摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有發(fā)爆器的密封性能差、延時(shí)精度不高等缺陷，采用低功耗MSP430單片機(jī)技術(shù)、磁力開(kāi)關(guān)電路、恒流源電阻測(cè)量電路，設(shè)計(jì)了一種新型電雷管發(fā)爆器。該發(fā)爆器具有密封性能好、延時(shí)精確、整機(jī)電路簡(jiǎn)單和測(cè)雷管電阻等功能。產(chǎn)品的起爆能力為100發(fā)電雷管，最高充電電壓為1 350 V，放電時(shí)間可精確控制在（3.9±0.1） ms，滿足煤礦安全爆破使用的要求。

關(guān)鍵詞： MSP430F1232； 電雷管； 發(fā)爆器； 電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0133?04

0 引 言

目前，我國(guó)煤礦生產(chǎn)建設(shè)的機(jī)械化程度不斷提高，但是由于生產(chǎn)工藝、設(shè)計(jì)要求、地質(zhì)條件等方面的原因，作為傳統(tǒng)的作業(yè)方法，爆破在當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍是煤礦生產(chǎn)建設(shè)的重要手段之一。煤礦采掘爆破施工一般采用普通的電雷管起爆系統(tǒng)，電雷管發(fā)爆器則是不可缺少的起爆器具。傳統(tǒng)的煤礦用發(fā)爆器多為電容式發(fā)爆器的系列產(chǎn)品。這類(lèi)發(fā)爆器在實(shí)際使用中存在一些缺陷，大致可歸納為：

（1） 均使用機(jī)械鑰匙開(kāi)關(guān)作為充放電的開(kāi)關(guān)，密封性能差。礦井下的環(huán)境潮濕，水分會(huì)進(jìn)入發(fā)爆器內(nèi)影響發(fā)爆器的性能和使用壽命；

（2） 發(fā)爆器的機(jī)械鑰匙開(kāi)關(guān)同時(shí)又作為放炮時(shí)的充電延時(shí)開(kāi)關(guān)，延時(shí)時(shí)間不準(zhǔn)確；

（3） 都不能滿足國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》2004 版第三百三十六條規(guī)定：“每次爆破作業(yè)前，爆破工必須做電爆網(wǎng)路全電阻檢查”對(duì)礦用發(fā)爆器要求。

為了滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要，研制了一種基于MSP430F1232電雷管發(fā)爆器。利用單片機(jī)控制磁力開(kāi)關(guān)，磁棒作為充放電鑰匙實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸啟動(dòng)發(fā)爆器，是提高發(fā)爆器密封性能的關(guān)鍵。單片機(jī)通過(guò)端口驅(qū)動(dòng)顯示器，實(shí)現(xiàn)發(fā)爆器的顯示功能。用32 kHz晶振和定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)精確的放炮延時(shí)時(shí)間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以MSP430F1232單片機(jī)控制為核心，主要由電源電路、測(cè)雷管電阻電路、充電電路、放電電路、顯示輸出電路等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。單片機(jī)控制充電/放電電路、數(shù)顯輸出，檢測(cè)外接雷管電阻、電池電壓等，此外單片機(jī)通過(guò)軟件控制電容充電時(shí)間不大于20 s并控制電容放電時(shí)間不大于4 ms。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇、端口功能設(shè)置

MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內(nèi)組合了不同的功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需求。MSP430 系列的CPU 采用16位的RISC結(jié)構(gòu)，集成的16個(gè)通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器，大大提高了代碼執(zhí)行效率[1]。MSP430F1232片內(nèi)集成8 KB程序存儲(chǔ)器和256 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、16位定時(shí)器等模塊。該系列單片機(jī)以其極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊及方便高效的開(kāi)發(fā)方式等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、實(shí)用監(jiān)測(cè)儀器和電機(jī)控制等領(lǐng)域。電雷管發(fā)爆器使用MSP430F1232單片機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)的端口功能設(shè)置如圖2所示。P3.0～P3.7作為段驅(qū)動(dòng)，P1.0～P1.3作為位驅(qū)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)4位LED數(shù)碼管顯示有關(guān)信息。P2.0和P2.1用于把負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，P2.2用于把充電電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，P2.3用于把電池電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，P2.4控制放炮輸出，P1.5控制給儲(chǔ)能電容充電，P1.6用于判斷干簧管是否被釋放，P1.7用于控制繼電器的吸合與釋放。P2.5的作用是當(dāng)干簧管被釋放時(shí)（VDD電壓將消失），輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制N2繼續(xù)導(dǎo)通，保證整個(gè)電路電源不中斷。

