王文露，李丹美，趙海森，邢鵬程

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

一種低頻聲波滅火器的電路與軟件設(shè)計(jì)

王文露，李丹美，趙海森，邢鵬程

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620)

在社會(huì)生活中，火災(zāi)是威脅公共安全、危害人們生命財(cái)產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的內(nèi)置化學(xué)物品滅火器會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染。文中設(shè)計(jì)了一種通過低頻聲波與空氣的共同作用進(jìn)行滅火的低頻聲波滅火器，該設(shè)計(jì)基于STM32產(chǎn)生低頻信號(hào)，通過功率放大器放大成電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出低頻聲波，再通過特殊的聲腔將低頻聲波進(jìn)行定向聚集，對(duì)準(zhǔn)火源進(jìn)行滅火。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該滅火器的設(shè)計(jì)無需其他滅火介質(zhì)，能在多種特殊場(chǎng)合下利用低頻聲波能量滅火，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和失火物品造成二次破壞，滅火速度快。

聲波滅火器；聲腔；低頻；功率放大器

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，火災(zāi)的發(fā)生率呈上升趨勢(shì)，火災(zāi)的危害呈嚴(yán)重化趨勢(shì)，是威脅人們公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。隨著人類社會(huì)的迅速發(fā)展和人們安全意識(shí)的提高，滅火器已成為許多場(chǎng)合的必備設(shè)施，但隨著用戶規(guī)模的擴(kuò)大，火勢(shì)種類的增多，傳統(tǒng)滅火器在應(yīng)用中遇到了難以解決的問題。傳統(tǒng)滅火器會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染，不利于環(huán)保，且不同種類的滅火器內(nèi)裝填的成分不一樣，專為不同的火警而設(shè)，錯(cuò)誤使用時(shí)反而產(chǎn)生反效果及引起危險(xiǎn)。消防所要面臨的各種滅火場(chǎng)景對(duì)滅火方式的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的方法[1]。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種新型低頻聲波滅火器，包括電源、波形發(fā)生器、功率放大器、揚(yáng)聲器和聲腔。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲波滅火器無需其他滅火介質(zhì)，可以撲滅汽油、酒精、布料、紙張等引起的火災(zāi)，可在多種特殊場(chǎng)合使用，能預(yù)防二次傷害等意外情況的發(fā)生。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人們通常把頻率在200 Hz以下的聲波歸為低頻聲波，頻率高于6 000 Hz的聲波歸為高頻聲波。本設(shè)計(jì)完成一個(gè)低頻聲波滅火器，其工作頻率為35 Hz～80 Hz[2]。組成包括電源、波形發(fā)生器、功率放大器、揚(yáng)聲器及聲腔[3]。如圖1所示，電源用于為整個(gè)滅火器系統(tǒng)提供電力，波形發(fā)生器用于產(chǎn)生低頻聲波模擬電信號(hào)，功率放大器將信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生大電流的低頻聲波電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，將低頻聲波模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波進(jìn)行播放，在揚(yáng)聲器的發(fā)生端，安裝特制的聲腔，使揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波進(jìn)行定向聚集，利用低頻聲波進(jìn)行滅火。本設(shè)計(jì)介紹波形發(fā)生器、功率放大器的軟硬件實(shí)現(xiàn)及揚(yáng)聲器的選型。

圖1 低頻聲波滅火器設(shè)計(jì)方案圖

2 硬件設(shè)計(jì)

滅火器電路采用STM32作為開發(fā)平臺(tái)。STM32單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部資源，性能高、成本低、功耗低，其中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以不用外接其他外設(shè)只需連接電位器即可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)而產(chǎn)生波形。本設(shè)計(jì)采用STM32F103VET6單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)[4-5]。

2.1波形發(fā)生器

本設(shè)計(jì)通過產(chǎn)生35 Hz～80 Hz的低頻波來實(shí)現(xiàn)聲波滅火，通過電位器調(diào)節(jié)波形的頻率，幅度為2 V。

