基于微控制器的远程森林灭火弹延时控制方法

张建新 梁宛玉 贾丹丹

摘要：针对森林防火突发性强、破坏性大、难以处置的特点，开发了一种基于微控制器的远程森林灭火弹控制电路，用于单兵发射灭火器具。通过软硬件电路的设计，制定了详细的控制策略，以确保电路控制逻辑的严密性，保证灭火弹的安全性。通过实弹射击试验，验证了电路工作的稳定性与安全性，为森林防火装备的实现提供了一种切实可行的工程方案。

关键词：灭火弹;微控制器;延时电路;安全性

中图分类号：TJ430.2 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0207-04

1引言

森林火灾具有突发性强、破坏性大、难以处置的特点，一旦发生则势不可挡，是我国主要的自然灾害之一。为此，从森林火灾发生的源头及时对火种进行扑灭，是森林防火的重要措施。常用的灭火器具包括机载细水雾森林灭火弹、航空飞机装备灭火器、细水雾云团灭火弹等。

远程森林灭火弹是更适合单人操作与携带的灭火器具。灭火弹使用单兵火箭式发射器发射，发射器上装有4节AA电池，通过扣动发射器上的扳机，给灭火弹延时控制电路供电，灭火弹延时控制电路通过检测环境信息，点燃灭火弹发动机的电点火头，发动机作用后灭火弹获得加速并迅速离膛，同时灭火弹延时控制电路开始计时延期，到达预定延期时间后电路输出点火能量给点火头，引燃中心爆药完成干粉抛洒。

2技术设计策略

由于单兵火箭筒的发射装药量固定，弹体发射后的初始速度固定，因此，远程森林灭火弹可采用固定延时控制策略，定时起爆。其作用方式为：采用电子延时电路，在灭火弹发射同时，电路开始计时延期，延期结束后输出电流给灭火弹起爆装置。

2.1硬件电路设计

电路主要由微控制器、升压电路、稳压电路、点火电路、检测电路等组成，如图1所示。

单片机是电路控制核心，控制系统工作流程。电路采用STM8L51F3单片机，点火电阻检测通断通过电阻R18和二极管Dll。点火电阻未烧断Test端口信号为低电平，电阻烧断Test端口信号为高电平，电路原理如图2所示。

整流桥电路由4个1N5819HW-7-F二极管组成，电阻R1、R5分压之后的信号用于单片机信号检测，用来判断电源是否断开，电路原理如图3所示。

二极管1N5819HW-7-F在100mA电流条件下最大正向压降为0.32V，则电流桥电路在100mA电流条件下最大正向压降为0.64V，则在6V电源条件下，输入到DC/DC电源芯片的有效电压最小为5.36V，选择DC/DC电源芯片时要求最低启动工作电压不能超过5.36V。

升压电路由电源芯片NCV3064DR2G和电容、电阻、电感等外围器件组成，最终输出电压为23.75V，电路原理如图4所示。

升压电路输出电压：

V20V=1.25×（18/1+1）=23.75V。

电源芯片NCV3064DR2G最低启动电压为3.0V，开关电流可以达到1.5A，具有可调输出电压范围，内置输出短路保护，适合电池供电的电源方案。

稳压电路用TPS71533DCKR芯片和电容、电阻、电感等外围器件组成，系统工作电压为3.3V，电路原理如图5所示。

TPS71533DCKR为固定3.3V输出的低压差线性稳压器，静态电流低至3.2uA，满足系统低功耗要求，特别适用于超低功耗的控制电路。

电容C8为整个控制电路工作提供能量，确保电路工作时长。

点火输出电路有两路，第一路用于点燃发动机，第二路用于点燃战斗部，电路原理如图6、7所示。如果按有效输出电压从18V降低到2V计算，点火电路输出能量为7.5mJ，满足使用要求。

Q=47×10^-6×（18²-2²）/2=7.5×10^-3J

电路的所有输入和输出接口均设计了防静电设计，提高了系统的安全性和可靠性。雪崩电压27v，峰值反向工作电压21V，反向浪涌电流615mA，電路原理如图8所示。

2.2控制软件设计

系统软件采用自顶向下的设计方法和模块化结构设计，不采用操作系统，直接在目标机上运行，采用C语言编写，使用IAR Embedded Workbench集成开发环境，采用ST-LINK编程调试接口，软件控制流程如图9、10所示。电路实物如图11所示。

3安全性设计

对于延时点火模块安全设计方面，在电路上进行了如下多重保险设计。

（1）电路上电后，检测电池供电电压及一级点火头短路状态是否正常。

（2）一级点火后，检测一级电点火头是否断开，同时检测电源供电是否断开，都断开后，才允许二级点火输出。

（3）软件程序设计采用单任务顺序执行结构，禁用软件中断，防止程序意外跳转，确保执行二级点火指令前必须经过0.8s以上的安全延时。

（4）为保证未爆处理的安全，设计了电容放电回路。

（5）在电路所有的输入和输出接口均设计了防静电设计、提高了系统的安全性和可靠性。

4试验验证

采用便携式单兵火箭筒，对远程森林灭火弹的功能性能指标进行了实弹射击试验。设计火箭箭弹出膛速度43.4m/s，控制电路在一级点火后延期时间2.3s，预计炸点为99.82m，通过高速摄影分析弹速和炸点距离，试验结果见表1。试验射击现场如图12所示。

5结语

森林防火具有突发性强、破坏性大、难以处置的特点，在森林火灾发生的源头及时对火种进行扑灭，是森林防火的有效措施。本文开发了一种基于微控制器的远程森林灭火弹控制电路，可用于单兵发射灭火器具。通过软硬件电路的设计，制定了详细的软件控制策略，确保电路控制逻辑的严密`性，以保证灭火弹的安全性。通过实弹射击试验，验证了电路工作的稳定性与安全性，为森林防火装备的实现提供了一种切实可行的工程方案。