張 紅

（閩江學(xué)院，福建 福州 350108）

1 概述

滅火器屬于消耗性產(chǎn)品，訓(xùn)練中不斷反復(fù)使用，成本過高，本產(chǎn)品旨在應(yīng)用超聲波技術(shù)，在不需消耗品的情況下在訓(xùn)練中反復(fù)使用，以達(dá)到教學(xué)目的。滅火器種類較多，如干粉滅火器、泡沫滅火器、二氧化碳滅火器、推車式滅火器等。以教學(xué)樓配備的干粉滅火器為例，其正確使用的步驟如下：①拔出保險銷；②握緊管帶；③對準(zhǔn)火焰根部按住壓把。消防栓的操作步驟為：①打開消栓箱門；②報警；③接通管道及水槍；④取出后旋轉(zhuǎn)閥門。本項(xiàng)目通過監(jiān)控訓(xùn)練人員正確完成以上步驟，糾正錯誤使用方法，最終達(dá)到訓(xùn)練目的。

本設(shè)計采用單片機(jī)為主控芯片，作為整個系統(tǒng)的核心部分主要用于對超聲波傳感器、加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和對語音芯片、音樂芯片、步進(jìn)電機(jī)、繼電器等功能模塊進(jìn)行控制［1］。

2 仿真滅火器設(shè)計

超聲波傳感器模塊主要用于進(jìn)行滅火器罐即操作者與模擬火焰距離的測量，首先滅火器罐里的超聲波傳感器發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，當(dāng)模擬火焰里的超聲波傳感器接收模塊接收到信號后，通過計算脈寬從而得到操作者與火焰的距離。整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89C52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，單片機(jī)電路，顯示電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把信號再次放大。單片機(jī)發(fā)出40kHz的信號，經(jīng)放大（功率放大還是電壓放大）后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計算，得出距離數(shù)并送1602顯示［2-3］。

2.1 控制模擬火源

采用超聲波傳感技術(shù)，控制模擬火源，首先產(chǎn)生40kHz超聲波代替實(shí)際滅火器噴出物，然后利用超聲波接收器控制模擬火源。即以仿真滅火器本體為發(fā)射管，以模擬火源為接收管，以超聲波為載體，通過遙控模擬火源光學(xué)器件熄滅，達(dá)到模擬滅火的效果?；鹪捶矫嬖O(shè)置接收管為LED組超聲波發(fā)射管的遙控，使其逐個給予熄滅響應(yīng)，并同時配套以火光等現(xiàn)場效果。

圖1 超聲波發(fā)射電路圖

2.2 安全距離測量

采用超聲波傳感器技術(shù)，測量安全距離，首先產(chǎn)生40kHz超聲波，微處理器啟動計時器，當(dāng)模擬火源接納到超聲波時，無線收發(fā)模塊將返回一個信號，通知微處理器，微處理器停止計時，通過計算得到超聲波傳播時間t，因?yàn)槁曇魝鞑ニ俣葀為340m/s，從而得到超聲波傳播距離S。

2.3 加速度傳感器模塊

兩軸加速度傳感器MXC6225，將它放置在膠管內(nèi)，通過它得到手對噴管的操作過程，包括方向、角度、頻率等數(shù)據(jù)。經(jīng)過微處理器分析所得的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)操作者對噴管無規(guī)律運(yùn)動，或者運(yùn)動角度過大，或者運(yùn)動頻率過快時，語音提示錯誤。

2.4 步進(jìn)電機(jī)模塊

外形模擬實(shí)際壓力表，通過對作用時間的統(tǒng)計，估算出貯氣瓶內(nèi)剩余滅火材料比例及壓力值，并通過步行電機(jī)給予相應(yīng)顯示。若響應(yīng)規(guī)格超出有效時間，則語音系統(tǒng)報警。

圖2 超聲波接收電路圖

我們采用微型步進(jìn)電機(jī)，它的脈沖分配由單片機(jī)通過軟件控制構(gòu)成環(huán)行分配器，功率放大器選用單電壓功率放大電路。當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出為1時，經(jīng)反相器74LS14后變成低電平，電機(jī)繞組不通電，反之單片機(jī)I/O口輸出為0時，經(jīng)反相器后變成高電平，三極管導(dǎo)通，電機(jī)繞組通電。

2.5 語音芯片模塊

利用單片機(jī)對多方面內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控，并通過SYN6288語音芯片播報出來。SYN6288語音芯片對不同的電平激勵產(chǎn)生不同的響應(yīng)，在正確的情況下給予語音提示，錯誤的情況下給予語音報警。最小系統(tǒng)包括：控制器模塊、SYN6288語音合成芯片、功放模塊和喇叭。

主控制器和SYN6288語音合成芯片之間通過UART接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6288語音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，SYN6288語音合成芯片把接收到的文本合成為語音信號輸出，輸出的信號經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大后連接到喇叭進(jìn)行播放。接收到控制命令幀，芯片會向上位機(jī)發(fā)送1個字節(jié)的狀態(tài)回傳，上位機(jī)可根據(jù)這個回傳來判斷芯片目前的工作狀態(tài)。SYN6288芯片在初始化成功時會發(fā)送一個字節(jié)的“初始化成功”回傳。SYN6288芯片收到命令幀后會判斷此命令幀正確與否，如果命令幀正確返回“接收成功”回傳，如果命令幀錯誤則返回“接收失敗”回傳［4-5］。

2.6 JZ863無線數(shù)傳模塊

JZ863無線數(shù)傳模塊主要用于滅火器罐與模擬火焰內(nèi)部單片機(jī)以及主機(jī)對從機(jī)的控制中通信。JZ863數(shù)傳模塊是高集成度的微功率半雙工的無線數(shù)傳模塊，其采高性能射頻芯片及高速單片機(jī)。模塊提供8個頻道，并配備有專業(yè)的設(shè)置軟件，以便用戶進(jìn)參數(shù)更改,模塊采用透明傳輸?shù)姆绞?，無須用戶編寫設(shè)置與傳輸程序，即可進(jìn)行傳輸任何大的數(shù)據(jù)。模塊體積小，使用電壓寬，方便使用。

3 總結(jié)

本課題完成了該仿真系統(tǒng)軟硬件的整體設(shè)計，并且已經(jīng)通過調(diào)試能夠初步應(yīng)用。在今后的一段時間里逐步完善就可以投入使用。

［1］樓然苗，李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］張培仁，張志堅(jiān)，高修峰.十六位單片微處理器原理及應(yīng)用（凌陽SPCE061A）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］周堅(jiān).單片機(jī)C語言輕松入門［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］郭成林.AT89系列PC機(jī)之間的串行通信接口設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2008（1）：66-70.

［5］Guiyun Tian.單片機(jī)原理及應(yīng)用（英文版）［M］.北京：高等教育出版社，2011.