一种低频声波灭火器的电路与软件设计

王文露，李丹美，赵海森，邢鹏程

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

一种低频声波灭火器的电路与软件设计

王文露，李丹美，赵海森，邢鹏程

(东华大学 信息科学与技术学院，上海201620)

在社会生活中，火灾是威胁公共安全、危害人们生命财产的主要灾害之一。传统的内置化学物品灭火器会对周围环境造成二次污染。文中设计了一种通过低频声波与空气的共同作用进行灭火的低频声波灭火器，该设计基于STM32产生低频信号，通过功率放大器放大成电流信号，驱动扬声器发出低频声波，再通过特殊的声腔将低频声波进行定向聚集，对准火源进行灭火。实验结果表明，该灭火器的设计无需其他灭火介质，能在多种特殊场合下利用低频声波能量灭火，不会对周围环境和失火物品造成二次破坏，灭火速度快。

声波灭火器；声腔；低频；功率放大器

0 引言

随着社会经济建设的发展，火灾的发生率呈上升趋势，火灾的危害呈严重化趋势，是威胁人们公众安全和社会发展的主要灾害之一。随着人类社会的迅速发展和人们安全意识的提高，灭火器已成为许多场合的必备设施，但随着用户规模的扩大，火势种类的增多，传统灭火器在应用中遇到了难以解决的问题。传统灭火器会对周围环境造成二次污染，不利于环保，且不同种类的灭火器内装填的成分不一样，专为不同的火警而设，错误使用时反而产生反效果及引起危险。消防所要面临的各种灭火场景对灭火方式的需求远远超过现有的方法[1]。为解决上述问题，设计了一种新型低频声波灭火器，包括电源、波形发生器、功率放大器、扬声器和声腔。实验结果表明，声波灭火器无需其他灭火介质，可以扑灭汽油、酒精、布料、纸张等引起的火灾，可在多种特殊场合使用，能预防二次伤害等意外情况的发生。

1 总体结构设计

人们通常把频率在200 Hz以下的声波归为低频声波，频率高于6 000 Hz的声波归为高频声波。本设计完成一个低频声波灭火器，其工作频率为35 Hz～80 Hz[2]。组成包括电源、波形发生器、功率放大器、扬声器及声腔[3]。如图1所示，电源用于为整个灭火器系统提供电力，波形发生器用于产生低频声波模拟电信号，功率放大器将信号进行放大，产生大电流的低频声波电信号，驱动扬声器，将低频声波模拟电信号转换为声波进行播放，在扬声器的发生端，安装特制的声腔，使扬声器发出的声波进行定向聚集，利用低频声波进行灭火。本设计介绍波形发生器、功率放大器的软硬件实现及扬声器的选型。

图1 低频声波灭火器设计方案图

2 硬件设计

灭火器电路采用STM32作为开发平台。STM32单片机具有丰富的内部资源，性能高、成本低、功耗低，其中的数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)可以不用外接其他外设只需连接电位器即可实现频率调节而产生波形。本设计采用STM32F103VET6单片机进行开发设计[4-5]。

2.1波形发生器

本设计通过产生35 Hz～80 Hz的低频波来实现声波灭火，通过电位器调节波形的频率，幅度为2 V。

本设计使用STM32F103VET6开发板中的微处理器(MCU)作为波形发生器，产生低频波形，如图2所示。使用到的开发板资源有DAC、ADC、直接存储器存取模块(DMA)和标准定时器(TIM)[5]。如图2(a)所示，将DAC模块配置TIM2为触发源，按照一定的频率读取波形数据，触发DAC通道，启动数据传输转换的操作，数据经过数模转换通过DAC端口(PA4)输出相应的波形信号，待一个周期的波形数据传输完毕后，就形成了一个周期波形，循环可产生连续波形。如图2(b)所示，通过改变电位器阻值改变电压，从ADC端口(PC1)采集电压信号，通过ADC转成数字信号给CPU进行处理，通过改变电压来改变频率，以实现频率调节功能。

图2 频率可调波形产生示意图

本设计采用DMA进行数据传输， DMA用来提供外设与存储器之间或者存储器与存储器之间的高速数据传输。STM32F103VET6共有两个DMA控制器，12个通道(DMA1有7个通道，DMA2有5个通道)，每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。使用DMA时，系统的整体性能会因内核的释放而提升。此时，数据直接通过DMA从存储器传输到DAC，或者从ADC传到存储器，无需CPU执行任何操作。这样节省的CPU资源可供其他操作使用。

