一种移动遥控自摆消防炮控制模块 【技术领域】
本发明属于消防灭火设备技术领域，具体涉及一种移动遥控自摆消防炮控制模块。
背景技术
移动式消防炮在国内得到了广泛应用，但大多为手动操作，在易燃易爆等人员无法靠近的场所使用时存在一定安全隐患。而移动遥控消防炮可以减轻火场上消防员的操作强度，同时解决人员无法接近火场进行灭火的问题。因此可遥控操作的移动式消防炮在国内外迅速普及应用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种移动遥控自摆消防炮控制模块。
本发明在传统移动消防炮基础上添加控制电路系统，使移动消防炮具有手动控制功能和遥控功能。在实施灭火时，消防员可以撤离到安全地方进行远距离操作，控制自摆消防炮喷射角度、喷射范围、水流形态及自摆功能。
本发明是将智能化微控制系统与机械系统有机结合，进行全面、综合设计，集电控、手控于一体，实现了远距离遥控、现场手动两种操作方式，进行程控灭火动作，且具有自动打开泄水阀门释放余水功能，防止因天气寒冷残留水结冰造成消防炮的损坏。
本发明提出的移动遥控自摆消防炮控制模块，由MCU控制单元1、控制通信单元2、高速脉冲量采集单元3、开关量输入输出单元4、电机驱动控制单元5和电机单元6组成，其中：
MCU控制单元1由MSP430芯片11、系统复位电路12、电源模块13、晶振Y114、晶振Y215和预留扩展接口16组成；MSP430芯片11通过其I/O接口的RST/NMI脚连接系统复位电路12，通过AVCC、AVSS和DVCC脚连接电源模块13，通过XT2IN和XT2OUT脚连接晶振Y114，通过XIN和XOUT/TCLK脚连接晶振Y215，通过I/O接口的P2口连接预留扩展接口16；
控制通信单元2由手动控制单元21和无线遥控单元22组成，其中手动控制单元21由RS232接口电路211、RS485/422电路212和第一电平转换电路213组成；MSP430芯片11通过I/O接口P3.3～P3.7脚连接手动控制单元21，MSP430芯片11通过I/O接口的P6口连接无线遥控单元22，第一电平转换电路213与RS485/422电路212连接，为其提供3.3V工作电压。
高速脉冲量采集单元3由旋转编码器X31、旋转编码器Y32、光电隔离电路33、AD采样电路34和第二电平转换电路35组成；MSP430芯片11通过I/O接口的P1.0、P1.1、P1.3和P4.7脚连接高速脉冲量采集单元3；旋转编码器X31、旋转编码器Y32分别通过光电隔离电路33与AD采样电路34连接；第二电平转换电路35直接与AD采样电路34连接，为其提供5V工作电压。
开关量输入输出单元4由开关量输入电路41和开关量输出电路42组成，开关量输入电路41由上限位开关411、下限位开关412、左限位开关413、右限位开关414和输入光电隔离电路415组成；开关量输出电路42由输出光电隔离电路421和驱动电路422组成；MSP430芯片11通过I/O接口的P5口与开关量输入电路41连接，MSP430芯片11通过I/O接口的P3.0、P3.1和P3.2与开关量输出电路4连接；上限位开关411、下限位开关412、左限位开关413和右限位开关414分别通过光电隔离电路415与控制逻辑电路54连接。
电机驱动控制单元5由H桥功率驱动电路X51、H桥功率驱动电路Y52、驱动光电隔离电路53和控制逻辑电路54组成，MSP430芯片11通过I/O接口P1.2/TB1和P4.1/TA1与电机驱动控制单元5连接；控制逻辑电路54通过驱动光电隔离电路53分别与H桥功率驱动电路X51、H桥功率驱动电路Y52连接，这两个H桥功率驱动电路分别与电机单元6连接。
电机单元6由电机X61、电机Y62和电机Z63组成，相互之间为独立关系；电机驱动控制单元5连接电机单元6，实现电机运动方向、电机运动驱动电流和消防炮射流状态转换。
