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        基于嵌入式控制器的智能多模消防水炮控制系統(tǒng)設(shè)計

        2011-07-07 08:48:56楊亞琴
        制造業(yè)自動化 2011年21期
        關(guān)鍵詞:變流水炮遙控

        徐 健,楊亞琴,查 兵

        (1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,九江 332007;2.九江學(xué)院,九江 332005)

        0 引言

        近年來,隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展,城市建筑物呈現(xiàn)出高層化、密集化、多樣化等特點,直接導(dǎo)致了消防工作危險性和難度不斷加大。如何能夠快速有效的執(zhí)行消防救援同時保障消防人員安全顯得尤為重要,在眾多消防裝備中流量大、射程遠(yuǎn)的消防水炮已成為一種撲救大型及危險火災(zāi)的重要滅火裝備。傳統(tǒng)消防水炮分為手動和電動控制兩種模式,為了適應(yīng)不同的環(huán)境需要,通常將兩種模式結(jié)合,設(shè)置模式切換功能。

        本文介紹的智能多模消防水炮采用電動控制,同時具備面板按鍵線控和遠(yuǎn)距離遙控模式,能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場合??蓪崿F(xiàn)消防水炮噴射方向的全方位調(diào)整以及水流噴射模式的切換(直流/噴霧),具備多角度智能自擺,能根據(jù)實際情況設(shè)定水炮自擺角度范圍,實現(xiàn)自動作業(yè)。較之常見的水力自擺式消防水炮,具備體積重量小,自擺角度多級可調(diào),受水流影響小,精度較高,安全可靠,適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點。能夠大為簡化消防人員的操作,有效提高消防滅火工作效率,同時保障安全。

        1 水炮控制系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計

        控制系統(tǒng)是消防水炮的重要組成部分,由驅(qū)動模塊、方向定位模塊、變流模塊,液晶顯示模塊、上/下位機控制電路等構(gòu)成。

        驅(qū)動模塊主要是為方向定位、變流模塊提供動力,考慮到本設(shè)備經(jīng)常應(yīng)用在消防車輛上,故選擇直流電機驅(qū)動。方向定位模塊由水平定位裝置和垂直定位裝置配合完成,由兩個定位系統(tǒng)的直流電機驅(qū)動。當(dāng)需要對水炮炮口的指向進(jìn)行定位的時候,分別控制水平和垂直兩部分定位系統(tǒng),調(diào)整水炮的水平和垂直方位,完成水炮的空間定位。變流模塊由一獨立直流電機控制,當(dāng)需要變換水炮的噴水模式時,電機帶動變流裝置,實現(xiàn)水流噴射模式的切換:直流或噴霧模式。液晶顯示模塊實現(xiàn)電源狀態(tài)、電池電量、工作狀態(tài)和自擺角度等信號的顯示。

        綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點,結(jié)合消防現(xiàn)場的實際情況,智能多模消防水炮的控制系統(tǒng)采用基于LPC2131 ARM處理器為核心的兩級分布式控制的方法,上下位機之間通過無線系統(tǒng)傳遞命令,即下位機按照上位機發(fā)出的指令驅(qū)動相應(yīng)的模塊實現(xiàn)動作。

        在本控制系統(tǒng)中,上位機和下位機都是基于ARM控制模塊而設(shè)計的,ARM控制模塊以LPC2131處理器為核心,為其他模塊提供控制信號,完成方向定位、變流、自擺角度控制等操作。上位機是以LPC2131處理器為核心的遙控器系統(tǒng),主要由ARM控制模塊、鍵盤模塊以及無線發(fā)射模塊構(gòu)成,其作用是通過各功能鍵向下位機發(fā)送指令,實現(xiàn)對遙控消防水炮的直流電機進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。下位機安裝于水炮附近,內(nèi)部集成有三個直流電機(兩個定位系統(tǒng)電機,一個變流系統(tǒng)電機)的驅(qū)動電路、直流電源接口和控制電路。下位機控制電路由ARM控制模塊、無線接收模塊、電機驅(qū)動模塊組成,其作用是根據(jù)上位機傳送的參數(shù)和指令進(jìn)行動作,控制兩個定位電機和一個變流電機,進(jìn)行炮口的空間定位和水流噴射模式的切換。圖1為消防水炮控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

        圖1 消防水炮控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        2 控制系統(tǒng)的多模實現(xiàn)

