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)

雷管是一種爆破工程的主要起爆器材，它的作用是引爆各種炸藥及導(dǎo)爆索、傳爆管，按點(diǎn)火方式的不同可分為火雷管和電雷管。自2008年6月以后，在中國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)停止生產(chǎn)、銷(xiāo)售和使用火雷管，積極推廣電雷管等安全性好的起爆器材。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)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點(diǎn)火頭的電源，從而最大限度地減少了因點(diǎn)火頭能量需求所引起的延時(shí)誤差。電子延期雷管分為3種類(lèi)型：第1種是非電起爆非編程的電子雷管，該電子雷管用導(dǎo)爆管或低能導(dǎo)爆索等非電起爆器材起爆在工廠(chǎng)預(yù)先設(shè)定好延期時(shí)間的電子延期體[1-2]；第2種是電起爆非編程、在工廠(chǎng)預(yù)先設(shè)定好延期時(shí)間的電子雷管；第3種是電起爆可編程的電子延期雷管，延期時(shí)間在爆破現(xiàn)場(chǎng)按爆破員要求設(shè)定，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整個(gè)爆破系統(tǒng)起爆時(shí)序?qū)嵤┚幊?，該電子延期雷管能夠方便地組成簡(jiǎn)單、先進(jìn)的起爆網(wǎng)絡(luò)，延期精度高，使用安全可靠。本方案提供了一種基于 AVR單片機(jī)的電子延期雷管的設(shè)計(jì)。

1 雷管的結(jié)構(gòu)

本方案設(shè)計(jì)的基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電子延期雷管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the electronic delay detonator

2 控制電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路設(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延期藥，大大提高了雷管的延期精度，通過(guò)合理設(shè)定起爆網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)雷管的延期時(shí)間能大大降低爆破震動(dòng)的危害[1]，而且通過(guò)控制電路的硬件設(shè)計(jì)，提高了電雷管的抗干擾能力。

本方案設(shè)計(jì)的控制電路框圖如圖2所示。

圖2 電子雷管控制電路板框圖Fig.2 Diagram of electronic detonator control circuit board

智能控制電路主要由以下8部分組成：AVR單片機(jī)組成的智能控制單元、電源管理電路、充電控制及充電電路、整流電路、通信接口電路、安全放電電路、檢測(cè)變換電路、發(fā)火控制電路。電子延期雷管通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)可以和起爆裝置進(jìn)行信息交流，接收起爆裝置發(fā)送的控制命令并根據(jù)命令做出相應(yīng)的反應(yīng)。如果接收起爆裝置發(fā)送過(guò)來(lái)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(kāi)始接收起爆裝置發(fā)送的充電命令、檢測(cè)命令、設(shè)置延時(shí)時(shí)間、點(diǎn)火命令等，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.2 AVR單片機(jī)特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)中要求智能控制單元能安全可靠地工作，如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，如要求上電自動(dòng)復(fù)位、串行通信接口、片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器可選、ADC轉(zhuǎn)換等功能，這樣外圍電路比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行將更加穩(wěn)定可靠[3-4]。在滿(mǎn)足上述條件的同時(shí)，要求單片機(jī)的價(jià)格低廉，以控制電子雷管的價(jià)格[3]。這樣，才有可能設(shè)計(jì)出性?xún)r(jià)比比較高的電子延期雷管，并能將該電子延期雷管投入大規(guī)模生產(chǎn)，以應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)中選用的AVR單片機(jī)可以滿(mǎn)足以上要求，該單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)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，自帶 RTC，E2PROM，UART，PWM， SPI，ISP，AD，Analog Comparator等，性?xún)r(jià)比高[4-5]。

2.3 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)是通過(guò)接收起爆裝置相應(yīng)的控制命令，之后智能控制單元通過(guò)各功能模塊做出相應(yīng)的反應(yīng)。如要對(duì)某電子延期雷管進(jìn)行點(diǎn)火：該電子延期雷管的智能控制單元接收到點(diǎn)火控制命令后，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后在智能控制單元相應(yīng)的管腳輸出控制信號(hào)，使點(diǎn)火控制電路中的電子開(kāi)關(guān)處在閉合狀態(tài)，控制電路芯片外的儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量通過(guò)橋絲向點(diǎn)火藥頭釋放能量，達(dá)到起爆該電子延期雷管的目的。

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如圖3所示。

4 安全性分析

在基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管設(shè)計(jì)中，使用了多種安全技術(shù)。如ID比較、密碼技術(shù)、控制電路板采用的抗干擾技術(shù)、系統(tǒng)檢測(cè)、安全放電電路的設(shè)置等[6-8]。因此，安全性能高。

圖3 控制芯片軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the communication software

4.1 軟件采用的安全技術(shù)

起爆裝置首先以廣播的形式向各個(gè)電子延期雷管發(fā)送ID編碼，各個(gè)電子延期雷管將接收到的ID編碼與固化在本身的ID編碼比較，相符后，表明起爆裝置選中該雷管，接著才能向該電子延期雷管發(fā)送各種控制命令；起爆裝置可在線(xiàn)檢測(cè)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)，如充電情況、延期時(shí)間的設(shè)置等要及時(shí)回送給起爆裝置，以供起爆裝置對(duì)各個(gè)電子延期雷管實(shí)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，若檢測(cè)沒(méi)有通過(guò)則需要排除故障；同時(shí)起爆裝置設(shè)有管理人員門(mén)禁，只有被授權(quán)的人員才能對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制，這些軟件技術(shù)提高了電子延期雷管使用的安全可靠性[6]。

4.2 硬件控制電路采用的安全技術(shù)

基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管的控制電路使用了良好的抵抗干擾技術(shù)?？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(jiàn)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，提高了電子延期雷管的本質(zhì)安全性[2，8]。同時(shí)，在電子雷管的硬件控制電路中設(shè)計(jì)了安全放電回路，當(dāng)電子延期雷管接收到發(fā)火控制命令并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)間t后而沒(méi)有發(fā)火，AVR單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)后，在經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后向安全放電控制回路發(fā)出控制信號(hào)，將儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量通過(guò)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)。

5 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了4組經(jīng)過(guò)檢測(cè)的電子雷管起爆測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同組別組成起爆網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of different groups detonator network

試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)的電子延期雷管的可編程延期范圍達(dá)到0～12 000ms，編程增量可以根據(jù)工程需要在線(xiàn)設(shè)定，雷管延期時(shí)間長(zhǎng)且誤差小。總之，電子延期雷管代表了工程爆破向數(shù)字化發(fā)展的一個(gè)方向，值得在振動(dòng)控制要求嚴(yán)格、起爆段間時(shí)差要求精確、起爆時(shí)間長(zhǎng)[8]等環(huán)境下的工程爆破中推廣使用。

[1]高銘,李勇,滕威.電子雷管及其起爆系統(tǒng)評(píng)述[J].煤礦爆破,2006(3):23-26.

[2]Douglas A.Bartley,等.電子雷管技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步應(yīng)用[J].國(guó)際爆破與破碎,2003(7):93-96.

[3]王苗苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]丁化成,耿德根,李君凱.AVR 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[5]韓志軍.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[6]張鳳登.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[7]聶煜,莫元玲,陳輝俊.RS-485總線(xiàn)在新型電子雷管組網(wǎng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械,2006(5):39-41.

[8]顏景龍.銥缽起爆系統(tǒng)的安全性分析與試驗(yàn)[J].工程爆破,2008,14 (2):70-72.