本发明中，MSP430芯片11根据预先编写的控制程序，通过其提供的多个8位I/O输入输出接口，对开关量输入输出单元4和电机驱动控制单元5进行控制，最终驱动电机单元6产生期望运动。
本发明中，控制通信单元2为MSP430芯片11提供控制指令，可以通过手动控制单元21中的RS232接口211外接RS232类手动控制盒，消防员可以通过RS232类手动控制盒进行手动命令输入，但受RS232接口性能限制，控制距离较短。也可以通过手动控制单元21中的RS485/422电路212外接RS485/422类手动控制盒，消防员可以通过RS485/4222类手动控制盒进行手动命令输入，控制距离可达1000米以上。
本发明中，MSP430芯片11通过其P2口与预留扩展接口16连接，为方便系统升级或添加新功能利用MSP430芯片11的P2口进行预留设计，P2.0～P2.7作为移动遥控自摆消防炮控制模块的预留扩展接口16。
本发明中，MSP430芯片11通过其I/O接口P3.3～P3.7与手动控制单元21连接，控制系统完成自检操作后，MSP430芯片11使能其I/O接口P3.3～P3.7与系统手动控制单元21通信，等待接收系统命令。
本发明中，MSP430芯片11通过其I/O接口P6.0～P6.7与无线遥控单元22连接，控制系统完成自检操作后，MSP430芯片11使能其I/O接口P6.0～P6.7与系统无线遥控单元22通信，等待接收系统命令。
本发明中，高速脉冲量采集单元中，MSP430芯片11通过其I/O接口P1.0、P1.1以及P1.3和P4.7与高速脉冲量采集单元3连接，采集旋转编码器X31、旋转编码器Y32的脉冲数量，由MCU控制单元计算出消防炮转动角度，精确控制消防炮运动。
本发明中，MSP430芯片11通过其I/O接口P5.0～P5.7与开关量输入电路41连接，为MCU控制单元提供限位开关信息，计算消防炮初始化零位位置及限制消防炮最大摆幅。
本发明中，MSP430芯片11通过其I/O接口P3.0～P3.2与开关量输出电路42连接，为系统输出外部开关量控制电平。
本发明中，MSP430芯片11通过其I/O接口P1.2和P4.1与电机驱动控制单元5连接，对电机驱动控制单元5进行控制，使电机单元6中电机X61和电机Y62产生期望运动以及电机Z63进行直流喷雾状态转换。
本发明为移动式消防炮提供了手动控制功能和遥控功能，使移动式消防炮可以应用在易燃、易爆、易坍塌及有毒等危险场所，为消防工作中处置急、难、险、重灭火救援任务提供了强有力的保障。在实施灭火时，消防员可以撤离到安全地方进行远距离遥控操作，通过调整俯仰角控制消防炮喷射角度；通过调整水平回转角控制消防炮喷射范围；通过直流喷雾转换控制消防炮射流型式；可以选择自摆功能和不同的自摆角度，使消防炮在一定水平回转角度内以多种摆幅自摆；通过自动打开消防炮泄水阀门释放余水，防止因残留水结冰造成对消防炮的损坏。
【附图说明】
图1是本发明系统示意图
图2是本发明的结构示意图。
图中标号：1为MCU控制单元，2为控制通信单元，3为高速脉冲量采集单元，4为开关量输入输出单元，5为电机驱动控制单元，6为电机单元，11为MSP430芯片，12为系统复位电路，13为电源模块，14为晶振Y1，15为晶振Y2，16为预留扩展接口，21为手动控制单元，22为无线遥控单元，211为RS232接口电路，212为RS485/422电路，213为第一电平转换电路，31为旋转编码器X，32为旋转编码器Y，33为采样光电隔离电路，34为AD采样电路，35为第二电平转换电路，41为开关量输入电路，42为开关量输出电路，411为上限位开关，412为下限位开关，413为左限位开关，414为右限位开关，415为输入光电隔离电路，421为输出光电隔离电路，422为驱动电路，51为H桥功率驱动电路X，52为H桥功率驱动电路Y，53为功率光合隔离电路，54为控制逻辑电路，61为电机X，62为电机Y，63为电机Z。