本設(shè)計(jì)使用STM32F103VET6開發(fā)板中的微處理器(MCU)作為波形發(fā)生器，產(chǎn)生低頻波形，如圖2所示。使用到的開發(fā)板資源有DAC、ADC、直接存儲(chǔ)器存取模塊(DMA)和標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器(TIM)[5]。如圖2(a)所示，將DAC模塊配置TIM2為觸發(fā)源，按照一定的頻率讀取波形數(shù)據(jù)，觸發(fā)DAC通道，啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換的操作，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換通過DAC端口(PA4)輸出相應(yīng)的波形信號(hào)，待一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)傳輸完畢后，就形成了一個(gè)周期波形，循環(huán)可產(chǎn)生連續(xù)波形。如圖2(b)所示，通過改變電位器阻值改變電壓，從ADC端口(PC1)采集電壓信號(hào)，通過ADC轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)給CPU進(jìn)行處理，通過改變電壓來改變頻率，以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)功能。

圖2 頻率可調(diào)波形產(chǎn)生示意圖

本設(shè)計(jì)采用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， DMA用來提供外設(shè)與存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。STM32F103VET6共有兩個(gè)DMA控制器，12個(gè)通道(DMA1有7個(gè)通道，DMA2有5個(gè)通道)，每個(gè)通道專門用來管理來自于一個(gè)或多個(gè)外設(shè)對(duì)存儲(chǔ)器訪問的請(qǐng)求。使用DMA時(shí)，系統(tǒng)的整體性能會(huì)因內(nèi)核的釋放而提升。此時(shí)，數(shù)據(jù)直接通過DMA從存儲(chǔ)器傳輸?shù)紻AC，或者從ADC傳到存儲(chǔ)器，無需CPU執(zhí)行任何操作。這樣節(jié)省的CPU資源可供其他操作使用。

STM32F103的通用定時(shí)器(TIM)是通過可編程預(yù)分頻器(PSC)驅(qū)動(dòng)的16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器(CNT)構(gòu)成的。

MCU與外擴(kuò)設(shè)備連線如圖3所示。Y1為外部晶振8 MHz，提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘頻率，與電容組成晶振電路；S1為復(fù)位按鍵，與R2、C3組成復(fù)位電路；R1為1 kΩ的電位器，調(diào)節(jié)電壓頻率； PA4引腳輸出波形，連接到下一級(jí)功率放大器。

圖3 MCU與外設(shè)連線圖

2.2揚(yáng)聲器選型

滅火器的工作頻率為35 Hz～80 Hz。本設(shè)計(jì)選擇揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)為35 Hz～1 kHz，覆蓋了35 Hz～80 Hz，其阻抗4 Ω，額定功率60 W，超重低音揚(yáng)聲器，滿足了發(fā)出低頻聲波的需求。揚(yáng)聲器直徑5.5英寸，磁鋼大小100磁(10 cm)，大小適宜。揚(yáng)聲器如圖4所示。

圖4 超重低音揚(yáng)聲器

2.3功率放大器

考慮本設(shè)計(jì)中因選用了額定功率 60 W 的超重低音揚(yáng)聲器，因此采用在額定工作電壓下最大可達(dá) 68 W連續(xù)不失真平均功率的LM3886芯片作為功率放大電路，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

LM3886是美國(guó)NS公司推出的IC音頻功率放大器系列中的佼佼者。它配置少量的外圍電子元件便可制作成一種功率放大器，采用11腳TO-220封裝，具有比較完善的過壓過流過熱保護(hù)功能，此外它具有自動(dòng)抗開關(guān)機(jī)時(shí)的電流沖擊的功能，使揚(yáng)聲器能夠避免在功放電源開啟時(shí)受到電流沖擊造成損傷的問題[6]。

功放電路如圖5所示。

圖5 功放電路圖

本設(shè)計(jì)采用的LM3886TF其背板與內(nèi)電極是絕緣的，所以外加散熱板時(shí)不必考慮絕緣問題。LM3886引腳功能如下：1腳是正電源端；2腳是空腳(NC)；3腳是信號(hào)放大后的輸出端；4腳是負(fù)電源端；5腳是空腳NC(內(nèi)部獨(dú)立，但在150 W的LM3886中，該腳應(yīng)接至+VCC)；6腳是空腳NC；7腳是地(GND)端；8腳是靜噪(MUTE)端；9腳是信號(hào)的反相輸入端；10腳是信號(hào)的同相輸入端；11腳是空腳NC。

