吳 昊 鄧成中

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

隨著城市建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，火災(zāi)事故變得越來(lái)越復(fù)雜，消防撲救工作難度增大，危險(xiǎn)性越來(lái)越高。目前，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，往往通過(guò)消防部門出動(dòng)消防車，由消防員手動(dòng)操作車載消防炮進(jìn)行噴水滅火。但是現(xiàn)有車載消防炮一方面由于流量小、射程有限，不能及時(shí)有效地?fù)錅缁馂?zāi)，減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失;另一方面，由于需要消防員手動(dòng)操作消防炮，在石油、化工等高度危險(xiǎn)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，不能保障消防救援人員的生命安全。因此，大流量、射程遠(yuǎn)的消防炮已成為一種撲救大型危險(xiǎn)火災(zāi)的重要消防裝備［1］。

消防炮的運(yùn)動(dòng)分為水平方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)，由兩個(gè)方向上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于大流量消防炮的出水流量大，所需驅(qū)動(dòng)力矩也較大，因此一般采用大功率直流電機(jī)作為執(zhí)行元件。本系統(tǒng)采用集成功率驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)流量高達(dá)150 L/s的消防炮，使消防炮最大射程達(dá)150 m;系統(tǒng)具有無(wú)線遙控功能，通信距離遠(yuǎn)，在有障礙物的情況下可達(dá)200 m。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由主控制器與無(wú)線收發(fā)模塊、消防炮水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰控制模塊、消防炮轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置檢測(cè)模塊以及系統(tǒng)電源4個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure of the system

主控制器LPC1114通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊nRF905接收遙控器(同樣采用nRF905無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn))發(fā)出的按鍵命令;通過(guò)采用BTN7975B構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制消防炮水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直俯仰機(jī)構(gòu)中的電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消防炮的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。當(dāng)消防炮炮口對(duì)準(zhǔn)火源后，系統(tǒng)接收遙控命令，打開(kāi)消防炮的噴水裝置(消防水泵和電磁閥門)進(jìn)行噴水滅火。系統(tǒng)采用霍爾開(kāi)關(guān)檢測(cè)消防炮水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰是否到達(dá)極限位置。主控制器通過(guò)BTN7975B的電流檢測(cè)功能實(shí)時(shí)檢測(cè)消防炮在水平和垂直方向上的電機(jī)當(dāng)前工作電流，判斷電機(jī)是否發(fā)生過(guò)載。如發(fā)生過(guò)載，主控制器一方面對(duì)消防炮進(jìn)行控制，另一方面通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊nRF905在遙控器上進(jìn)行指示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器與無(wú)線遙控

主控制器LPC1114是基于Cortex-M0內(nèi)核的32位MCU，其內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)50 MHz，指令執(zhí)行速度快、實(shí)時(shí)性好;功耗極低、性價(jià)比高;片上資源豐富，包括32 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、8 kB片內(nèi)SRAM、2個(gè)SSP接口、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器以及42個(gè)通用 I/O口等［2］;尤其適用于外圍模塊多、程序代碼量大、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的系統(tǒng)。

無(wú)線收發(fā)模塊nRF905的工作電壓為1.9～3.6 V，工作于3個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段:433/868/915 MHz［3］。nRF905 采用 CRC 校驗(yàn)(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，片內(nèi)自動(dòng)完成曼徹斯特編解碼和字頭處理，通信可靠、抗干擾能力強(qiáng);采用SPI接口(串行外設(shè)接口)與微控制器通信，使用非常方便［4］。

主控制器LPC1114與nRF905的連接圖如圖2所示。主控制器LPC1114通過(guò)nRF905的模式控制引腳(TRX_CE、PWR_UP、TX_EN)控制 nRF905 的工作模式;通過(guò) nRF905的狀態(tài)輸出引腳(CD、AM、DR)監(jiān)測(cè)nRF905的數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài);通過(guò)nRF905的SPI接口引腳(MISO、MOSI、SCK、CSN)與 nRF905 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與遙控器的雙向無(wú)線通信。遙控器可以通過(guò)發(fā)出按鍵命令來(lái)控制消防炮的轉(zhuǎn)動(dòng)和噴水滅火動(dòng)作。

圖2 LPC1114與nRF905連接圖Fig.2 Connections between LPC1114 and nRF905

2.2 消防炮轉(zhuǎn)動(dòng)控制

主控制器通過(guò)由BTN7975B構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制消防炮水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰機(jī)構(gòu)中的大功率直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)消防炮的水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)。

