摘 要： 介紹了一種可在線編程的電子延期雷管的設計方案，分析了方案的安全性和可靠性，闡述了該方案的實現(xiàn)方法，給出了電子雷管內(nèi)部控制電路芯片的功能結構圖和部分軟件流程圖。試驗表明，系統(tǒng)可編程延期范圍達到0 ms～15 000 ms，編程增量為1 ms間隔，安全可靠，延期精度高，操作使用方便。在未來工程爆破中將具有很好的應用前景。
關鍵詞： 電子雷管；控制電路芯片；AVR單片機
電子雷管一般分為三種類型：(1)電起爆可編程的電子雷管，延期時間在爆破現(xiàn)場按爆破員要求設定，并在現(xiàn)場對整個爆破系統(tǒng)的起爆時序實施編程；(2)電起爆非編程的電子雷管，在工廠預先設定固定延期時間；(3)非電起爆的非編程的電子雷管，可以用導爆管或低能導爆索等非電起爆器材引發(fā)電子延期體，繼而起爆其固定延期時間在工廠預先設定[1-2]，能夠方便地組成簡單、先進的起爆網(wǎng)絡是電子延期雷管的一大優(yōu)點。本方案提供了一種可在線編程的電子延期雷管的設計方法。
1 電子延期雷管
電子延期雷管是一種可以任意設定并準確實現(xiàn)延期發(fā)火時間的新型電雷管,其本質(zhì)是采用一個微電子芯片取代普通電雷管中的化學延期藥與電點火元件，不僅大大地提高了延時精度，而且控制了通往引火頭的電源，從而最大限度地減少了因引火頭能量需求所引起的延時誤差。
本方案設計的可以在線編程的電子延期雷管的結構如圖1所示。
2 控制電路硬件設計
電子延期雷管采用一個控制電路板取代普通電雷管中的化學延期藥劑，不僅大大提高了延期精度，降低了爆破震動危害[1]，而且通過控制電路，提高了雷管的抗干擾能力。
本方案設計的控制電路板框圖如圖2所示。
控制電路芯片主要由AVR單片機組成的智能控制單元、整流電路、充電控制及充電電路、安全放電電路、檢測變換電路、發(fā)火控制電路、通信接口電路、電源管理電路等部分組成。通過通信網(wǎng)絡可以和起爆裝置進行信息交流。如果通過接收起爆裝置發(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、設置延時時間、點火命令等并根據(jù)命令字做出相應的反應。
2.1 AVR單片機特點
本設計中要求智能控制單元能夠安全可靠地工作，在接收到控制命令后能快速做出正確反應，同時要求內(nèi)部資源豐富（如要求片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器可選、上電自動復位、串行通信接口、看門狗、ADC轉換等功能），這樣外圍電路就可以比較簡單，設計時系統(tǒng)將更加穩(wěn)定可靠[3-4]。在滿足上述條件的前提下，要求單片機價格低廉，控制電子雷管的價格[3]。只有這樣，才有可能將電子雷管真正大規(guī)模投入生產(chǎn)，并廣泛應用。
本設計選用的AVR單片機可以滿足上述要求，它采用哈佛結構，精簡指令集，執(zhí)行速度快，片內(nèi)集成有本設計要求的功能電路，內(nèi)部資源豐富，帶E2PROM、PWM、RTC、SPI、UART、TWI、ISP、AD、Analog Comparator和WDT等，性價比高[4-5]。
2.2 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)是接收到控制命令之后，智能控制單元通過檢測當前狀態(tài)做出相應反應。例如要對儲能裝置進行充電：智能單元接收到充電控制命令后，在相應的管腳輸出控制信號，使充電控制電路中的電子開關處在閉合狀態(tài)，充電電路向控制電路芯片外的儲能裝置進行充電。充電時間到時，智能控制單元發(fā)控制信號，將充電控制電路中的電子開關打開。充電完成后，通過檢測變換電路將充電情況通過AVR的A口10位AD轉換電路轉換成相應數(shù)據(jù)，再通過通信接口回送給控制管理層以便做出正確決策。
3 軟件流程設計
本方案設計的電子延期雷管的軟件通信流程圖如圖3所示。
4 安全性分析
本方案給出的可在線編程的電子延期雷管設計使用了多種安全性技術，如密碼技術、ID比較、系統(tǒng)檢測、控制電路板采用的抗干擾技術、安全放電電路的設置等[6-8]。因此安全性能高。
4.1 軟件采用的安全技術
起爆裝置先發(fā)送要選中的電子雷管的ID編碼，與固化在各個電子雷管中的ID編碼比較，相符后才能向該電子雷管發(fā)送各種控制命令，這樣的軟件設置增強了系統(tǒng)的安全性[6]。控制器可在線檢測起爆網(wǎng)絡中各個電子延期雷管的當前工作狀態(tài)，如充電、延期時間的設置等要及時回送給起爆裝置以供在線監(jiān)測，若檢測沒有通過則需要排除故障。這些軟件采用的安全技術提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
4.2 控制電路采用的安全技術
在線可編程電子延期雷管的控制電路使用了良好的抵抗干擾技術。在電子雷管的控制電路中設計了安全放電回路，當雷管接收到發(fā)火控制命令并經(jīng)過系統(tǒng)設計的延時時間后沒有發(fā)火，AVR單片機檢測到信號后，經(jīng)過一定的延時后向安全放電控制回路發(fā)控制信號，將充電后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。控制電路板采用隔離電路，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，提高了電子雷管的本質(zhì)安全性[2，8]。
試驗結果表明，該方案設計的電子延期雷管可編程延期范圍達到0 ms～15 000 ms，編程增量為1 ms間隔，雷管延期時間長且誤差小。安全可靠，延期精度高，操作使用方便，性價比高。總之，數(shù)碼雷管代表了工程爆破向數(shù)字化發(fā)展的一個方向，在振動控制要求嚴格、起爆段間時差要求精確、起爆時問長等復雜環(huán)境下的工程爆破中有應用和推廣價值。
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