STM32F103的通用定时器(TIM)是通过可编程预分频器(PSC)驱动的16位自动装载计数器(CNT)构成的。

MCU与外扩设备连线如图3所示。Y1为外部晶振8 MHz，提供准确的时钟频率，与电容组成晶振电路；S1为复位按键，与R2、C3组成复位电路；R1为1 kΩ的电位器，调节电压频率； PA4引脚输出波形，连接到下一级功率放大器。

图3 MCU与外设连线图

2.2扬声器选型

灭火器的工作频率为35 Hz～80 Hz。本设计选择扬声器的频率响应为35 Hz～1 kHz，覆盖了35 Hz～80 Hz，其阻抗4 Ω，额定功率60 W，超重低音扬声器，满足了发出低频声波的需求。扬声器直径5.5英寸，磁钢大小100磁(10 cm)，大小适宜。扬声器如图4所示。

图4 超重低音扬声器

2.3功率放大器

考虑本设计中因选用了额定功率 60 W 的超重低音扬声器，因此采用在额定工作电压下最大可达 68 W连续不失真平均功率的LM3886芯片作为功率放大电路，驱动扬声器。

LM3886是美国NS公司推出的IC音频功率放大器系列中的佼佼者。它配置少量的外围电子元件便可制作成一种功率放大器，采用11脚TO-220封装，具有比较完善的过压过流过热保护功能，此外它具有自动抗开关机时的电流冲击的功能，使扬声器能够避免在功放电源开启时受到电流冲击造成损伤的问题[6]。

功放电路如图5所示。

图5 功放电路图

本设计采用的LM3886TF其背板与内电极是绝缘的，所以外加散热板时不必考虑绝缘问题。LM3886引脚功能如下：1脚是正电源端；2脚是空脚(NC)；3脚是信号放大后的输出端；4脚是负电源端；5脚是空脚NC(内部独立，但在150 W的LM3886中，该脚应接至+VCC)；6脚是空脚NC；7脚是地(GND)端；8脚是静噪(MUTE)端；9脚是信号的反相输入端；10脚是信号的同相输入端；11脚是空脚NC。

本设计中选用扬声器负载阻抗为4 Ω，LM3886在负载阻抗4 Ω、VCC=±28 V情况下，输出功率68 W。总谐波失真+噪声(THD+N)在20 Hz～20 kHz时是0.1%。在此条件下，进行功率放大器电路设计。

C5、R4组成静音电路，当8脚开路或者0 V时，进入静音模式；当pin8大于0.5 mV时，关闭静音模式。通过静音电路，可以实现开/关机静音的效果，完全避免了开关机时冲击电流对扬声器的有害冲击，甚至省去扬声器保护电路。静音电容C5为打开和关闭静音模式创建一个时间常数，C5越大，时间常数越大。R4根据负电源电压选择：

(1)

其中I8≥0.5 mA。

R3、L1为输出电感和输出电阻并联组成，起隔离喇叭反向电动势作用，防止关机时喇叭的感应电动势对芯片造成损坏，在高频下提供高阻抗，使得R3可以去耦高容性负载，在低频下提供低阻抗以短路R3并将音频信号传递到负载。此处用 1.5 mm 漆包线绕15～20圈，成直径6 mm左右电感，中间穿一个10 Ω的电阻。

R5、R7两个电阻决定了电路的交流增益，即放大倍数，LM3886在增益为10或更大的情况下稳定，C7为反馈电容，确保直流处的单位增益。

(2)

C4为补偿电容，减少高频时的增益(放大器的带宽)，以避免输出晶体管的准饱和振荡，对声音的中高频段影响比较大，数据手册建议的参数值为220 pF。

LM3886功放芯片工作时芯片温度会升高，需要散热保护。在芯片上涂上硅脂，紧贴散热片，帮助芯片降温，持续保护电路。

本设计采用双面走线，信号输入部分远离输出部分，地线部分采用一点接地，接地回路应尽可能小。通常对于快速、高电流电路，由于不正确的接地会产生各种问题，可以通过将所有接地单独返回到公共点来避免。在进行PCB板布线时，电源去耦电容和C4补偿电容尽可能靠近LM3886，以减少PCB走线电阻和电感的影响。输入部分加入高通滤波电路，滤除高频干扰。电源和地加宽走线，并留有大电流淌锡线，保护电路。

