一種低頻聲波滅火器的電路與軟件設計

王文露，李丹美，趙海森，邢鵬程

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

一種低頻聲波滅火器的電路與軟件設計

王文露，李丹美，趙海森，邢鵬程

(東華大學 信息科學與技術學院，上海201620)

在社會生活中，火災是威脅公共安全、危害人們生命財產的主要災害之一。傳統的內置化學物品滅火器會對周圍環境造成二次污染。文中設計了一種通過低頻聲波與空氣的共同作用進行滅火的低頻聲波滅火器，該設計基于STM32產生低頻信號，通過功率放大器放大成電流信號，驅動揚聲器發出低頻聲波，再通過特殊的聲腔將低頻聲波進行定向聚集，對準火源進行滅火。實驗結果表明，該滅火器的設計無需其他滅火介質，能在多種特殊場合下利用低頻聲波能量滅火，不會對周圍環境和失火物品造成二次破壞，滅火速度快。

聲波滅火器；聲腔；低頻；功率放大器

0 引言

隨著社會經濟建設的發展，火災的發生率呈上升趨勢，火災的危害呈嚴重化趨勢，是威脅人們公眾安全和社會發展的主要災害之一。隨著人類社會的迅速發展和人們安全意識的提高，滅火器已成為許多場合的必備設施，但隨著用戶規模的擴大，火勢種類的增多，傳統滅火器在應用中遇到了難以解決的問題。傳統滅火器會對周圍環境造成二次污染，不利于環保，且不同種類的滅火器內裝填的成分不一樣，專為不同的火警而設，錯誤使用時反而產生反效果及引起危險。消防所要面臨的各種滅火場景對滅火方式的需求遠遠超過現有的方法[1]。為解決上述問題，設計了一種新型低頻聲波滅火器，包括電源、波形發生器、功率放大器、揚聲器和聲腔。實驗結果表明，聲波滅火器無需其他滅火介質，可以撲滅汽油、酒精、布料、紙張等引起的火災，可在多種特殊場合使用，能預防二次傷害等意外情況的發生。

1 總體結構設計

人們通常把頻率在200 Hz以下的聲波歸為低頻聲波，頻率高于6 000 Hz的聲波歸為高頻聲波。本設計完成一個低頻聲波滅火器，其工作頻率為35 Hz～80 Hz[2]。組成包括電源、波形發生器、功率放大器、揚聲器及聲腔[3]。如圖1所示，電源用于為整個滅火器系統提供電力，波形發生器用于產生低頻聲波模擬電信號，功率放大器將信號進行放大，產生大電流的低頻聲波電信號，驅動揚聲器，將低頻聲波模擬電信號轉換為聲波進行播放，在揚聲器的發生端，安裝特制的聲腔，使揚聲器發出的聲波進行定向聚集，利用低頻聲波進行滅火。本設計介紹波形發生器、功率放大器的軟硬件實現及揚聲器的選型。

圖1 低頻聲波滅火器設計方案圖

2 硬件設計

滅火器電路采用STM32作為開發平臺。STM32單片機具有豐富的內部資源，性能高、成本低、功耗低，其中的數模轉換器(DAC)、模數轉換器(ADC)可以不用外接其他外設只需連接電位器即可實現頻率調節而產生波形。本設計采用STM32F103VET6單片機進行開發設計[4-5]。

2.1波形發生器

本設計通過產生35 Hz～80 Hz的低頻波來實現聲波滅火，通過電位器調節波形的頻率，幅度為2 V。

本設計使用STM32F103VET6開發板中的微處理器(MCU)作為波形發生器，產生低頻波形，如圖2所示。使用到的開發板資源有DAC、ADC、直接存儲器存取模塊(DMA)和標準定時器(TIM)[5]。如圖2(a)所示，將DAC模塊配置TIM2為觸發源，按照一定的頻率讀取波形數據，觸發DAC通道，啟動數據傳輸轉換的操作，數據經過數模轉換通過DAC端口(PA4)輸出相應的波形信號，待一個周期的波形數據傳輸完畢后，就形成了一個周期波形，循環可產生連續波形。如圖2(b)所示，通過改變電位器阻值改變電壓，從ADC端口(PC1)采集電壓信號，通過ADC轉成數字信號給CPU進行處理，通過改變電壓來改變頻率，以實現頻率調節功能。

圖2 頻率可調波形產生示意圖

本設計采用DMA進行數據傳輸， DMA用來提供外設與存儲器之間或者存儲器與存儲器之間的高速數據傳輸。STM32F103VET6共有兩個DMA控制器，12個通道(DMA1有7個通道，DMA2有5個通道)，每個通道專門用來管理來自于一個或多個外設對存儲器訪問的請求。使用DMA時，系統的整體性能會因內核的釋放而提升。此時，數據直接通過DMA從存儲器傳輸到DAC，或者從ADC傳到存儲器，無需CPU執行任何操作。這樣節省的CPU資源可供其他操作使用。