【具体实施方式】
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
本发明系统特征是MSP430芯片11采用MSP430F149芯片，为美国TI公司精简指令集16位MCU芯片，具有超低功耗、强处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块等特点。电源模块13主要由ASM1117-3.3电路芯片构成，系统上电后，电源模块13为MSP430芯片11提供3.3伏工作电压。晶振Y114为MSP430芯片11提供8MHZ高速时钟信号，晶振Y215为MSP430芯片11提供32768HZ低速时钟信号。晶振Y114、晶振Y215作为MSP430芯片11两个外部振荡器产生的时钟信号都可经过分频后用作系统主时钟。为了防止MSP430芯片11芯片在工作中出现异常状态，可以通过系统复位电路12对MSP430芯片11芯片进行复位操作。预留扩展接口16为方便控制系统升级或添加新功能是利用MSP430芯片11的P2口进行预留设计。
上电后，控制系统进行自检，MSP430芯片11控制消防炮向左水平转动，同时读取左限位开关413的状态，当消防炮达到左边最大位置时，左限位开关413闭合，MSP430芯片11控制消防炮停止运动，并且开始向右边最大位置转动，同时开始读取右限位开关414的状态，当消防炮到达右边最大位置时，右限位开关414闭合消防炮停止转动。垂直方向消防炮的初始化过程同水平方向的工作过程一致。考虑大部分自摆消防炮没有机械零位，上电后初始位置不预知，为此，采用磁性限位开关解决起始零位问题。限位开关是通过判断磁通量大小，消防炮转动距离限位开关接收端较小范围内时磁通量超过一定阈值后，限位开关输出5V电压开关量，为保护MSP430芯片11受到外部高电压损害，添加了主要由TPL521-4构成的采样光电隔离电路33。为提高消防炮零位精度，采用双限位开关的方法进行设置起始零位，分别在四个极限点安装限位开关，如垂直方向上添加上限位开关411和下限位开关412。消防炮上电后开始自检，分别在上下左右四个方向上慢速运动。两个旋转编码器输出的5伏电压信号经过第二电平转换电路35变成3.3伏电压信号后，AD采样电路34对水平方向上的旋转编码器X31及垂直方向上的旋转编码器Y32进行采集计数，计算消防炮四个方向上的行程大小，在水平方向上求消防炮运动行程和左右行程相加，再求平均值，就可以解决误差。水平方向上的误差是极性相反的包括空行程，相加时可以相互抵消。同理垂直方向也可以进行差分降噪。
控制系统完成自检操作后，MSP430芯片11使能其I/O接口P3.3～P3.7及P6.0～P6.7，打开系统手动控制单元21和无线遥控单元22，等待接收系统命令。手动控制单元21可采用多种接口介入，如通过RS232接口电路211或RS485/422电路212。RS232接口电路211主要由ADM3202构成，RS485/422电路212主要由6N137和MAX490构成，第一电平转换电路213主要由QS3245构成。多种接口介入方式方便不同的消防需求设计，RS232接口电路211控制距离较小，仅为数米。RS485/422电路212控制距离较大，可达数千米。其中第一电平转换电路213作为接口总线驱动器，把3.3V的电压标准转化为5V的电压标准。无线遥控单元22具有8位地址识别码和4位数据指令码，使遥控器和消防炮一一对应，防止在大型灾难现场，多台消防炮遥控指令出现碰撞问题。
一旦消防员通过遥控或手动控制发出不同的动作命令，MSP430芯片11即进入相应的程序控制分支。