BTN7975B是由Infineon公司推出的大功率H半橋智能集成驅(qū)動(dòng)芯片。它具有以下特點(diǎn):①通態(tài)電阻典型值為16 mΩ，采用PWM方式時(shí)驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)60 A［5］，驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM頻率最大為25 kHz;②內(nèi)含電流檢測(cè)電路、控制驅(qū)動(dòng)電路，以及1個(gè)P溝道的高邊MOSFET和1個(gè)N溝道的低邊MOSFET;③可以靈活應(yīng)用于兩相或三相、直流有刷或無(wú)刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路中，無(wú)需外加電機(jī)電流檢測(cè)電路，無(wú)需驅(qū)動(dòng)便可以直接和MCU接口，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，使電機(jī)控制更加簡(jiǎn)單。在過(guò)壓、欠壓、超溫、過(guò)流和短路的情況下，芯片自動(dòng)關(guān)斷輸入;當(dāng)電流超過(guò)標(biāo)定的最大電流時(shí)，可以通過(guò)MCU端的I/O口控制該芯片的使能引腳關(guān)斷該驅(qū)動(dòng)芯片，具有良好的電機(jī)保護(hù)功能［6］。

采用2片BTN7975B組成消防炮水平回轉(zhuǎn)電機(jī)的H全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。消防炮垂直俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其完全一致。由于BTN7975B內(nèi)部沒(méi)有光電隔離，所以采用光電耦合器PC817與主控制器LPC1114相連實(shí)現(xiàn)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換，以防止驅(qū)動(dòng)電路在發(fā)生擊穿等故障時(shí)損壞與其相連的主控制器等器件［7］。

2片BTN7975B的OUT端分別接在直流電機(jī)的正、負(fù)兩端，LPC1114的PCON端用于控制BTN7975B的工作模式。LPC1114上電復(fù)位后，其I/O口配置為輸出狀態(tài)時(shí)默認(rèn)輸出高電平，經(jīng)反向器7404輸出后變?yōu)榈碗娖?。PC817中的光敏三極管導(dǎo)通，BTN7975B的INH端變?yōu)榈碗娖?，芯片不工作，處于睡眠狀態(tài)。同理，當(dāng)LPC1114的PCON端輸出低電平時(shí)，INH端變?yōu)楦唠娖?，芯片處于工作狀態(tài)。當(dāng)PWM1端輸入非零占空比的PWM時(shí)，左半橋高邊MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)PWM2端輸入零占空比的PWM時(shí)，右半橋低邊MOSFET導(dǎo)通，此時(shí)左、右半橋高、低邊各有一個(gè)MOSFET導(dǎo)通組成一個(gè)回路，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)PWM1端輸入零占空比的PWM、PWM2端輸入非零占空比的PWM時(shí)，電機(jī)將反轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速受PWM的控制，占空比是0～1之間的任意值［8］。

2片BTN7975B的ST端輸出的電流通過(guò)線性光耦PC817轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)CUR，并送入LPC1114的第0通道10位A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，從而可間接計(jì)算得到流過(guò)左或右半橋高邊MOSFET的電流(即電機(jī)當(dāng)前工作電流)。當(dāng)電機(jī)工作電流發(fā)生變化時(shí)，BTN7975B的ST端輸出的電流也會(huì)發(fā)生變化，從而改變了線性光耦PC817中發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度，導(dǎo)致光敏三極管的導(dǎo)通能力改變，使得CUR端輸出的電壓隨之變化，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)當(dāng)前工作電流。BTN7975B的SR引腳通過(guò)下拉電阻接地，改變電阻的大小可以調(diào)節(jié)BTN7975B內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。

圖3 消防炮水平回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 The motor driving circuit for horizontal slewing of the fire monitor

2.3 消防炮極限位置檢測(cè)

消防炮的水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)通常會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍，即轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置，當(dāng)消防炮應(yīng)用于不同場(chǎng)合時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置也會(huì)不同。消防炮水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)極限位置的檢測(cè)是通過(guò)采用型號(hào)為JK8002D的霍爾開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。消防炮水平回轉(zhuǎn)極限位置檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 消防炮水平回轉(zhuǎn)極限位置檢測(cè)電路Fig.4 Detecting circuit of the limit position of horizontal slewing of the fire monitor

消防炮垂直俯仰極限位置檢測(cè)電路與其完全一致。當(dāng)消防炮水平回轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)中的OC門打開(kāi)，OUT端輸出的下降沿信號(hào)通過(guò)光耦PC817進(jìn)行光電隔離和電平轉(zhuǎn)換后，送入主控制器LPC1114的WCON端。此時(shí)不管遙控器是否繼續(xù)發(fā)出該方向的轉(zhuǎn)動(dòng)控制命令，主控制器都會(huì)控制消防炮停止水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，光耦PC817中的發(fā)光二極管兩端并聯(lián)的1 kΩ泄放電阻，用于抑制霍爾開(kāi)關(guān)中的OC門關(guān)閉時(shí)還存在的微弱導(dǎo)通電流，以防止光耦導(dǎo)通引起誤動(dòng)作;并聯(lián)的0.1 μF電容用于防止電源電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)而損壞光耦。