圖2 單片機(jī)外圍電路及其端口設(shè)置

2.2 電源電路及磁力開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 電源電路

電源電路的設(shè)計(jì)首先要考慮在能確保滿足整個(gè)電路供電的基礎(chǔ)上盡可能減少電池的用量，使整機(jī)的體積盡量小，重量輕，便于在礦井中攜帶。根據(jù)MSP430F1232 單片機(jī)特點(diǎn)，本機(jī)選用6 節(jié)容量為1 800 mA·h的5號(hào)充電電池作為直流電源供電，直接供給V1（LM317）和充電電路供電。當(dāng)電源開(kāi)關(guān)接通時(shí)，VEE通過(guò)發(fā)射極到集電極得到電壓VDD。VDD通過(guò)Y1（LM317）得到3 V直流電源給單片機(jī)供電。VDD通過(guò)LM7805（V2）得到5 V直流電源給運(yùn)算放大器U3供電。為減小電源噪聲，給各個(gè)電源均加上濾波電容，一般取10 μF和0.1 μF的大小電容組合[2]。電源電路如圖3所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在電池充滿電后，本發(fā)爆器能正常放炮60 次以上，能滿足電源供電要求。

圖3 電源電路及磁力開(kāi)關(guān)電路

2.2.2 磁力開(kāi)關(guān)電路

采用磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了接近式專(zhuān)用鑰匙開(kāi)關(guān)。在發(fā)爆器電路板上安裝一個(gè)干簧管，在發(fā)爆器外殼上設(shè)置觸發(fā)孔，當(dāng)磁性專(zhuān)用鑰匙插入觸發(fā)孔時(shí)，干簧管吸合，發(fā)爆器電路開(kāi)始在單片機(jī)的控制下工作。據(jù)資料介紹所選干簧管的觸點(diǎn)容量是符合要求的，所以最初設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)電路的電源直接由干簧管提供。但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有電流流過(guò)干簧管時(shí)，較大的電流形成的磁場(chǎng)使干簧管不能釋放，所以另加了三極管放大電路，干簧管只給三極管的基極提供很小的電流，應(yīng)用效果很好。

2.3 電雷管電阻檢測(cè)

恒流源測(cè)電阻電路由恒流源電路和運(yùn)算放大電路組成。如圖4所示，恒流源輸出電流的大小決定檢測(cè)過(guò)程的安全性。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到儀器出現(xiàn)故障時(shí)，輸出的電流仍在安全范圍內(nèi)。電路出現(xiàn)最危險(xiǎn)的故障是三端穩(wěn)壓器V1短路，LED燈也短路，即VEE（6節(jié)5號(hào)充電電池的最高電壓8.5 V）直接接到V1的2腳，外接電阻短路，計(jì)算雷管端的電流輸出為IMAX：

[IMAX=UMAXR總=8.5R7+R41+R11+Rx]

式中：R7=10 Ω，R41=510 Ω，R11=620 Ω，RX =6.2 Ω為單發(fā)電雷管電阻。由此可以得出IMAX <8 mA，測(cè)量電雷管電阻電流[3]不大于30 mA，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 儲(chǔ)能電容充電電路和放電電路

儲(chǔ)能電容的充電電路主要由變壓器、儲(chǔ)能電容及其周邊元件組成。為了保證發(fā)爆器輸出沖能能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)儲(chǔ)能電容的選擇是很重要的。初始計(jì)算設(shè)計(jì)選擇的儲(chǔ)能電容是由3個(gè)47 μF的電容串聯(lián)組成，等效電容是15.7 μF。經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)、試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓充到1 350 V時(shí)其沖能有時(shí)達(dá)不到12 A2·ms，為了保證可靠的輸出能量，重新選擇3個(gè)68 μF的電容串聯(lián)組成儲(chǔ)能電容，試驗(yàn)證明效果很好。

圖4 測(cè)雷管電阻電路

2.4.1 儲(chǔ)能電容的充電電路

儲(chǔ)能電容充電電路由單片機(jī)控制通過(guò)充電信號(hào)CDKZ來(lái)控制給儲(chǔ)能電容充電，電阻R2限制充電電流，二極管D1，D2，D9進(jìn)行半波整流給儲(chǔ)能電容充電。儲(chǔ)能電容的充電電壓檢測(cè)電路是由電阻R8、電阻R9和電容C5組成的。根據(jù)電阻分壓原理來(lái)檢測(cè)儲(chǔ)能電容的實(shí)時(shí)充電電壓。R8電阻分的電壓信號(hào)輸送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果小于儲(chǔ)能電容充電電壓要求值時(shí)，儲(chǔ)能電容繼續(xù)充電，當(dāng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果大于等于儲(chǔ)能電容充電電壓要求

值時(shí)，單片機(jī)控制CDKZ信號(hào)停止給儲(chǔ)能電容充電，電容充電完成。當(dāng)充電完成后，由CDDY1的跟蹤比較信號(hào)輸送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制FPKZ輸出高電平，繼電器J1吸合，做好放電準(zhǔn)備。