        消防水炮控制系統(tǒng)具有三種控制模式:手動、按鍵線控和無線遙控。后兩種控制形式為并行運行模式,無線遙控信號與按鍵信號一致,均可實現(xiàn)控制消防水炮的上下、左右和前后(直流/噴霧)的運行狀態(tài)??刂葡到y(tǒng)根據(jù)按鍵或者遙控信號分別驅(qū)動水平、垂直和前后這三組電機,做出相應(yīng)的控制動作,使消防水炮按要求運行。

        無線遙控部分考慮到實際火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣,在設(shè)計中應(yīng)充分考慮其抗干擾能力和傳輸距離等參數(shù),綜合各項因素后決定采用射頻通信。在相同的電壓條件下,無線電的頻率越高,其傳輸?shù)木嚯x也越遠(yuǎn),抗干擾能力也越強;同樣,發(fā)射功率越大,其抗干擾能力和傳輸距離也會相應(yīng)增強。在調(diào)制方式方面,干擾一般是影響信號的幅度,而對其頻率基本無影響,因此移頻鍵控(FSK)較振幅鍵控(ASK)具有較好的抗干擾性能力和電聲指標(biāo)。

        且實際消防作業(yè)中的控制距離一般均在200m范圍內(nèi),因此本設(shè)計中無線遙控方案采用FSK調(diào)制方式下的TDA5101/TDA5211的發(fā)送/接收模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

        圖2 無線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        整個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩大部分:上位機控制系統(tǒng)程序模塊和下位機控制系統(tǒng)程序模塊。上位機程序模塊主要用于進(jìn)行鍵盤按鍵的連續(xù)掃描,確認(rèn)鍵值后通過無線發(fā)射模塊TDA5101向下位機發(fā)送控制指令,下位機程序模塊通過無線接收模塊TDA5211接收上位機發(fā)送來的指令,調(diào)用相應(yīng)的直流電機控制子程序,對水炮系統(tǒng)的各驅(qū)動電機進(jìn)行綜合控制。

        整個軟件部分采用動態(tài)分時掃描的執(zhí)行原則,按鍵或遙控信號的掃描每50ms執(zhí)行1次, 判斷是否有新的信號出現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)新的控制信號時執(zhí)行相應(yīng)的運動,出現(xiàn)限位信號時執(zhí)行相應(yīng)的停止控制。當(dāng)按鍵或遙控信號為自擺時,水炮在水平方向以限位開關(guān)為中點按照一定的角度擺動,自擺分為3個檔位,在自擺過程中能夠同時響應(yīng)垂直和前后的控制信號??刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖3所示。

        圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

        4 整合調(diào)試

        在系統(tǒng)測試過程中,針對自擺過程中的角度限位問題,設(shè)計初期采用建立轉(zhuǎn)速-時間表,通過查表來控制角度,其精度較差且在實際工作時電機轉(zhuǎn)速會在一定區(qū)間變化,造成誤差較大,影響實際操作效果。后期采用分布式光電傳感器來控制角度限位,較好解決了該問題。同時,根據(jù)實際消防救援的特點和需要,將線控按鍵掃描和遙控按鍵掃描優(yōu)先級進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使按鍵線控模式優(yōu)先,保障了操作的合理性和便利性。

        通過對控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行整合調(diào)試,智能多模消防水炮控制系統(tǒng)在按鍵線控模式和無線遙控模式下各模塊均能夠即時響應(yīng)各類按鍵控制信號,遙控模式下最大控制距離達(dá)到200m以上,水炮的各功能部件工作正常,滿足設(shè)計要求。

        5 結(jié)束語

        與傳統(tǒng)手動/電動控制消防水炮相比,本文所設(shè)計的智能多模消防水炮不僅具有手動、按鍵線控和無線遙控3種控制模式,同時具備多角度自擺功能,較好的滿足了不同情況下消防救援的需要。多種模式確保了該消防水炮具有高效、安全可靠、自動化水平高和減少操作人員操作強度等性能,能夠在有效消滅火災(zāi)的同時保護(hù)消防救援人員的人身安全。

        [1] 唐國棟,高云國.基于L297/ L298芯片步進(jìn)電機的單片機控制[J].微計算機信息,2006,22.

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        [4] 路德維格.射頻電路設(shè)計:理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

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        [6] 周立功編著.ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

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