2.4 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路如圖5所示，消防炮的輸入電源為直流24 V。系統(tǒng)一方面通過(guò)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成芯片LM2575，將24 V輸入電源轉(zhuǎn)換為非隔離的+5 V電源(VDD5)，供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。另一方面通過(guò)寬壓輸入隔離穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵鲭娫茨KZY2405WRBD-2W將24 V輸入電源轉(zhuǎn)換為隔離的+5 V電源，再通過(guò)線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3穩(wěn)壓得到+3.3 V電源，供給主控制器和無(wú)線收發(fā)模塊，從而實(shí)現(xiàn)了主控制器與無(wú)線遙控電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源和地的安全隔離。

圖5 系統(tǒng)電源電路Fig.5 Circuit of power supply of the system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)啟停與過(guò)載控制

由于消防炮在轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)火源以及滅火的過(guò)程中會(huì)頻繁地啟動(dòng)和停止電機(jī)，加上電機(jī)負(fù)載慣性大，所以必須對(duì)電機(jī)的啟停進(jìn)行特定的加減速控制，才能保證電機(jī)啟停時(shí)不堵轉(zhuǎn)［9］。主控制器LPC1114通過(guò)電機(jī)啟動(dòng)加速曲線來(lái)改變內(nèi)部定時(shí)器的設(shè)置值;通過(guò)逐漸增大輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PWM的占空比，逐步增大加在直流電機(jī)兩端的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)加速曲線如圖6所示。

圖6 電機(jī)啟動(dòng)加速曲線Fig.6 Startup accelerating curve of the motor

同理，當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，反序改變定時(shí)器的設(shè)置值，逐步減小輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PWM占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用PWM調(diào)速方式，一方面實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平穩(wěn)啟停，使電機(jī)啟停時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)沖擊;另一方面又降低了電機(jī)的啟動(dòng)電流，對(duì)電機(jī)起到了很好的保護(hù)作用［10］。

主控制器LPC1114通過(guò)BTN7975B的電流檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)消防炮在水平和垂直方向上電機(jī)的當(dāng)前工作電流。當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí)，電流會(huì)急劇增大。在消防炮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于電源電壓波動(dòng)也會(huì)引起電機(jī)電流出現(xiàn)短時(shí)間較大的情況，因此主控制器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)將采集到的電機(jī)工作電流與內(nèi)部程序設(shè)定值進(jìn)行比較，以判斷電機(jī)是否發(fā)生過(guò)載。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)電機(jī)電流恢復(fù)正常，則電機(jī)繼續(xù)正常工作;否則，說(shuō)明電機(jī)當(dāng)前發(fā)生過(guò)載，主控制器將控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程Fig.7 Working process of the system

消防炮的所有動(dòng)作都是通過(guò)無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)運(yùn)行后處于等待接收命令狀態(tài)，即等待接收遙控器發(fā)出的按鍵命令。當(dāng)接收到消防炮轉(zhuǎn)動(dòng)方向命令后，主控制器控制消防炮執(zhí)行相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)。

在消防炮轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)火源的過(guò)程中，主控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)消防炮在水平和垂直方向上電機(jī)的當(dāng)前工作電流以及消防炮的轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置。當(dāng)消防炮水平回轉(zhuǎn)或垂直俯仰運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，主控制器控制消防炮停止該方向上的轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí)，主控制器控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)無(wú)線模塊在遙控器上進(jìn)行指示。當(dāng)消防炮炮口對(duì)準(zhǔn)火源后，消防炮停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)消防炮的噴水裝置進(jìn)行噴水滅火。滅火完畢后，系統(tǒng)關(guān)閉噴水裝置停止噴水，重新回到等待接收遙控命令的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用智能集成功率驅(qū)動(dòng)芯片BTN7975B設(shè)計(jì)消防炮在水平和垂直方向上大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，從而無(wú)需額外設(shè)計(jì)電機(jī)電流檢測(cè)電路，這不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，而且使得電機(jī)控制更加簡(jiǎn)單。低功耗高性能微控制器LPC1114實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)當(dāng)前工作電流，判斷電機(jī)是否發(fā)生過(guò)載，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大流量消防炮在水平和垂直方向上電機(jī)的控制和保護(hù)。試驗(yàn)表明，大流量消防炮工作可靠、驅(qū)動(dòng)力矩滿足要求、遙控操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于大型建筑內(nèi)的固定式消防系統(tǒng)和裝備消防車輛，具有廣闊的應(yīng)用前景，在消防領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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