3 软件设计

本设计介绍低频正弦波的软件设计方法。通过外部中断PA0可实现正弦波与方波的切换。

STM32F103VET6中， DAC是12位数字输入，电压输出的数字/模拟转换器。本设计采用DAC通道得到正弦波波形，DAC通道输出模拟电压大小由DOR寄存器的数值决定，在STM32F103VET6中，参考电压VREF+与VDD相接，VREF+=3.3 V，VREF-与VSS相接，VREF-=0 V，DAC通过引脚输入参考电压VREF以获得更精确的转换结果。根据公式：

(3)

其中，为了保证输出波形的质量，这里采用 200 个取样点为一个周期的正弦波表，组成数组Sine2Vbit[Idx]，对波形进行填充，低电平填充数值0输出为0 V，峰值电平填充数值2 481输出为2 V。200个采样点为一个周期循环输出，PA4输出峰峰值为2 V的方波。

12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。ADC输入范围：VREF-≤VIN≤VREF+。本设计中通过电位器，改变输入引脚PC1的电压值来调节VIN大小，转换数据被储存在16位的ADC_DR寄存器中，根据式(4)，模拟电压转换为数字信号：

(4)

通过改变电位器，改变ADC_DR的数值，从而调整TIM2的频率。TIM2触发 DAC，同时也触发 DMA来更新波形,改变波形频率[7]。

软件设计流程如图6所示。

图6 软件设计流程图

PA0设置为外部中断，下降沿触发，本设计中，设置一个标志位exitStatus，当检测到按键按下，触发中断，中断处理程序中对exitStatus取反，当exitStatus=1时，填充方波，当exitStatus=0时，填充正弦波，实现波形的切换，每次检测到中断后清除中断标志位，等待下一次的中断。中断流程如图7所示。

图7 中断流程图

PA4引脚通过示波器检测到波形如图8所示。

图8 示波器检测波形

通过示波器可看到频率为50 Hz、峰峰值为2 V的正弦波，波形频率可调。

4 测试结果

主要的实验设备是低频声波灭火器。功率放大器的供电电源电压为±26 V，信号波形为峰峰值2 V的方波。扬声器前端安装了长度为45 cm 的声腔，声腔前面设计了一个直径为10 cm的圆形小孔。使用30 Hz～150 Hz的低频声波进行灭火试验。

低频声波灭火器对酒精火焰进行灭火时，酒精火焰经过3～5 s的强烈波动后，火焰瞬间熄灭；对报纸火焰进行灭火时，由于低频声波产生了风力使得报纸火焰在铁盆里随报纸飞舞，一开始呈更加旺盛的形态，但经过数十秒的剧烈波动之后，火焰瞬间熄灭。火焰熄灭时，均留有大量可燃物，即排除了可燃物燃尽而导致灭火的因素。因此实验验证了声波灭火器的可用性，对不同性质的火焰有着理想的灭火效果。且在40 Hz～80 Hz频段灭火效果最好，证明了低频声波灭火器对灭火效果的作用。

5 结论

本文介绍的低频声波灭火器不会对周围环境造成二次伤害，能在多种特殊场合下利用声波能量灭火，高效安全。在理论研究的基础上，多次试验，验证了其可行性。此外STM32单片机具有出色的低功耗特性，LM3886输出功率大，失真度小，工作稳定可靠。整个设计性能高，成本低，具有广阔的发展前景。

[1] 康鸿翔.我国常用灭火器类型[J].劳动保护,2002(11):51.

[2] 李忠东.对付森林大火的飞碟[J].湖南安全与防灾,2016(8):46-47.

[3] 路昊,官洪运.一种低频声波灭火器：中国，CN105903137A[P].2016-08-31.

[4] 郭鹏,曲波.基于STM32的自适应智能精密电源的设计[J].微型机与应用,2013，32(9):81-84.

[5] 刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013.

[6] 王攀峰.基于LM3886功放应用电路分析[J].中国新通信,2013(14):63.

[7] 张志成.基于STM32单片机的函数信号发生器[J].自动化与仪器仪表,2014(2):70-71，74.

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，赵海森，等.一种低频声波灭火器的电路与软件设计J.微型机与应用，2017,36(21)：70-73.

2017-04-09)

王文露(1991-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统开发。E-mail:13361993570@163.com。

李丹美(1962-)，女，博士，副教授，主要研究方向：电磁兼容。

赵海森(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向:嵌入式软件开发。