(guò)實(shí)彈射擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了電路工作的穩(wěn)定性與安全性，為森林防火裝備的實(shí)現(xiàn)提供了一種切實(shí)可行的工程方案。

關(guān)鍵詞：滅火彈;微控制器;延時(shí)電路;安全性

中圖分類號(hào)：TJ430.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）20-0207-04

1引言

森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以處置的特點(diǎn)，一旦發(fā)生則勢(shì)不可擋，是我國(guó)主要的自然災(zāi)害之一。為此，從森林火災(zāi)發(fā)生的源頭及時(shí)對(duì)火種進(jìn)行撲滅，是森林防火的重要措施。常用的滅火器具包括機(jī)載細(xì)水霧森林滅火彈、航空飛機(jī)裝備滅火器、細(xì)水霧云團(tuán)滅火彈等。

遠(yuǎn)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(fā)射器發(fā)射，發(fā)射器上裝有4節(jié)AA電池，通過(guò)扣動(dòng)發(fā)射器上的扳機(jī)，給滅火彈延時(shí)控制電路供電，滅火彈延時(shí)控制電路通過(guò)檢測(cè)環(huán)境信息，點(diǎn)燃滅火彈發(fā)動(dòng)機(jī)的電點(diǎn)火頭，發(fā)動(dòng)機(jī)作用后滅火彈獲得加速并迅速離膛，同時(shí)滅火彈延時(shí)控制電路開始計(jì)時(shí)延期，到達(dá)預(yù)定延期時(shí)間后電路輸出點(diǎn)火能量給點(diǎn)火頭，引燃中心爆藥完成干粉拋灑。

2技術(shù)設(shè)計(jì)策略

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

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

電路主要由微控制器、升壓電路、穩(wěn)壓電路、點(diǎn)火電路、檢測(cè)電路等組成，如圖1所示。

單片機(jī)是電路控制核心，控制系統(tǒng)工作流程。電路采用STM8L51F3單片機(jī)，點(diǎn)火電阻檢測(cè)通斷通過(guò)電阻R18和二極管Dll。點(diǎn)火電阻未燒斷Test端口信號(hào)為低電平，電阻燒斷Test端口信號(hào)為高電平，電路原理如圖2所示。

整流橋電路由4個(gè)1N5819HW-7-F二極管組成，電阻R1、R5分壓之后的信號(hào)用于單片機(jī)信號(hào)檢測(cè)，用來(lái)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(shí)要求最低啟動(dòng)工作電壓不能超過(guò)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(dòng)電壓為3.0V，開關(guān)電流可以達(dá)到1.5A，具有可調(diào)輸出電壓范圍，內(nèi)置輸出短路保護(hù)，適合電池供電的電源方案。

穩(wěn)壓電路用TPS71533DCKR芯片和電容、電阻、電感等外圍器件組成，系統(tǒng)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(wěn)壓器，靜態(tài)電流低至3.2uA，滿足系統(tǒng)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(gè)控制電路工作提供能量，確保電路工作時(shí)長(zhǎng)。

點(diǎn)火輸出電路有兩路，第一路用于點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，第二路用于點(diǎn)燃戰(zhàn)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(jì)算，點(diǎn)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(shè)計(jì)了防靜電設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不采用操作系統(tǒng)，直接在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，采用C語(yǔ)言編寫，使用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，采用ST-LINK編程調(diào)試接口，軟件控制流程如圖9、10所示。電路實(shí)物如圖11所示。

3安全性設(shè)計(jì)

對(duì)于延時(shí)點(diǎn)火模塊安全設(shè)計(jì)方面，在電路上進(jìn)行了如下多重保險(xiǎn)設(shè)計(jì)。

（1）電路上電后，檢測(cè)電池供電電壓及一級(jí)點(diǎn)火頭短路狀態(tài)是否正常。

（2）一級(jí)點(diǎn)火后，檢測(cè)一級(jí)電點(diǎn)火頭是否斷開，同時(shí)檢測(cè)電源供電是否斷開，都斷開后，才允許二級(jí)點(diǎn)火輸出。

（3）軟件程序設(shè)計(jì)采用單任務(wù)順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，禁用軟件中斷，防止程序意外跳轉(zhuǎn)，確保執(zhí)行二級(jí)點(diǎn)火指令前必須經(jīng)過(guò)0.8s以上的安全延時(shí)。

（4）為保證未爆處理的安全，設(shè)計(jì)了電容放電回路。

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

4試驗(yàn)驗(yàn)證

采用便攜式單兵火箭筒，對(duì)遠(yuǎn)程森林滅火彈的功能性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)。設(shè)計(jì)火箭箭彈出膛速度43.4m/s，控制電路在一級(jí)點(diǎn)火后延期時(shí)間2.3s，預(yù)計(jì)炸點(diǎn)為99.82m，通過(guò)高速攝影分析彈速和炸點(diǎn)距離，試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)射擊現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

5結(jié)語(yǔ)

森林防火具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以處置的特點(diǎn)，在森林火災(zāi)發(fā)生的源頭及時(shí)對(duì)火種進(jìn)行撲滅，是森林防火的有效措施。本文開發(fā)了一種基于微控制器的遠(yuǎn)程森林滅火彈控制電路，可用于單兵發(fā)射滅火器具。通過(guò)軟硬件電路的設(shè)計(jì)，制定了詳細(xì)的軟件控制策略，確保電路控制邏輯的嚴(yán)密`性，以保證滅火彈的安全性。通過(guò)實(shí)彈射擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了電路工作的穩(wěn)定性與安全性，為森林防火裝備的實(shí)現(xiàn)提供了一種切實(shí)可行的工程方案。