2.4.2 儲(chǔ)能電容的放電電路

儲(chǔ)能電容放電過(guò)程也是發(fā)爆器放炮的過(guò)程。儲(chǔ)能電容在放電時(shí)要在爆破網(wǎng)路中輸出高電壓和高電流來(lái)引爆電雷管。本部分電路由單片機(jī)控制的大功率場(chǎng)效應(yīng)管及其周邊元件組成。本電路的重點(diǎn)是大功率管的選型。通過(guò)理論分析和多次試驗(yàn)最后確定選用G40N150D大功率管能夠滿足本發(fā)爆器的輸出電流和電壓的需求。放電電路的電子開(kāi)關(guān)是由2個(gè)IGBT（T2，T3）串聯(lián)組成的，提高放電電路的安全系數(shù)。當(dāng)LGTD信號(hào)為高電平時(shí)，光電耦合器G1，G2導(dǎo)通，T2的門(mén)極加電壓SC1，T3的門(mén)極加電壓SC2，T2、T3同時(shí)導(dǎo)通，通過(guò)二極管D10和D11輸出能量給負(fù)載。D10和D11的型號(hào)是1N5408，反向耐壓不小于1 000 V，2個(gè)串聯(lián)可達(dá)到反向耐壓不小于2 000 V。與T2、T3并聯(lián)的2個(gè)電阻R14和R22是為了使T2、T3承受均衡的電壓。

儲(chǔ)能電容的充放電電路如圖5所示。當(dāng)電源電路斷開(kāi)后，KZFP信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，大功率管T1，T2導(dǎo)通，放電完成。導(dǎo)通時(shí)間由單片機(jī)來(lái)控制大功率管的門(mén)極實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)通時(shí)間不大于4 ms。

2.5 保護(hù)電路

為了保護(hù)大功率管的正常工作，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)在它的控制端采用了光電耦合器G1，G2把高壓與電壓隔離開(kāi)保護(hù)的方式，防止大功率管的控制極產(chǎn)生高電壓而擊穿。另外，在軟件上也應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止大功率管非正常原因擊穿損壞，提高發(fā)爆器的使用壽命。

圖5 儲(chǔ)能電容的充放電電路

2.6 數(shù)字顯示電路

數(shù)碼顯示電路用于顯示電雷管的電阻值、儲(chǔ)能電容的實(shí)時(shí)電壓值、發(fā)爆器的正常狀態(tài)信息以及錯(cuò)誤信息，使操作人員更加簡(jiǎn)單明了地了解發(fā)爆器的狀況。顯示器使用共陰極LED顯示，型號(hào)是SM420364，控制簡(jiǎn)單。4位8段LED共陰極顯示器電路見(jiàn)圖6。

3 電路的工作過(guò)程

電源電路開(kāi)關(guān)閉合，N2導(dǎo)通，VDD電壓建立，通過(guò)三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器LM317產(chǎn)生3 V電壓供給單片機(jī)，單片機(jī)開(kāi)始工作。

圖6 數(shù)碼顯示電路圖

單片機(jī)首先檢測(cè)負(fù)載電阻，如果負(fù)載電阻大于640 Ω或沒(méi)有接負(fù)載電阻，單片機(jī)輸出提示信息：d640，并不對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電；如果負(fù)載電阻小于4 Ω，單片機(jī)輸出提示信息：d003，也不對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電；如果負(fù)載電阻符合要求（3 Ω

4 測(cè)試結(jié)果

使用FCC?3發(fā)爆器參數(shù)測(cè)試儀對(duì)發(fā)爆器的充電電壓、輸出沖能和放電時(shí)間的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，當(dāng)發(fā)爆器的負(fù)載電阻為620 Ω時(shí)，其輸出沖能大于8.7 A2·ms 且小于12.0 A2·ms，輸出放電時(shí)間可精確控制在4 ms 之內(nèi)，滿足礦用發(fā)爆器的安全性能要求。

表1 發(fā)爆器性能測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

利用MSP430F1232單片機(jī)研制的發(fā)爆器，具有以下特點(diǎn)：

（1） 爆前能自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)路全電阻值， 滿足了《煤礦安全規(guī)程》對(duì)礦用發(fā)爆器的有關(guān)要求， 有利于保證起爆可靠性， 提高爆破效率；

（2） 采用無(wú)接觸的磁力開(kāi)關(guān)，顯著提高了發(fā)爆器的性能，為安全生產(chǎn)提供了更可靠的保障；

（3） 利用單片計(jì)時(shí)功能使發(fā)爆器輸出時(shí)間更精確，避免發(fā)生安全事故。

該發(fā)爆器的研制為煤礦井下爆破作業(yè)提供了一種安全、低電耗、使用方便的新型發(fā)爆器。

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