STM32F103的通用定時器(TIM)是通過可編程預分頻器(PSC)驅動的16位自動裝載計數器(CNT)構成的。

MCU與外擴設備連線如圖3所示。Y1為外部晶振8 MHz，提供準確的時鐘頻率，與電容組成晶振電路；S1為復位按鍵，與R2、C3組成復位電路；R1為1 kΩ的電位器，調節電壓頻率； PA4引腳輸出波形，連接到下一級功率放大器。

圖3 MCU與外設連線圖

2.2揚聲器選型

滅火器的工作頻率為35 Hz～80 Hz。本設計選擇揚聲器的頻率響應為35 Hz～1 kHz，覆蓋了35 Hz～80 Hz，其阻抗4 Ω，額定功率60 W，超重低音揚聲器，滿足了發出低頻聲波的需求。揚聲器直徑5.5英寸，磁鋼大小100磁(10 cm)，大小適宜。揚聲器如圖4所示。

圖4 超重低音揚聲器

2.3功率放大器

考慮本設計中因選用了額定功率 60 W 的超重低音揚聲器，因此采用在額定工作電壓下最大可達 68 W連續不失真平均功率的LM3886芯片作為功率放大電路，驅動揚聲器。

LM3886是美國NS公司推出的IC音頻功率放大器系列中的佼佼者。它配置少量的外圍電子元件便可制作成一種功率放大器，采用11腳TO-220封裝，具有比較完善的過壓過流過熱保護功能，此外它具有自動抗開關機時的電流沖擊的功能，使揚聲器能夠避免在功放電源開啟時受到電流沖擊造成損傷的問題[6]。

功放電路如圖5所示。

圖5 功放電路圖

本設計采用的LM3886TF其背板與內電極是絕緣的，所以外加散熱板時不必考慮絕緣問題。LM3886引腳功能如下：1腳是正電源端；2腳是空腳(NC)；3腳是信號放大后的輸出端；4腳是負電源端；5腳是空腳NC(內部獨立，但在150 W的LM3886中，該腳應接至+VCC)；6腳是空腳NC；7腳是地(GND)端；8腳是靜噪(MUTE)端；9腳是信號的反相輸入端；10腳是信號的同相輸入端；11腳是空腳NC。

本設計中選用揚聲器負載阻抗為4 Ω，LM3886在負載阻抗4 Ω、VCC=±28 V情況下，輸出功率68 W。總諧波失真+噪聲(THD+N)在20 Hz～20 kHz時是0.1%。在此條件下，進行功率放大器電路設計。

C5、R4組成靜音電路，當8腳開路或者0 V時，進入靜音模式；當pin8大于0.5 mV時，關閉靜音模式。通過靜音電路，可以實現開/關機靜音的效果，完全避免了開關機時沖擊電流對揚聲器的有害沖擊，甚至省去揚聲器保護電路。靜音電容C5為打開和關閉靜音模式創建一個時間常數，C5越大，時間常數越大。R4根據負電源電壓選擇：

(1)

其中I8≥0.5 mA。

R3、L1為輸出電感和輸出電阻并聯組成，起隔離喇叭反向電動勢作用，防止關機時喇叭的感應電動勢對芯片造成損壞，在高頻下提供高阻抗，使得R3可以去耦高容性負載，在低頻下提供低阻抗以短路R3并將音頻信號傳遞到負載。此處用 1.5 mm 漆包線繞15～20圈，成直徑6 mm左右電感，中間穿一個10 Ω的電阻。

R5、R7兩個電阻決定了電路的交流增益，即放大倍數，LM3886在增益為10或更大的情況下穩定，C7為反饋電容，確保直流處的單位增益。

(2)

C4為補償電容，減少高頻時的增益(放大器的帶寬)，以避免輸出晶體管的準飽和振蕩，對聲音的中高頻段影響比較大，數據手冊建議的參數值為220 pF。

LM3886功放芯片工作時芯片溫度會升高，需要散熱保護。在芯片上涂上硅脂，緊貼散熱片，幫助芯片降溫，持續保護電路。

本設計采用雙面走線，信號輸入部分遠離輸出部分，地線部分采用一點接地，接地回路應盡可能小。通常對于快速、高電流電路，由于不正確的接地會產生各種問題，可以通過將所有接地單獨返回到公共點來避免。在進行PCB板布線時，電源去耦電容和C4補償電容盡可能靠近LM3886，以減少PCB走線電阻和電感的影響。輸入部分加入高通濾波電路，濾除高頻干擾。電源和地加寬走線，并留有大電流淌錫線，保護電路。

