陳 靜，王翠華，黃珊珊，劉 杰，戚文革

（1.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 威海 264209）

國(guó)家對(duì)爆炸物的管理加強(qiáng)后，各相關(guān)高校、高職院校的爆破實(shí)訓(xùn)［1］進(jìn)入全面停課的狀態(tài)，同時(shí)相關(guān)爆破工崗前培訓(xùn)的實(shí)操也無(wú)法進(jìn)行。因此開發(fā)一種能夠仿真模擬電力起爆系統(tǒng)工作流程和操作流程的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，成為一項(xiàng)非常必要的研究?jī)?nèi)容［2］。

1 電力起爆系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)裝置概述

電力起爆系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)裝置能夠模擬電雷管起爆網(wǎng)路的起爆過(guò)程和操作過(guò)程，即通過(guò)起爆器和導(dǎo)線引爆電雷管，然后引爆炸藥的全過(guò)程［3］。該實(shí)訓(xùn)裝置具有設(shè)備反復(fù)使用、實(shí)驗(yàn)安全、模擬工作流程全面的特點(diǎn)。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：（1）表征不同延時(shí)時(shí)間的仿真電雷管的設(shè)計(jì)；（2）仿真炸藥卷的設(shè)計(jì)；（3）仿真電起爆器的設(shè)計(jì)。圖1是實(shí)際電力起爆網(wǎng)路示意圖。在圖1中，起爆器的主要功能是發(fā)出起爆信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線傳遞給雷管和炸藥卷；一個(gè)雷管和一個(gè)炸藥卷連接在一起構(gòu)成一個(gè)起爆單位。

電力起爆系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)裝置要做到以下幾點(diǎn)：（1）幾十個(gè)仿真雷管可以任意串并聯(lián)，不會(huì)影響起爆效果；（2）仿真雷管種類很多，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的延時(shí)起爆；（3）仿真起爆器工作過(guò)程逼真，但是無(wú)高壓；（4）仿真炸藥卷上有聲光模擬爆炸現(xiàn)象；（5）可以做起爆前的查通測(cè)試［4］。

具體起爆過(guò)程：仿真起爆器經(jīng)過(guò)充電過(guò)程后發(fā)出起爆信號(hào)，不同的仿真雷管接收起爆信號(hào)后經(jīng)不同的延時(shí)，觸發(fā)炸藥卷中的高亮度發(fā)光二極管亮起和音箱播放爆炸聲錄音。模擬系統(tǒng)中不同時(shí)間順序爆炸的聲光效果使整個(gè)效果很震撼。

圖1 電力起爆系統(tǒng)示意圖

2 電力起爆系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)以電雷管編碼設(shè)置電路、仿真炸藥卷電路和起爆器電路為例討論其設(shè)計(jì)方法。

2.1 仿真雷管編碼設(shè)計(jì)

本裝置中電雷管并不真正爆炸，它只需提供一個(gè)可以識(shí)別的編碼給炸藥卷，代表不同的延時(shí)時(shí)間，同時(shí)能夠把起爆信號(hào)傳遞給炸藥卷即可。

仿真電雷管的編碼是由放置在電雷管里的磁片確定的。在每個(gè)仿真電雷管里確定了多個(gè)放置磁片的位置。以3個(gè)位置為例，3個(gè)位置分別定為位0、位1、位2，按照每個(gè)位置的磁片情況，對(duì)仿真電雷管進(jìn)行編碼，來(lái)區(qū)分仿真電雷管的不同（如表1所示）。

表1 仿真電雷管延時(shí)編碼真值表

電雷管里只給出不同的編碼值，具體的延時(shí)起爆時(shí)間由炸藥卷編程來(lái)決定。仿真電雷管中還有兩根導(dǎo)線穿過(guò)，當(dāng)它插入炸藥卷時(shí)，能夠把啟動(dòng)信號(hào)傳入炸藥卷。

2.2 仿真炸藥卷電路設(shè)計(jì)

仿真炸藥卷電路是仿真電雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的核心，它由第一級(jí)接收起爆信號(hào)電路、第二級(jí)單片機(jī)延時(shí)起爆電路、第三級(jí)識(shí)別仿真雷管編碼電路組成［4］，如圖2所示。

圖2 仿真炸藥卷電路圖

第一級(jí)電路選用了MAX741芯片。它是美國(guó)美信公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器芯片。MAX741［5］工作原理如圖3所示。被測(cè)電流Isense從RS＋（或RS－）引腳進(jìn)入，從RS－（或RS＋）引腳流出，只經(jīng)過(guò)38mΩ的精密傳感電阻Rsense，從而不影響外電路。輸出信號(hào)從8腳輸出一個(gè)與輸入電流成比例的電流信號(hào)Iout，二者的比值為

