王書豪，周明安，任才清，田云密

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院， 湖南長沙 410072)

0 引言

在爆破工程中，因各種原因未能按設(shè)計(jì)起爆的藥包或部分裝藥叫盲炮。若盲炮未能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)或處理不當(dāng)，潛在危險(xiǎn)極大。處理盲炮首先要檢測盲炮。國內(nèi)已有相關(guān)方面的研究，如提出利用信號(hào)的能量突變來識(shí)別盲炮。由于爆破振動(dòng)信號(hào)受地質(zhì)、地形、裝藥量等多種復(fù)雜因素影響，使該方法的準(zhǔn)確性大大降低，因而沒有得到推廣。目前的檢測手段還是憑經(jīng)驗(yàn)觀察，由于爆破后地形地貌變化很大，觀察結(jié)果不精確，急需一種科學(xué)可靠的檢測手段。

1 盲炮識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能及整體工作流程

高速攝影資料表明，在硬巖露天深孔爆破中，當(dāng)?shù)妆P抵抗線小于10 m時(shí)，從起爆臺(tái)階坡面出現(xiàn)裂縫，歷時(shí)約10～25 ms;臺(tái)階頂部鼓起，歷時(shí)約80～150 ms;此后，高溫高壓氣體逸出，鼓包破裂巖塊拋出。由此提出一種采集方案:用單片機(jī)對(duì)探針通斷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果通過無線模塊實(shí)時(shí)送出。主控端根據(jù)起爆器的輸出信號(hào)決定是否接收無線通道上的數(shù)據(jù)。接收原則為:當(dāng)起爆器放電時(shí)開始計(jì)時(shí)，對(duì)瞬發(fā)爆破的炮孔，設(shè)定采集時(shí)間段為0～50 ms，對(duì)延期起爆的炮孔，采集時(shí)刻設(shè)定見表1。

在采集時(shí)間段內(nèi)如探針信號(hào)出現(xiàn)躍變，則不再對(duì)該探針的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。超出采集時(shí)間段無信號(hào)躍變則認(rèn)為產(chǎn)生盲炮。采集結(jié)束后將數(shù)據(jù)送給主機(jī)分析處理，結(jié)果通過顯示器顯示。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能有效避免炮孔間相互干擾對(duì)結(jié)果帶來的不利影響，保證了采集結(jié)果可靠。

表1 信號(hào)采集時(shí)段

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

以一次檢測8個(gè)炮孔為例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。本系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)端采集、無線通信通道、主控端3大部分組成。其中遠(yuǎn)端采集主要實(shí)現(xiàn)8路開關(guān)量信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并將采集結(jié)果送無線傳輸通道。主控端則根據(jù)外部起爆器的放電信號(hào)決定何時(shí)開始接收無線通道上的遠(yuǎn)端采集狀態(tài)，主控端的人機(jī)交互主要由4個(gè)按鍵及LCD顯示器組成，通過按鍵設(shè)置各通道的采集延遲時(shí)間，確定采集的開始及結(jié)束時(shí)間，顯示器采用的LCD1602，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)端采集電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的P0口用作開關(guān)量采集端口，P0口作為通用IO口使用，外加5.1K上接電阻，探針分別接到P0.0～P0.7IO口上，對(duì)應(yīng) CH1～CH8探測通道。當(dāng)探針處于斷開狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的IO口通過上位電阻為高電平，當(dāng)探針處理接通狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的IO口通過探針接到地，為低電平。單片機(jī)與CC1100無線模塊通過SPI接口通信，將采集到的P0口狀態(tài)實(shí)時(shí)送入無線模塊。

2.2 主控端電路設(shè)計(jì)

因起爆器輸出電壓較高，為確保單片機(jī)系統(tǒng)的安全，對(duì)發(fā)電機(jī)信號(hào)采取光耦隔離，防止損壞單片機(jī)或?qū)纹瑱C(jī)正常工作造成干擾。在光耦前端處理電路中，采用大電阻分壓，二極管穩(wěn)壓，再加限流電阻方式，確保流過光耦前端的電流在安全范圍內(nèi)，不至于電流過大而損壞光耦。發(fā)電機(jī)檢測信號(hào)隔離后直接送到單片機(jī)的外部中斷0接口，通過中斷及時(shí)響應(yīng)該信號(hào)，確保采集時(shí)間控制實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。

2.3 單片機(jī)與CC1100模塊連接電路設(shè)計(jì)