本設(shè)計(jì)中選用揚(yáng)聲器負(fù)載阻抗為4 Ω，LM3886在負(fù)載阻抗4 Ω、VCC=±28 V情況下，輸出功率68 W?？傊C波失真+噪聲(THD+N)在20 Hz～20 kHz時(shí)是0.1%。在此條件下，進(jìn)行功率放大器電路設(shè)計(jì)。

C5、R4組成靜音電路，當(dāng)8腳開路或者0 V時(shí)，進(jìn)入靜音模式；當(dāng)pin8大于0.5 mV時(shí)，關(guān)閉靜音模式。通過靜音電路，可以實(shí)現(xiàn)開/關(guān)機(jī)靜音的效果，完全避免了開關(guān)機(jī)時(shí)沖擊電流對(duì)揚(yáng)聲器的有害沖擊，甚至省去揚(yáng)聲器保護(hù)電路。靜音電容C5為打開和關(guān)閉靜音模式創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間常數(shù)，C5越大，時(shí)間常數(shù)越大。R4根據(jù)負(fù)電源電壓選擇：

(1)

其中I8≥0.5 mA。

R3、L1為輸出電感和輸出電阻并聯(lián)組成，起隔離喇叭反向電動(dòng)勢(shì)作用，防止關(guān)機(jī)時(shí)喇叭的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)芯片造成損壞，在高頻下提供高阻抗，使得R3可以去耦高容性負(fù)載，在低頻下提供低阻抗以短路R3并將音頻信號(hào)傳遞到負(fù)載。此處用 1.5 mm 漆包線繞15～20圈，成直徑6 mm左右電感，中間穿一個(gè)10 Ω的電阻。

R5、R7兩個(gè)電阻決定了電路的交流增益，即放大倍數(shù)，LM3886在增益為10或更大的情況下穩(wěn)定，C7為反饋電容，確保直流處的單位增益。

(2)

C4為補(bǔ)償電容，減少高頻時(shí)的增益(放大器的帶寬)，以避免輸出晶體管的準(zhǔn)飽和振蕩，對(duì)聲音的中高頻段影響比較大，數(shù)據(jù)手冊(cè)建議的參數(shù)值為220 pF。

LM3886功放芯片工作時(shí)芯片溫度會(huì)升高，需要散熱保護(hù)。在芯片上涂上硅脂，緊貼散熱片，幫助芯片降溫，持續(xù)保護(hù)電路。

本設(shè)計(jì)采用雙面走線，信號(hào)輸入部分遠(yuǎn)離輸出部分，地線部分采用一點(diǎn)接地，接地回路應(yīng)盡可能小。通常對(duì)于快速、高電流電路，由于不正確的接地會(huì)產(chǎn)生各種問題，可以通過將所有接地單獨(dú)返回到公共點(diǎn)來避免。在進(jìn)行PCB板布線時(shí)，電源去耦電容和C4補(bǔ)償電容盡可能靠近LM3886，以減少PCB走線電阻和電感的影響。輸入部分加入高通濾波電路，濾除高頻干擾。電源和地加寬走線，并留有大電流淌錫線，保護(hù)電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)介紹低頻正弦波的軟件設(shè)計(jì)方法。通過外部中斷PA0可實(shí)現(xiàn)正弦波與方波的切換。

STM32F103VET6中， DAC是12位數(shù)字輸入，電壓輸出的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用DAC通道得到正弦波波形，DAC通道輸出模擬電壓大小由DOR寄存器的數(shù)值決定，在STM32F103VET6中，參考電壓VREF+與VDD相接，VREF+=3.3 V，VREF-與VSS相接，VREF-=0 V，DAC通過引腳輸入?yún)⒖茧妷篤REF以獲得更精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。根據(jù)公式：

(3)

其中，為了保證輸出波形的質(zhì)量，這里采用 200 個(gè)取樣點(diǎn)為一個(gè)周期的正弦波表，組成數(shù)組Sine2Vbit[Idx]，對(duì)波形進(jìn)行填充，低電平填充數(shù)值0輸出為0 V，峰值電平填充數(shù)值2 481輸出為2 V。200個(gè)采樣點(diǎn)為一個(gè)周期循環(huán)輸出，PA4輸出峰峰值為2 V的方波。

12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADC輸入范圍：VREF-≤VIN≤VREF+。本設(shè)計(jì)中通過電位器，改變輸入引腳PC1的電壓值來調(diào)節(jié)VIN大小，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在16位的ADC_DR寄存器中，根據(jù)式(4)，模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)：

