一种森林灭火弹发控系统的设计

罗倩 陈大坤

摘 要：发控系统作为灭火弹的核心控制单元，包括目标的瞄准、发射姿态的调整和灭火弹的发射。本文主要介绍通过单片机之间数据的传递来控制整个发控系统的运行，实现了对火源的精准测距、发射架姿态的调整以及灭火弹的发射，经设计分析，该发控系统稳定可靠。

关键词：发控系统；激光测距；单片机

1 引言

由于我国地域广阔，地形复杂，森林覆盖面积广，一旦发生森林火灾，人工灭火的工作极难开展，且受到地形、气象等自然因素的影响，给扑火人员带来了极大危险。目前我国灭火手段和设备相对落后，灭火效率低，且灭火危险系数高，不仅威胁消防人员的人身安全，也给国家森林资源安全带来极大的损失。

森林灭火弹是针对森林火灾火情复杂，灭火人员无法近距离灭火的特点而研制的。本文主要介绍一种基于单片机的森林灭火弹发控系统的研究。该发控系统主要由瞄准定位装置、传感器模块、控制盒组成如图1所示。

2 组成

2.1 瞄准定位装置

瞄准定位装置由测距仪和罗盘仪组成，其中测距仪测量至目标点的直线距离，罗盘仪测定目标距磁北方向（标准方向）的偏角，其精度一般为0.5°，精度较高的可达0.25°。

考虑到安全性，测量时瞄准定位装置通过三脚架放置在发射车侧面距发射车10m左右位置，此时瞄准点距目标点和从回转中心距目标点之间最大角度误差为0.57°，横向偏差约为8m（射程1km），距离误差最多10m。

瞄准点、发射点与目标点的位置关系如图2所示：

图2中，A点为瞄准点，B点为发射车回转中心点，C点为目标点。α为瞄准点至目标点的方位角，L1为瞄准点至目标点的水平距离，L为发射车回转中心至目标点的水平距离。γ为发射车至目标点的方位角。由图2可知，

L= （1）

（2）

γ=α-δ （3）

通过公式1、2、3可精确求出发射装置旋转方位角以及实际射程。

2.2 控制盒

2.2.1 地面控制盒

地面控制盒主要由控制面板、液晶屏、小键盘、控制电路板和壳体组成。其主要实现以下功能。

1）与弹上处理组合实时通信，将车体的实时信息如发射架的位置、支腿的状态，瞄准的信息（高低角和方位角）以及电容的充电情况和装弹状态显示在液晶屏上。

2）当面板上的调平、复位、撤收和发射等按鈕被按下时，上传调平、复位、撤收和发射等命令到弹上处理组合，启动相应的程序；

3）完成发控系统的设备自检；

4）接收电子罗盘仪发送的方位角和高低角，将方位角和高低角显示在液晶屏上，并通过射表算出发射所需的射程和方位角，通过外部连接的键盘，输入发射所需的射程和方位角，将装订好到参数上传到弹上控制盒，并将射程和方位角显示在液晶屏上。

5）连接外部的液晶屏，用于显示车体的状态，瞄准状态，装订的参数以及装弹的情况，便于实时监测整个发控系统的运行。

6）当面板上充电按钮被按下时，给弹上处理组合发送充电命令，触发继电器给电容充电。

2.2.2 弹上控制盒

弹上处理组合主要由箱体、控制电路板和DC/DC电源转换模块组成，安装于发射架的下方。

弹上控制盒主要完成以下功能：

1）接收安装在发射架倾角传感器和安装在支腿上四个载荷传感器的信息，并将车体位置的实时信息下传到地面控制盒，在液晶显示屏上实时监控车体状态；

2）接收地面控制盒上传的调平、撤收、复位以及装订发射参数，驱动电机上下运动来调整发射架的位置，并将发射架的信息回传给地面控制盒并在液晶屏上显示；

3）判断充电电容的充电情况，当接收到地面控制盒触发充电继电器时，开始充电，在电容充满电后，断开充电电源，通过比较器与基准电源比较输入到单片机，判断该电容是否充电完成，并将充电情况下传到地面控制盒并在液晶屏上显示充电情况，检测完成后等待发射命令，其基本原理图如图3所示；

4）判断灭火弹是否安装完毕，通过单片机产生一个高电平来驱动光耦前端，将点火器和限流电阻接入光耦的后端并接通另一组光耦，若单片机接收到高电平，则证明点火器断开，灭火弹没有装好，若接收到低电平则证明点火器连接完好，灭火弹安装完好，检测完成后等待发射命令，其原理图如图4所示；

5）接收地面控制盒中发射信号（点发和齐发），激活点火电路。发射管按照以下方式排列，共有三组，一共24发弹。

灭火弹发动机点火器与控制盒的发射通道之间直接用导线进行连接，通道号与发射管号相对应。为了尽量保证发射时发射架重心不偏移，设定发射顺序为：①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤。

单发模式：当地面控制盒面板上的单发按钮被按下时，地面控制盒将发射信号上传到弹上控制盒，弹上控制盒启动检测电路，检测合格后，切换到发射电路。每按下一次单发按钮，发射一枚灭火弹，并等待下一次单发命令，发射按照①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤的顺序进行，直到24发弹发射完成。

齐发模式：当地面控制盒面板上的齐发按钮被按下时，地面控制盒将发射信号上传到弹上控制盒，弹上控制盒启动检测电路，检测合格后，切换到发射电路。每按下一次齐发按钮，就按照①→⑧→②→⑦→③→⑥→④→⑤的顺序，以不超过3s的时间间隔先后发射，并等待下一次齐发命令，直到三组弹发射完成，整体发射的时间不超过100s。

6）接收地面控制盒手动把手调节的指令，驱动直流电机将发射架调整到指定的位置。

2.3 传感器模块

传感器主要是收集车体的状态、发射架的姿态等数据，传到控制盒，控制盒将其收到的数据实时显示在液晶屏上，以便实时监测。

3 软件设计要求

本次单片选用宏晶科技的STC8A4K64S4A12，该芯片工作电压范围2.0～5.5V，有59个IO口，4路串口通信，可满足此次设计要求。软件需实现以下工作：

1）对电容充电情况的检测功能；

2）对导弹安装完毕的检查功能；

3）当接收到自检、撤收、复位和发射等命令时，可执行相应的操作；

4）实现两个组合之间的通讯，传感器与单片机之间是数字量的传递，因安装在支腿上的传感器离弹上弹上控制盒较远，为了保证信号稳定传递，采用485通讯协议，弹上处理组合和地面控制盒之间采用422通讯；

5）数据的处理分析功能，对于测量的数据进行分析处理，并以文字或图像的方式进行实时显示；

6）外接薄膜数字小键盘，用于射程和方位角的输入；

4 结束语

通过设计分析，本系统可靠稳定，能快速准确地实现森林灭火弹的发射。

参考文献：

[1]张明远.森林灭火弹国内外研究现状.林业机械与木工设备，2015

[2]陈吉潮.国内外森林灭火弹发射装置研究现状.机电工程，2012

[3]高先锋.一种高可靠点火执行级电路的设计.现代电子技术，2012

[4]一种森林灭火弹检测系统的设计.电子设计工程，2012