如果控制系统通过手动控制单元21或无线遥控单元22接收到消防炮喷射命令后，MSP430芯片11通过控制开关量输出电路42产生开关量电压信号，同时为了有效地抑制系统噪声，消除开关量输出电路42接地回路的干扰，添加了主要由TPL521-4构成的输出光电隔离电路421。开关量电压信号通过主要由1N4148和Q9013构成的驱动电路422驱动后，打开喷射阀门。自摆消防炮喷射后，消防员可以选择消防炮喷射水流形态，即选择直流和喷雾两种工作模式。
如果控制系统通过手动控制单元21或无线遥控单元22接收到消防炮运动类命令后，MSP430芯片11通过开关量输出电路42向电机驱动控制单元5提供开关量逻辑信号，用于控制电机X61和电机Y62转动方向、启动和制动以及控制电机Z63进行消防炮射流型式转换。MSP430芯片11通过其I/O接口的P1.2和P4.1对电机驱动控制单元5进行控制，使电机单元6中电机X61和电机Y62产生期望运动以及电机Z63进行消防炮直流喷雾状态转换。
如果消防员发出自摆喷射命令并选择三档摆幅其一，MSP430芯片11根据该指令进入自摆分支程序，使能其PWM控制器，利用数字输出对模拟电路进行控制。控制逻辑电路54产生的控制信号，经采用TPL521-4设计的驱动光电隔离电路53送入H桥功率驱动电路X51放大后驱动电机X61步进转动，电机X61使自摆消防炮产生水平运动。电机X61运动使旋转编码器X31发出脉冲信号，MSP430芯片11中的自摆子程序根据产生脉冲信号总数，结合提前测定的自摆消防炮蜗轮蜗杆比值，即可计算出消防炮水平运动角度，最终使自摆消防炮在100°水平回转的有效角度内分别实现40°、60°以及80°摆幅的往复性自摆。
如果消防员操作自摆消防炮进行定点灭火，就需要对自摆消防炮在两个运动方向上进行调整，可逐次通过电机X61和电机Y62进行微调工作。在消防员人为调整消防炮喷射角度过程中，如果超过预先设定的极限位置，即限位开关产生5伏开关量时，控制系统通过无线遥控单元22将发出报警信息并及时禁止消防炮继续沿该方向运动，起到保护自摆消防炮机械部分的功能。
如果消防员发送自摆消防炮速度控制命令，MSP430芯片11产生PWM脉冲宽度调制调制波，并且对H桥功率驱动电路51和H桥功率驱动电路52进行功率调整。当MSP430芯片11产生的PWM调制波占空比较大时，消防炮转动的速度比较快，占空比为100％时，消防炮以最大的速度转动。当MSP430芯片11产生的PWM占空比较小时，消防炮的转动速度比较慢，占空比为0％时，消防炮停止转动。MSP430芯片11内部程序提供三种占空比电压波形，即可以选择三种自摆消防炮运动速度。
如果消防员发出操作结束命令后，MSP430芯片11通过开关量输出电路42打开自摆消防炮泄水阀门释放机械部分中的残留水，经过程序设定时间后关闭自摆消防炮泄水阀门，防止因残留水造成结冰对自摆消防炮的损坏。
如果消防员发出消防炮射流状态转换命令，MSP430芯片11控制电机驱动控制单元5产生电机Z63驱动电流，从而实现消防炮直流喷雾状态转换功能。
在控制消防炮转动的过程中，由于消防炮的惯性比较大，如果以一个恒定地速度转动消防炮至指定位置的时候，开始制动，由于较大的惯性势必会产生“过冲”，造成定点灭火的偏差，因此在MSP430芯片11程序中，添加了一个加速-匀速-减速的运动控制子程序。在加速阶段，消防炮以一个加速度进行加速，加速到消防炮转动的最大速度时，消防炮开始进行匀速转动，当距离制定的位置一定角度时，电机要以一个负加速度进行减速，当消防炮转动到制定位置时，消防炮的转动速度刚好减为0。
由于自摆消防炮大多应用在较为恶劣的消防灭火救援环境中，为防止控制系统受到电磁干扰，系统对于各接口电路部分均采用了光耦隔离器件，模拟电路和数字电路部分均进行了地隔离，电路控制系统机壳采用全金属外壳并进行了良好的接地处理，增强了系统的抗干扰能力。