(4)

通過改變電位器，改變ADC_DR的數(shù)值，從而調(diào)整TIM2的頻率。TIM2觸發(fā) DAC，同時(shí)也觸發(fā) DMA來更新波形,改變波形頻率[7]。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

PA0設(shè)置為外部中斷，下降沿觸發(fā)，本設(shè)計(jì)中，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位exitStatus，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下，觸發(fā)中斷，中斷處理程序中對(duì)exitStatus取反，當(dāng)exitStatus=1時(shí)，填充方波，當(dāng)exitStatus=0時(shí)，填充正弦波，實(shí)現(xiàn)波形的切換，每次檢測(cè)到中斷后清除中斷標(biāo)志位，等待下一次的中斷。中斷流程如圖7所示。

圖7 中斷流程圖

PA4引腳通過示波器檢測(cè)到波形如圖8所示。

圖8 示波器檢測(cè)波形

通過示波器可看到頻率為50 Hz、峰峰值為2 V的正弦波，波形頻率可調(diào)。

4 測(cè)試結(jié)果

主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是低頻聲波滅火器。功率放大器的供電電源電壓為±26 V，信號(hào)波形為峰峰值2 V的方波。揚(yáng)聲器前端安裝了長(zhǎng)度為45 cm 的聲腔，聲腔前面設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為10 cm的圓形小孔。使用30 Hz～150 Hz的低頻聲波進(jìn)行滅火試驗(yàn)。

低頻聲波滅火器對(duì)酒精火焰進(jìn)行滅火時(shí)，酒精火焰經(jīng)過3～5 s的強(qiáng)烈波動(dòng)后，火焰瞬間熄滅；對(duì)報(bào)紙火焰進(jìn)行滅火時(shí)，由于低頻聲波產(chǎn)生了風(fēng)力使得報(bào)紙火焰在鐵盆里隨報(bào)紙飛舞，一開始呈更加旺盛的形態(tài)，但經(jīng)過數(shù)十秒的劇烈波動(dòng)之后，火焰瞬間熄滅?；鹧嫦鐣r(shí)，均留有大量可燃物，即排除了可燃物燃盡而導(dǎo)致滅火的因素。因此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聲波滅火器的可用性，對(duì)不同性質(zhì)的火焰有著理想的滅火效果。且在40 Hz～80 Hz頻段滅火效果最好，證明了低頻聲波滅火器對(duì)滅火效果的作用。

5 結(jié)論

本文介紹的低頻聲波滅火器不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成二次傷害，能在多種特殊場(chǎng)合下利用聲波能量滅火，高效安全。在理論研究的基礎(chǔ)上，多次試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。此外STM32單片機(jī)具有出色的低功耗特性，LM3886輸出功率大，失真度小，工作穩(wěn)定可靠。整個(gè)設(shè)計(jì)性能高，成本低，具有廣闊的發(fā)展前景。

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Circuit and software design of a low frequency acoustic wave extinguisher

Wang Wenlu，Li Danmei，Zhao Haisen，Xing Pengcheng

(College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China)

In the social life，the fire is one of the main disasters that threaten public safety and endanger people’s life and property.In order to solve the problem that the traditional built-in chemical extinguisher will cause secondary pollution to the surrounding environment，a low frequency acoustic wave extinguisher is designed by means of the interaction of low frequency acoustic wave and air.The design is based on STM32 to generate low frequency signal，which amplified by the power amplifier into the current signal to drive the speaker to send low-frequency acoustic waves.The special sound cavity makes the waveform directional aggregation，aims at the fire to extinguish.Experimental results show that the design of the extinguisher without other media，and can use low-frequency sound energy to extinguish a fire in a variety of special occasions，will not cause damage to the surrounding environment and the objects in the fire，and the fire extinguishing speed is fast.

acoustic wave extinguisher; sound cavity; low frequency; power amplifier

TP368

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.021

王文露，李丹美，趙海森，等.一種低頻聲波滅火器的電路與軟件設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(21)：70-73.

2017-04-09)

王文露(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。E-mail:13361993570@163.com。

李丹美(1962-)，女，博士，副教授，主要研究方向：電磁兼容。

趙海森(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向:嵌入式軟件開發(fā)。