新型環(huán)保電子鞭炮

王繼成,何志苠,蔡靜怡,朱健

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，上海201620）

0 引言

鞭炮起源至今有1000 多年的歷史。在沒有火藥和紙張時，古代人便用火燒竹子，使之爆裂發(fā)聲，以驅(qū)逐瘟神。這是民俗傳說，但卻反映了古代中國人民渴求安泰的美好愿望。鞭炮說法上各個歷史時期不同，稱謂從爆竹、爆竿、炮仗一直到鞭炮。在現(xiàn)代，華人在傳統(tǒng)節(jié)日、婚禮喜慶、各類慶典、廟會活動等場合幾乎都會燃放鞭炮，特別是在春節(jié)期間，鞭炮的使用量超過全年用量的一半。但是，隨著社會的發(fā)展，大量的燃放傳統(tǒng)煙花爆竹會有以下幾種問題：

（1）制作鞭炮過程危險。

（2）鞭炮的運(yùn)輸、銷售、存放，直至鳴放鞭炮，都是高度危險的。

（3）造成空氣污染、噪音污染和火災(zāi)隱患，影響人體健康、市容環(huán)境和市區(qū)形象，危害公共安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

（4）釋放大量的二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、一氧化碳等眾多有害氣體和各種金屬氧化物的粉塵。其中，二氧化硫、二氧化氮更是刺激性和腐蝕性極強(qiáng)的酸性氧化物。

現(xiàn)在各級有關(guān)部門也都在提倡減少煙花爆竹的燃放，但是因?yàn)闆]有有效的途徑解決燃放鞭炮帶來的環(huán)境問題，部分私自生產(chǎn)的鞭炮也仍在市面流通，以至于這個問題一直在持續(xù)加重。

1 設(shè)計(jì)思路

燃放煙花炮竹產(chǎn)生許多環(huán)境問題，而燃放鞭炮又是我們的習(xí)俗，現(xiàn)有的電子鞭炮也存在較多的缺陷，所以我們想要用自己現(xiàn)有的知識和技能為我們設(shè)計(jì)并制造出一種，既能消除環(huán)境污染問題以及燃放的安全問題，又能不丟掉傳統(tǒng)的文化習(xí)俗的新型電子鞭炮。讓燃放鞭炮在帶給我們節(jié)日愉悅氛圍的同時，不影響我們的生活環(huán)境。

新型電子鞭炮具有的特點(diǎn)：

（1）同樣產(chǎn)生光、聲等現(xiàn)象，但不會有氣體污染。

（2）制造、鳴放及運(yùn)輸過程無安全隱患。

（3）低制造成本，改善了現(xiàn)有電子鞭炮煙霧現(xiàn)象差等的缺陷。

2 系統(tǒng)組成

電子鞭炮電路主要由四部分組成：

（1）電源采用18650 直供電，帶有總開關(guān)和點(diǎn)動按鍵。開關(guān)負(fù)責(zé)總電源的接通與斷開。

（2）高壓發(fā)生電路模擬鞭炮聲音

高壓發(fā)生電路采用單管自激升壓電路，將3.7V 升壓到15kV 左右給高壓電容充電，當(dāng)電壓超過1015kV即可擊穿空氣形成放電。R1、D1 構(gòu)成基極分壓式偏置電路，使Q1 集電極線圈產(chǎn)生的信號通過變壓器反饋給基極線圈，產(chǎn)生自激振蕩，從而使次級線圈得到數(shù)倍的電壓。高壓擊穿空氣形成刺耳的聲音，從而模擬出鞭炮爆炸的聲音效果。

圖1

（3）聲控閃光電路模擬鞭炮爆炸火花

聲控閃光電路中Q2、Q3 組成兩級直接耦合放大電路，R1 給電容話筒MIC 提供偏置電流，C4 作用：耦合電容，隔直流，決定下限頻率。選取合適的R3、R4，當(dāng)外界無聲音變化Q2 處于臨界飽和狀態(tài)，而以使Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，三只LED 中無電流流過而不發(fā)光。當(dāng)MIC 撿取聲波信號后，就有音頻信號注入Q2 的基極，其信號的變化使Q2 退出飽和狀態(tài)，Q2 的集電極電壓上升。Q3 導(dǎo)通，LED 點(diǎn)亮發(fā)光，當(dāng)輸入音頻信號較弱時，不足以使Q2 退出飽和狀態(tài)，LED 仍保持熄滅狀態(tài)，只有較強(qiáng)信號輸入時，二極管才點(diǎn)亮發(fā)光，所以二極管能隨著環(huán)境聲音信號的強(qiáng)弱起伏而閃爍發(fā)光。由此可以模擬出隨著爆炸聲發(fā)光的效果。

圖2

（4）水霧化電路模擬鞭炮爆炸煙霧

經(jīng)過震蕩電路把直流電變成高頻交流電加到超聲波霧化頭上(即陶瓷振蕩器)，陶瓷振蕩器有個特點(diǎn)，給它施加外力使其變形就會輸出相應(yīng)的電壓和電流，反之給它施加交變電壓就會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即震動。這樣陶瓷振蕩器在高頻電壓的帶動下產(chǎn)生超聲震蕩，使水霧化，從而模仿鞭炮爆炸時的煙霧效果。

霧化片是一種陶瓷材料制作而成，可以通過高頻震蕩，將水珠打散成水霧的一種特殊物體。

圖3

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由一個電源給三個模塊同時供電，并用一個開關(guān)來實(shí)現(xiàn)總控制，使得三部分電路同時工作，產(chǎn)生效果，從而更逼真的模仿出鞭炮爆炸的效果。同時電源采用18650 直供電，方便移動到戶外而不外接電源供電，充電后可持續(xù)循環(huán)利用。

圖4

4 結(jié)語

針對燃放鞭炮帶來的各種不良影響和安全隱患，新型環(huán)保電子鞭炮日趨成為新的營造節(jié)日氛圍的替代品，我們通過將傳統(tǒng)鞭炮的光、聲、霧化效果分別用電子電路模擬，從而設(shè)計(jì)出新型的環(huán)保電子鞭炮，避免了空氣污染，也使得制作和使用更加安全可靠。

綜上所述，新型環(huán)保電子鞭炮是一款成本低、零空氣污染、效果逼真的新型環(huán)保電子鞭炮，具有很好的應(yīng)用前景。