基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管設(shè)計

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，在中國范圍內(nèi)已經(jīng)停止生產(chǎn)、銷售和使用火雷管，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)確實現(xiàn)延期發(fā)火時間的新型電雷管，其本質(zhì)是采用一個芯片取代普通電雷管中的化學(xué)延期藥與電點火元件，不僅大大地提高了延時精度而且控制了通往點火頭的電源，從而最大限度地減少了因點火頭能量需求所引起的延時誤差。電子延期雷管分為3種類型：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預(yù)先設(shè)定好延期時間的電子延期體[1-2]；第2種是電起爆非編程、在工廠預(yù)先設(shè)定好延期時間的電子雷管；第3種是電起爆可編程的電子延期雷管，延期時間在爆破現(xiàn)場按爆破員要求設(shè)定，并在現(xiàn)場對整個爆破系統(tǒng)起爆時序?qū)嵤┚幊?，該電子延期雷管能夠方便地組成簡單、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。

1 雷管的結(jié)構(gòu)

本方案設(shè)計的基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管結(jié)構(gòu)見圖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

2.1 控制電路設(shè)計

電子延期雷管采用一個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，通過合理設(shè)定起爆網(wǎng)絡(luò)中各個雷管的延期時間能大大降低爆破震動的危害[1]，而且通過控制電路的硬件設(shè)計，提高了電雷管的抗干擾能力。

本方案設(shè)計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、檢測變換電路、發(fā)火控制電路。電子延期雷管通過通信網(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)送過來的電子雷管的ID與儲存在存儲單元本身的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)置延時時間、點火命令等，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.2 AVR單片機(jī)特點

本設(shè)計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)，同時要求內(nèi)部資源豐富，如要求上電自動復(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單，系統(tǒng)運行將更加穩(wěn)定可靠[3-4]。在滿足上述條件的同時，要求單片機(jī)的價格低廉，以控制電子雷管的價格[3]。這樣，才有可能設(shè)計出性價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)計中選用的AVR單片機(jī)可以滿足以上要求，該單片機(jī)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，性價比高[4-5]。

2.3 控制電路功能實現(xiàn)

控制電路各個功能模塊功能的實現(xiàn)是通過接收起爆裝置相應(yīng)的控制命令，之后智能控制單元通過各功能模塊做出相應(yīng)的反應(yīng)。如要對某電子延期雷管進(jìn)行點火：該電子延期雷管的智能控制單元接收到點火控制命令后，經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)定的延時時間后在智能控制單元相應(yīng)的管腳輸出控制信號，使點火控制電路中的電子開關(guān)處在閉合狀態(tài)，控制電路芯片外的儲能裝置儲存的能量通過橋絲向點火藥頭釋放能量，達(dá)到起爆該電子延期雷管的目的。

3 軟件流程設(shè)計

本方案設(shè)計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、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電子延期雷管發(fā)送ID編碼，各個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；起爆裝置可在線檢測起爆網(wǎng)絡(luò)中各個電子延期雷管的當(dāng)前工作狀態(tài)，如充電情況、延期時間的設(shè)置等要及時回送給起爆裝置，以供起爆裝置對各個電子延期雷管實施在線監(jiān)測，若檢測沒有通過則需要排除故障；同時起爆裝置設(shè)有管理人員門禁，只有被授權(quán)的人員才能對該系統(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)中常見的靜電、雜散電流等干擾不能直接作用于雷管的點火元件，提高了電子延期雷管的本質(zhì)安全性[2，8]。同時，在電子雷管的硬件控制電路中設(shè)計了安全放電回路，當(dāng)電子延期雷管接收到發(fā)火控制命令并經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計的延時時間t后而沒有發(fā)火，AVR單片機(jī)檢測到信號后，在經(jīng)過時間t2后向安全放電控制回路發(fā)出控制信號，將儲能裝置儲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。

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

在試驗場地進(jìn)行了4組經(jīng)過檢測的電子雷管起爆測試。試驗結(jié)果如表1所示。

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

試驗結(jié)果表明，該方案設(shè)計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)工程需要在線設(shè)定，雷管延期時間長且誤差小?？傊?，電子延期雷管代表了工程爆破向數(shù)字化發(fā)展的一個方向，值得在振動控制要求嚴(yán)格、起爆段間時差要求精確、起爆時間長[8]等環(huán)境下的工程爆破中推廣使用。

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