如果輸出端OUT接20kΩ電阻R1（見圖2），起爆電流作為被測(cè)電流Isense，從RS＋經(jīng)Rsense流向RS－，則有

圖3 MAX741功能框圖

其中：Uout為實(shí)際輸出電壓，Isense為啟動(dòng)電流，Rsense為精密傳感電阻，R1為外接輸出電阻，Iout為輸出電流。

根據(jù)電力起爆法，起爆前要做查通檢測(cè)和電阻平衡檢測(cè)。檢測(cè)電流不大于0.03A，啟動(dòng)電路必須能夠避過(guò)這個(gè)測(cè)試電流不發(fā)啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)正常啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流很大，這里為了安全起見，電流取0.1A左右，則R1兩端的電壓是1V左右，測(cè)試時(shí)R1兩端的電壓是0.3V以下，電壓比較器LM393［7］參比端電壓設(shè)置為0.7V，因此LM393輸出電壓只有在啟動(dòng)信號(hào)來(lái)了之后才是低電平，這樣就能夠很好區(qū)分查通功能和啟動(dòng)功能［5］。

第二級(jí)電路的核心是單片機(jī)STC15F104E。其特點(diǎn)是無(wú)需外接晶振和外接復(fù)位電路，體積小，工作可靠［8］。6個(gè)I／O口的分配為（見圖2）：

（1）P3.5（3腳）接從LM393輸出的啟動(dòng)信號(hào)，有啟動(dòng)信號(hào)時(shí)是低電平，否則是高電平。

（2）P3.0、P3.1、P3.2（5、6、7腳）3個(gè)I／O口接霍爾元件，用來(lái)識(shí)別雷管的編碼號(hào)，決定炸藥卷的爆炸延時(shí)時(shí)間。

（3）P3.3（8腳）是控制聲音信號(hào)，由三極管T1驅(qū)動(dòng)繼電器，接通音箱的播音開關(guān)，自動(dòng)播出事先準(zhǔn)備好的爆炸聲。

（4）P3.4（1腳）是光顯示控制信號(hào)，它通過(guò)T2驅(qū)動(dòng)串聯(lián)接在12V的電源上的多個(gè)高亮度的發(fā)光二極管。這些發(fā)光二極管均勻分布在炸藥卷的外側(cè)，突然閃亮?xí)r非常耀眼。

P3.3、P3.4會(huì)同時(shí)接通，以達(dá)到震撼的效果。

第三級(jí)電路由6個(gè)A144霍爾檢測(cè)元件（H1—H6）組成。它們的安放位置和雷管的位2、位1、位0對(duì)應(yīng)，能夠檢測(cè)到雷管中的磁片的有無(wú)。如：位2上有磁片，對(duì)應(yīng)的霍爾元件上就是低電平，反之就是高電平［9］。為了提高可靠性，每個(gè)位置上接2個(gè)霍爾元件，這2個(gè)霍爾元件采用線與的方式連接［6］，只要其中一個(gè)霍爾元件檢測(cè)到磁片，總的信號(hào)就被拉到低電平，保證不漏報(bào)。只有2個(gè)霍爾元件都沒(méi)有檢測(cè)到磁片，霍爾元件才會(huì)輸出高電平［10－11］。三組霍爾元件讀出的準(zhǔn)確的雷管信號(hào)被送入單片機(jī)STC15F104E。

仿真炸藥卷工作時(shí)，首先單片機(jī)檢測(cè)雷管上的延時(shí)編碼后等待啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)后，炸藥卷根據(jù)雷管編碼延時(shí)發(fā)光發(fā)聲，模擬炸藥爆炸。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 仿真炸藥卷的程序流程圖

2.3 仿真起爆器的電路設(shè)計(jì)

仿真起爆器的功能有：模擬真實(shí)電容式起爆器的充放電效果，能發(fā)出起爆信號(hào)，能測(cè)試系統(tǒng)接線通不通［3］。

仿真起爆器中使用STC12C5A60S2［12］單片機(jī)，電路如圖5所示。圖5中S1是查通和充電開關(guān)，LED3是接通指示燈，LED2是充電電壓指示燈，氖燈指示燈是LED1，蜂鳴器模擬充電的振蕩聲音，S2是啟動(dòng)按鈕和查通按鈕。當(dāng)S2打向右側(cè)，單片機(jī)沒(méi)電，進(jìn)行查通，查通燈亮，表示線路通，可以起爆。此時(shí)可以把S2打向左側(cè)，起爆電路開始工作。

起爆電路由＋5V電源，負(fù)極接一個(gè)100Ω／1W電阻構(gòu)成。仿真起爆器的發(fā)起爆信號(hào)程序流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)起爆器、40個(gè)雷管和40個(gè)炸藥卷按照多種串并聯(lián)方式，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理，程序運(yùn)行可靠；能夠?qū)崿F(xiàn)操作過(guò)程仿真和爆炸過(guò)程仿真；缺點(diǎn)是不能模擬爆破對(duì)象的爆后形態(tài)，今后可以朝這個(gè)方向繼續(xù)努力。

圖5 仿真起爆器電路

圖6 仿真起爆器的發(fā)起爆信號(hào)程序流程圖

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