仿真灭火器设备的研究和设计

张 红

（闽江学院，福建 福州 350108）

1 概述

灭火器属于消耗性产品，训练中不断反复使用，成本过高，本产品旨在应用超声波技术，在不需消耗品的情况下在训练中反复使用，以达到教学目的。灭火器种类较多，如干粉灭火器、泡沫灭火器、二氧化碳灭火器、推车式灭火器等。以教学楼配备的干粉灭火器为例，其正确使用的步骤如下：①拔出保险销；②握紧管带；③对准火焰根部按住压把。消防栓的操作步骤为：①打开消栓箱门；②报警；③接通管道及水枪；④取出后旋转阀门。本项目通过监控训练人员正确完成以上步骤，纠正错误使用方法，最终达到训练目的。

本设计采用单片机为主控芯片，作为整个系统的核心部分主要用于对超声波传感器、加速度传感器的数据进行分析处理和对语音芯片、音乐芯片、步进电机、继电器等功能模块进行控制［1］。

2 仿真灭火器设计

超声波传感器模块主要用于进行灭火器罐即操作者与模拟火焰距离的测量，首先灭火器罐里的超声波传感器发射模块发射超声波，当模拟火焰里的超声波传感器接收模块接收到信号后，通过计算脉宽从而得到操作者与火焰的距离。整体电路的控制核心为单片机AT89C52。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波发射电路，超声波接收电路，单片机电路，显示电路等几部分模块组成。而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。在发射后把信号放大，接收前也要把信号再次放大。单片机发出40kHz的信号，经放大（功率放大还是电压放大）后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送1602显示［2-3］。

2.1 控制模拟火源

采用超声波传感技术，控制模拟火源，首先产生40kHz超声波代替实际灭火器喷出物，然后利用超声波接收器控制模拟火源。即以仿真灭火器本体为发射管，以模拟火源为接收管，以超声波为载体，通过遥控模拟火源光学器件熄灭，达到模拟灭火的效果。火源方面设置接收管为LED组超声波发射管的遥控，使其逐个给予熄灭响应，并同时配套以火光等现场效果。

图1 超声波发射电路图

2.2 安全距离测量

采用超声波传感器技术，测量安全距离，首先产生40kHz超声波，微处理器启动计时器，当模拟火源接纳到超声波时，无线收发模块将返回一个信号，通知微处理器，微处理器停止计时，通过计算得到超声波传播时间t，因为声音传播速度v为340m/s，从而得到超声波传播距离S。

2.3 加速度传感器模块

两轴加速度传感器MXC6225，将它放置在胶管内，通过它得到手对喷管的操作过程，包括方向、角度、频率等数据。经过微处理器分析所得的数据，如果发现操作者对喷管无规律运动，或者运动角度过大，或者运动频率过快时，语音提示错误。

2.4 步进电机模块

外形模拟实际压力表，通过对作用时间的统计，估算出贮气瓶内剩余灭火材料比例及压力值，并通过步行电机给予相应显示。若响应规格超出有效时间，则语音系统报警。

图2 超声波接收电路图

我们采用微型步进电机，它的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器，功率放大器选用单电压功率放大电路。当单片机I/O口输出为1时，经反相器74LS14后变成低电平，电机绕组不通电，反之单片机I/O口输出为0时，经反相器后变成高电平，三极管导通，电机绕组通电。

2.5 语音芯片模块

利用单片机对多方面内容进行监控，并通过SYN6288语音芯片播报出来。SYN6288语音芯片对不同的电平激励产生不同的响应，在正确的情况下给予语音提示，错误的情况下给予语音报警。最小系统包括：控制器模块、SYN6288语音合成芯片、功放模块和喇叭。

主控制器和SYN6288语音合成芯片之间通过UART接口连接，控制器可通过通讯接口向SYN6288语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6288语音合成芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放。接收到控制命令帧，芯片会向上位机发送1个字节的状态回传，上位机可根据这个回传来判断芯片目前的工作状态。SYN6288芯片在初始化成功时会发送一个字节的“初始化成功”回传。SYN6288芯片收到命令帧后会判断此命令帧正确与否，如果命令帧正确返回“接收成功”回传，如果命令帧错误则返回“接收失败”回传［4-5］。

2.6 JZ863无线数传模块

JZ863无线数传模块主要用于灭火器罐与模拟火焰内部单片机以及主机对从机的控制中通信。JZ863数传模块是高集成度的微功率半双工的无线数传模块，其采高性能射频芯片及高速单片机。模块提供8个频道，并配备有专业的设置软件，以便用户进参数更改,模块采用透明传输的方式，无须用户编写设置与传输程序，即可进行传输任何大的数据。模块体积小，使用电压宽，方便使用。

3 总结

本课题完成了该仿真系统软硬件的整体设计，并且已经通过调试能够初步应用。在今后的一段时间里逐步完善就可以投入使用。

［1］楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［2］张培仁，张志坚，高修峰.十六位单片微处理器原理及应用（凌阳SPCE061A）［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］周坚.单片机C语言轻松入门［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［4］郭成林.AT89系列PC机之间的串行通信接口设计［J］.山西电子技术，2008（1）：66-70.

［5］Guiyun Tian.单片机原理及应用（英文版）［M］.北京：高等教育出版社，2011.