李紅月 ，劉 鋒 ，顏事龍

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

電子雷管一般分為三種類型：(1)電起爆可編程的電子雷管，延期時(shí)間在爆破現(xiàn)場按爆破員要求設(shè)定，并在現(xiàn)場對(duì)整個(gè)爆破系統(tǒng)的起爆時(shí)序?qū)嵤┚幊蹋?2)電起爆非編程的電子雷管，在工廠預(yù)先設(shè)定固定延期時(shí)間；(3)非電起爆的非編程的電子雷管，可以用導(dǎo)爆管或低能導(dǎo)爆索等非電起爆器材引發(fā)電子延期體，繼而起爆其固定延期時(shí)間在工廠預(yù)先設(shè)定[1-2]，能夠方便地組成簡單、先進(jìn)的起爆網(wǎng)絡(luò)是電子延期雷管的一大優(yōu)點(diǎn)。本方案提供了一種可在線編程的電子延期雷管的設(shè)計(jì)方法。

1 電子延期雷管

電子延期雷管是一種可以任意設(shè)定并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)延期發(fā)火時(shí)間的新型電雷管,其本質(zhì)是采用一個(gè)微電子芯片取代普通電雷管中的化學(xué)延期藥與電點(diǎn)火元件，不僅大大地提高了延時(shí)精度，而且控制了通往引火頭的電源，從而最大限度地減少了因引火頭能量需求所引起的延時(shí)誤差。

本方案設(shè)計(jì)的可以在線編程的電子延期雷管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 控制電路硬件設(shè)計(jì)

電子延期雷管采用一個(gè)控制電路板取代普通電雷管中的化學(xué)延期藥劑，不僅大大提高了延期精度，降低了爆破震動(dòng)危害[1]，而且通過控制電路，提高了雷管的抗干擾能力。

本方案設(shè)計(jì)的控制電路板框圖如圖2所示。

控制電路芯片主要由AVR單片機(jī)組成的智能控制單元、整流電路、充電控制及充電電路、安全放電電路、檢測變換電路、發(fā)火控制電路、通信接口電路、電源管理電路等部分組成。通過通信網(wǎng)絡(luò)可以和起爆裝置進(jìn)行信息交流。如果通過接收起爆裝置發(fā)送過來的電子雷管的ID與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元本身的ID相同，則開始接收起爆裝置發(fā)送的充電命令、檢測命令、設(shè)置延時(shí)時(shí)間、點(diǎn)火命令等并根據(jù)命令字做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.1 AVR單片機(jī)特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)中要求智能控制單元能夠安全可靠地工作，在接收到控制命令后能快速做出正確反應(yīng)，同時(shí)要求內(nèi)部資源豐富（如要求片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器可選、上電自動(dòng)復(fù)位、串行通信接口、看門狗、ADC轉(zhuǎn)換等功能），這樣外圍電路就可以比較簡單，設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)將更加穩(wěn)定可靠[3-4]。在滿足上述條件的前提下，要求單片機(jī)價(jià)格低廉，控制電子雷管的價(jià)格[3]。只有這樣，才有可能將電子雷管真正大規(guī)模投入生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)選用的AVR單片機(jī)可以滿足上述要求，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，精簡指令集，執(zhí)行速度快，片內(nèi)集成有本設(shè)計(jì)要求的功能電路，內(nèi)部資源豐富，帶E2PROM、PWM、RTC、SPI、UART、TWI、ISP、AD、Analog Comparator 和WDT等，性價(jià)比高[4-5]。

2.2 控制電路功能實(shí)現(xiàn)

控制電路各個(gè)功能模塊功能的實(shí)現(xiàn)是接收到控制命令之后，智能控制單元通過檢測當(dāng)前狀態(tài)做出相應(yīng)反應(yīng)。例如要對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電：智能單元接收到充電控制命令后，在相應(yīng)的管腳輸出控制信號(hào)，使充電控制電路中的電子開關(guān)處在閉合狀態(tài)，充電電路向控制電路芯片外的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。充電時(shí)間到時(shí)，智能控制單元發(fā)控制信號(hào)，將充電控制電路中的電子開關(guān)打開。充電完成后，通過檢測變換電路將充電情況通過AVR的A口10位AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)據(jù)，再通過通信接口回送給控制管理層以便做出正確決策。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的電子延期雷管的軟件通信流程圖如圖3所示。

圖3 控制芯片軟件流程圖

4 安全性分析

本方案給出的可在線編程的電子延期雷管設(shè)計(jì)使用了多種安全性技術(shù)，如密碼技術(shù)、ID比較、系統(tǒng)檢測、控制電路板采用的抗干擾技術(shù)、安全放電電路的設(shè)置等[6-8]。因此安全性能高。

4.1 軟件采用的安全技術(shù)

起爆裝置先發(fā)送要選中的電子雷管的ID編碼，與固化在各個(gè)電子雷管中的ID編碼比較，相符后才能向該電子雷管發(fā)送各種控制命令，這樣的軟件設(shè)置增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性[6]?？刂破骺稍诰€檢測起爆網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)電子延期雷管的當(dāng)前工作狀態(tài)，如充電、延期時(shí)間的設(shè)置等要及時(shí)回送給起爆裝置以供在線監(jiān)測，若檢測沒有通過則需要排除故障。這些軟件采用的安全技術(shù)提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

4.2 控制電路采用的安全技術(shù)

在線可編程電子延期雷管的控制電路使用了良好的抵抗干擾技術(shù)。在電子雷管的控制電路中設(shè)計(jì)了安全放電回路，當(dāng)雷管接收到發(fā)火控制命令并經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)間后沒有發(fā)火，AVR單片機(jī)檢測到信號(hào)后，經(jīng)過一定的延時(shí)后向安全放電控制回路發(fā)控制信號(hào)，將充電后儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量通過安全放電電路消耗掉。消除了丟炮后續(xù)處理工作的危險(xiǎn)?？刂齐娐钒宀捎酶綦x電路，使得工程爆破網(wǎng)路系統(tǒng)中常見的靜電、雜散電流等干擾不能直接作用于雷管的點(diǎn)火元件，提高了電子雷管的本質(zhì)安全性[2，8]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)的電子延期雷管可編程延期范圍達(dá)到 0 ms～15 000 ms，編程增量為 1 ms間隔，雷管延期時(shí)間長且誤差小。安全可靠，延期精度高，操作使用方便，性價(jià)比高。總之，數(shù)碼雷管代表了工程爆破向數(shù)字化發(fā)展的一個(gè)方向，在振動(dòng)控制要求嚴(yán)格、起爆段間時(shí)差要求精確、起爆時(shí)問長等復(fù)雜環(huán)境下的工程爆破中有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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