無線檢測系統(tǒng)CC1100射頻模塊和單片機(jī)STC89C52的連接電路的原理是單片機(jī)STC89C52通過SPI總線配置CC1100內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。CC1100射頻模塊的SPI總線包括4個(gè)引腳:CSN(SPI使能)、SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主入從出)和MOSI(主出從入)。

CC1100射頻模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的SPI硬件接口，對(duì)于不帶SPI串行總線接口的單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬 SPI的操作。單片機(jī) STC89C52與CC1100射頻模塊的對(duì)應(yīng)接法是:P1.6接MISO，P1.5 口接 MOSI，Pl.7 口接 SCK，P1.3 接 CSN。選用單片機(jī)的P1.5模擬數(shù)據(jù)輸出端MOSI;Pl.6模擬數(shù)據(jù)輸入端MISO，P1.7模擬SCK的輸出端;P1.3模擬從機(jī)選擇端CSN，由程序清零此I/O口，使得與它通信的射頻模塊CC1100作從機(jī)。

為了減少電路板噪聲對(duì)無線射頻通信的干擾，模塊中無線射頻電路部分做成單獨(dú)的電路板，在主電路板上留出插槽，無線電路板插在插槽上與主電路板微處理器通信，這樣既減少了電路干擾對(duì)無線通信的影響，又方便了在CC1100射頻模塊發(fā)生故障時(shí)更換新的模塊。

2.4 遠(yuǎn)端采集軟件設(shè)計(jì)

首先初始IO口及SPI接口，檢測無線通信模塊，并對(duì)CC1100相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，配置完成后，發(fā)出一組測試數(shù)據(jù)，測試無線通信模塊工作是否正常。然后循環(huán)采集P0口高低電平狀態(tài)，并將采集到的信息通過SPI總線傳給CC1100無線模塊，將此信息發(fā)出。采集程序如圖2所示。

圖2 采集程序

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

設(shè)計(jì)不同的起爆網(wǎng)絡(luò)，主要檢驗(yàn)以下幾個(gè)功能:樣機(jī)所有通道的有效性;發(fā)射模塊與接收模塊的接收距離是否滿足實(shí)際要求;齊發(fā)爆破的情況下，檢測結(jié)果是否可靠;微差爆破的情況下，是否能夠克服炮孔間相互干擾，檢測結(jié)果是否可靠。為了檢驗(yàn)樣機(jī)的可靠性，2013年3月23日進(jìn)行了實(shí)爆作業(yè)。

(1)齊發(fā)爆破。8個(gè)通道的參數(shù)均設(shè)為0～50 ms。第一次驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)一)采用電雷管瞬發(fā)起爆1，3，5，7號(hào)通道對(duì)應(yīng)的裝藥，其余通道對(duì)應(yīng)的裝藥則不接雷管。第二次驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)二)則采用電雷管瞬發(fā)起爆，2，4，6，8號(hào)通道對(duì)應(yīng)的裝藥，其余通道對(duì)應(yīng)的裝藥則不接雷管。

(2)延期爆破。前5個(gè)通道參數(shù)分別設(shè)為50(± 15 ms)、110(± 20 ms)、200(± 25 ms)、310(±35 ms)、460(± 45 ms)，分別對(duì)應(yīng)毫秒 3、5、7、9、11段導(dǎo)爆管雷管起爆，前5個(gè)通道對(duì)應(yīng)的裝藥。第一次驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)三)時(shí)，用毫秒3、7、11段導(dǎo)爆管雷管起爆，1、3、5號(hào)通道對(duì)應(yīng)的裝藥，其余通道對(duì)應(yīng)裝藥不接雷管。第二次驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)四)時(shí)，用毫秒5、9段導(dǎo)爆管雷管起爆，2、4號(hào)通道對(duì)應(yīng)的裝藥，其余通道對(duì)應(yīng)裝藥不接雷管。

試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，所有通道均可有效工作，驗(yàn)證了系統(tǒng)在齊發(fā)爆破中檢測盲炮結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四則驗(yàn)證了系統(tǒng)在微差爆破中檢測盲炮結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

提出了一種以ST89C52單片機(jī)為控制核心的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)開發(fā)過程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)盲炮的遠(yuǎn)程檢測，樣機(jī)經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，檢測結(jié)果可靠。該方案具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低功耗、低成本、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

［1］GB 6722－2003.爆破安全規(guī)程［S］.2004.

［2］汪旭光，于亞倫，劉殿中.爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］王民壽，王惠民.一起大型硐室爆破盲炮處理事故原因分析及處理方案［J］.四川水力發(fā)電，2002，21(1):33-34.

［4］姜志海.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［5］郁有文，等.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

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