3 軟件設計

本設計介紹低頻正弦波的軟件設計方法。通過外部中斷PA0可實現正弦波與方波的切換。

STM32F103VET6中， DAC是12位數字輸入，電壓輸出的數字/模擬轉換器。本設計采用DAC通道得到正弦波波形，DAC通道輸出模擬電壓大小由DOR寄存器的數值決定，在STM32F103VET6中，參考電壓VREF+與VDD相接，VREF+=3.3 V，VREF-與VSS相接，VREF-=0 V，DAC通過引腳輸入參考電壓VREF以獲得更精確的轉換結果。根據公式：

(3)

其中，為了保證輸出波形的質量，這里采用 200 個取樣點為一個周期的正弦波表，組成數組Sine2Vbit[Idx]，對波形進行填充，低電平填充數值0輸出為0 V，峰值電平填充數值2 481輸出為2 V。200個采樣點為一個周期循環輸出，PA4輸出峰峰值為2 V的方波。

12位ADC是一種逐次逼近型模擬數字轉換器。ADC輸入范圍：VREF-≤VIN≤VREF+。本設計中通過電位器，改變輸入引腳PC1的電壓值來調節VIN大小，轉換數據被儲存在16位的ADC_DR寄存器中，根據式(4)，模擬電壓轉換為數字信號：

(4)

通過改變電位器，改變ADC_DR的數值，從而調整TIM2的頻率。TIM2觸發 DAC，同時也觸發 DMA來更新波形,改變波形頻率[7]。

軟件設計流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程圖

PA0設置為外部中斷，下降沿觸發，本設計中，設置一個標志位exitStatus，當檢測到按鍵按下，觸發中斷，中斷處理程序中對exitStatus取反，當exitStatus=1時，填充方波，當exitStatus=0時，填充正弦波，實現波形的切換，每次檢測到中斷后清除中斷標志位，等待下一次的中斷。中斷流程如圖7所示。

圖7 中斷流程圖

PA4引腳通過示波器檢測到波形如圖8所示。

圖8 示波器檢測波形

通過示波器可看到頻率為50 Hz、峰峰值為2 V的正弦波，波形頻率可調。

4 測試結果

主要的實驗設備是低頻聲波滅火器。功率放大器的供電電源電壓為±26 V，信號波形為峰峰值2 V的方波。揚聲器前端安裝了長度為45 cm 的聲腔，聲腔前面設計了一個直徑為10 cm的圓形小孔。使用30 Hz～150 Hz的低頻聲波進行滅火試驗。

低頻聲波滅火器對酒精火焰進行滅火時，酒精火焰經過3～5 s的強烈波動后，火焰瞬間熄滅；對報紙火焰進行滅火時，由于低頻聲波產生了風力使得報紙火焰在鐵盆里隨報紙飛舞，一開始呈更加旺盛的形態，但經過數十秒的劇烈波動之后，火焰瞬間熄滅。火焰熄滅時，均留有大量可燃物，即排除了可燃物燃盡而導致滅火的因素。因此實驗驗證了聲波滅火器的可用性，對不同性質的火焰有著理想的滅火效果。且在40 Hz～80 Hz頻段滅火效果最好，證明了低頻聲波滅火器對滅火效果的作用。

5 結論

本文介紹的低頻聲波滅火器不會對周圍環境造成二次傷害，能在多種特殊場合下利用聲波能量滅火，高效安全。在理論研究的基礎上，多次試驗，驗證了其可行性。此外STM32單片機具有出色的低功耗特性，LM3886輸出功率大，失真度小，工作穩定可靠。整個設計性能高，成本低，具有廣闊的發展前景。

[1] 康鴻翔.我國常用滅火器類型[J].勞動保護,2002(11):51.

[2] 李忠東.對付森林大火的飛碟[J].湖南安全與防災,2016(8):46-47.

[3] 路昊,官洪運.一種低頻聲波滅火器：中國，CN105903137A[P].2016-08-31.

[4] 郭鵬,曲波.基于STM32的自適應智能精密電源的設計[J].微型機與應用,2013，32(9):81-84.

[5] 劉火良,楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社,2013.

[6] 王攀峰.基于LM3886功放應用電路分析[J].中國新通信,2013(14):63.

[7] 張志成.基于STM32單片機的函數信號發生器[J].自動化與儀器儀表,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，趙海森，等.一種低頻聲波滅火器的電路與軟件設計J.微型機與應用，2017,36(21)：70-73.

2017-04-09)

王文露(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統開發。E-mail:13361993570@163.com。

李丹美(1962-)，女，博士，副教授，主要研究方向：電磁兼容。

趙海森(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向:嵌入式軟件開發。