基于AVR单片机的电子延期雷管设计

李红月，刘 锋，颜事龙

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001)

雷管是一种爆破工程的主要起爆器材，它的作用是引爆各种炸药及导爆索、传爆管，按点火方式的不同可分为火雷管和电雷管。自2008年6月以后，在中国范围内已经停止生产、销售和使用火雷管，积极推广电雷管等安全性好的起爆器材。电子延期雷管是一种可以任意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管，其本质是采用一个芯片取代普通电雷管中的化学延期药与电点火元件，不仅大大地提高了延时精度而且控制了通往点火头的电源，从而最大限度地减少了因点火头能量需求所引起的延时误差。电子延期雷管分为3种类型：第1种是非电起爆非编程的电子雷管，该电子雷管用导爆管或低能导爆索等非电起爆器材起爆在工厂预先设定好延期时间的电子延期体[1-2]；第2种是电起爆非编程、在工厂预先设定好延期时间的电子雷管；第3种是电起爆可编程的电子延期雷管，延期时间在爆破现场按爆破员要求设定，并在现场对整个爆破系统起爆时序实施编程，该电子延期雷管能够方便地组成简单、先进的起爆网络，延期精度高，使用安全可靠。本方案提供了一种基于 AVR单片机的电子延期雷管的设计。

1 雷管的结构

本方案设计的基于AVR单片机的电子延期雷管结构见图1。

图1 电子延期雷管结构图Fig.1 Structure of the electronic delay detonator

2 控制电路硬件设计

2.1 控制电路设计

电子延期雷管采用一个控制电路板取代普通电雷管中的延期药，大大提高了雷管的延期精度，通过合理设定起爆网络中各个雷管的延期时间能大大降低爆破震动的危害[1]，而且通过控制电路的硬件设计，提高了电雷管的抗干扰能力。

本方案设计的控制电路框图如图2所示。

图2 电子雷管控制电路板框图Fig.2 Diagram of electronic detonator control circuit board

智能控制电路主要由以下8部分组成：AVR单片机组成的智能控制单元、电源管理电路、充电控制及充电电路、整流电路、通信接口电路、安全放电电路、检测变换电路、发火控制电路。电子延期雷管通过通信网络可以和起爆装置进行信息交流，接收起爆装置发送的控制命令并根据命令做出相应的反应。如果接收起爆装置发送过来的电子雷管的ID与储存在存储单元本身的ID相同，则开始接收起爆装置发送的充电命令、检测命令、设置延时时间、点火命令等，并做出相应的反应。

2.2 AVR单片机特点

本设计中要求智能控制单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确反应，同时要求内部资源丰富，如要求上电自动复位、串行通信接口、片内集成多种频率的RC振荡器可选、ADC转换等功能，这样外围电路比较简单，系统运行将更加稳定可靠[3-4]。在满足上述条件的同时，要求单片机的价格低廉，以控制电子雷管的价格[3]。这样，才有可能设计出性价比比较高的电子延期雷管，并能将该电子延期雷管投入大规模生产，以应用到更广阔的领域。

设计中选用的AVR单片机可以满足以上要求，该单片机采用哈佛结构，精简指令集，执行速度快，片内集成有本设计要求的功能电路，内部资源丰富，自带 RTC，E2PROM，UART，PWM， SPI，ISP，AD，Analog Comparator等，性价比高[4-5]。

2.3 控制电路功能实现

控制电路各个功能模块功能的实现是通过接收起爆装置相应的控制命令，之后智能控制单元通过各功能模块做出相应的反应。如要对某电子延期雷管进行点火：该电子延期雷管的智能控制单元接收到点火控制命令后，经过系统设定的延时时间后在智能控制单元相应的管脚输出控制信号，使点火控制电路中的电子开关处在闭合状态，控制电路芯片外的储能装置储存的能量通过桥丝向点火药头释放能量，达到起爆该电子延期雷管的目的。

3 软件流程设计

本方案设计的电子延期雷管的软件通信流程如图3所示。

4 安全性分析

在基于AVR单片机的电子延期雷管设计中，使用了多种安全技术。如ID比较、密码技术、控制电路板采用的抗干扰技术、系统检测、安全放电电路的设置等[6-8]。因此，安全性能高。

图3 控制芯片软件流程图Fig.3 Flow chart of the communication software

4.1 软件采用的安全技术

起爆装置首先以广播的形式向各个电子延期雷管发送ID编码，各个电子延期雷管将接收到的ID编码与固化在本身的ID编码比较，相符后，表明起爆装置选中该雷管，接着才能向该电子延期雷管发送各种控制命令；起爆装置可在线检测起爆网络中各个电子延期雷管的当前工作状态，如充电情况、延期时间的设置等要及时回送给起爆装置，以供起爆装置对各个电子延期雷管实施在线监测，若检测没有通过则需要排除故障；同时起爆装置设有管理人员门禁，只有被授权的人员才能对该系统进行操作和控制，这些软件技术提高了电子延期雷管使用的安全可靠性[6]。

4.2 硬件控制电路采用的安全技术

基于AVR单片机的电子延期雷管的控制电路使用了良好的抵抗干扰技术。控制电路板采用隔离电路，使得工程爆破网路系统中常见的静电、杂散电流等干扰不能直接作用于雷管的点火元件，提高了电子延期雷管的本质安全性[2，8]。同时，在电子雷管的硬件控制电路中设计了安全放电回路，当电子延期雷管接收到发火控制命令并经过系统设计的延时时间t后而没有发火，AVR单片机检测到信号后，在经过时间t2后向安全放电控制回路发出控制信号，将储能装置储存的能量通过安全放电电路消耗掉，消除了丢炮后续处理工作的危险。

5 试验结果及结论

在试验场地进行了4组经过检测的电子雷管起爆测试。试验结果如表1所示。

表1 不同组别组成起爆网络的测试结果Tab.1 Test result of different groups detonator network

试验结果表明，该方案设计的电子延期雷管的可编程延期范围达到0～12 000ms，编程增量可以根据工程需要在线设定，雷管延期时间长且误差小。总之，电子延期雷管代表了工程爆破向数字化发展的一个方向，值得在振动控制要求严格、起爆段间时差要求精确、起爆时间长[8]等环境下的工程爆破中推广使用。

[1]高铭,李勇,滕威.电子雷管及其起爆系统评述[J].煤矿爆破,2006(3):23-26.

[2]Douglas A.Bartley,等.电子雷管技术的现场进一步应用[J].国际爆破与破碎,2003(7):93-96.

[3]王苗苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社,2002.

[4]丁化成,耿德根,李君凯.AVR 单片机应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[5]韩志军.单片机系统设计与应用实例[M].北京:机械工业出版社,2010.

[6]张凤登.现场总线技术与应用[M].北京:科学出版社,2008.

[7]聂煜,莫元玲,陈辉俊.RS-485总线在新型电子雷管组网中的应用[J].现代机械,2006(5):39-41.

[8]颜景龙.铱钵起爆系统的安全性分析与试验[J].工程爆破,2008,14 (2):70-72.