基于STC89C52单片机的盲炮识别系统设计

王书豪，周明安，任才清，田云密

(国防科学技术大学指挥军官基础教育学院， 湖南长沙 410072)

0 引言

在爆破工程中，因各种原因未能按设计起爆的药包或部分装药叫盲炮。若盲炮未能及时被发现或处理不当，潜在危险极大。处理盲炮首先要检测盲炮。国内已有相关方面的研究，如提出利用信号的能量突变来识别盲炮。由于爆破振动信号受地质、地形、装药量等多种复杂因素影响，使该方法的准确性大大降低，因而没有得到推广。目前的检测手段还是凭经验观察，由于爆破后地形地貌变化很大，观察结果不精确，急需一种科学可靠的检测手段。

1 盲炮识别系统的结构

1.1 系统功能及整体工作流程

高速摄影资料表明，在硬岩露天深孔爆破中，当底盘抵抗线小于10 m时，从起爆台阶坡面出现裂缝，历时约10～25 ms;台阶顶部鼓起，历时约80～150 ms;此后，高温高压气体逸出，鼓包破裂岩块抛出。由此提出一种采集方案:用单片机对探针通断状态进行实时检测，并将检测结果通过无线模块实时送出。主控端根据起爆器的输出信号决定是否接收无线通道上的数据。接收原则为:当起爆器放电时开始计时，对瞬发爆破的炮孔，设定采集时间段为0～50 ms，对延期起爆的炮孔，采集时刻设定见表1。

在采集时间段内如探针信号出现跃变，则不再对该探针的数据进行采集。超出采集时间段无信号跃变则认为产生盲炮。采集结束后将数据送给主机分析处理，结果通过显示器显示。试验表明，系统能有效避免炮孔间相互干扰对结果带来的不利影响，保证了采集结果可靠。

表1 信号采集时段

1.2 系统整体结构

以一次检测8个炮孔为例对系统进行介绍。本系统主要由远端采集、无线通信通道、主控端3大部分组成。其中远端采集主要实现8路开关量信号的实时采集，并将采集结果送无线传输通道。主控端则根据外部起爆器的放电信号决定何时开始接收无线通道上的远端采集状态，主控端的人机交互主要由4个按键及LCD显示器组成，通过按键设置各通道的采集延迟时间，确定采集的开始及结束时间，显示器采用的LCD1602，系统框架如图1所示。

图1 系统框架

2 系统硬件和软件设计

2.1 远端采集电路设计

单片机的P0口用作开关量采集端口，P0口作为通用IO口使用，外加5.1K上接电阻，探针分别接到P0.0～P0.7IO口上，对应 CH1～CH8探测通道。当探针处于断开状态，对应的IO口通过上位电阻为高电平，当探针处理接通状态时，单片机对应的IO口通过探针接到地，为低电平。单片机与CC1100无线模块通过SPI接口通信，将采集到的P0口状态实时送入无线模块。

2.2 主控端电路设计

因起爆器输出电压较高，为确保单片机系统的安全，对发电机信号采取光耦隔离，防止损坏单片机或对单片机正常工作造成干扰。在光耦前端处理电路中，采用大电阻分压，二极管稳压，再加限流电阻方式，确保流过光耦前端的电流在安全范围内，不至于电流过大而损坏光耦。发电机检测信号隔离后直接送到单片机的外部中断0接口，通过中断及时响应该信号，确保采集时间控制实时、准确。

2.3 单片机与CC1100模块连接电路设计

无线检测系统CC1100射频模块和单片机STC89C52的连接电路的原理是单片机STC89C52通过SPI总线配置CC1100内部寄存器和收发数据。CC1100射频模块的SPI总线包括4个引脚:CSN(SPI使能)、SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)和MOSI(主出从入)。

CC1100射频模块具有标准的SPI硬件接口，对于不带SPI串行总线接口的单片机来说，可以使用软件来模拟 SPI的操作。单片机 STC89C52与CC1100射频模块的对应接法是:P1.6接MISO，P1.5 口接 MOSI，Pl.7 口接 SCK，P1.3 接 CSN。选用单片机的P1.5模拟数据输出端MOSI;Pl.6模拟数据输入端MISO，P1.7模拟SCK的输出端;P1.3模拟从机选择端CSN，由程序清零此I/O口，使得与它通信的射频模块CC1100作从机。

为了减少电路板噪声对无线射频通信的干扰，模块中无线射频电路部分做成单独的电路板，在主电路板上留出插槽，无线电路板插在插槽上与主电路板微处理器通信，这样既减少了电路干扰对无线通信的影响，又方便了在CC1100射频模块发生故障时更换新的模块。

2.4 远端采集软件设计

首先初始IO口及SPI接口，检测无线通信模块，并对CC1100相关寄存器进行配置，配置完成后，发出一组测试数据，测试无线通信模块工作是否正常。然后循环采集P0口高低电平状态，并将采集到的信息通过SPI总线传给CC1100无线模块，将此信息发出。采集程序如图2所示。

图2 采集程序

3 实验设计与结果分析

设计不同的起爆网络，主要检验以下几个功能:样机所有通道的有效性;发射模块与接收模块的接收距离是否满足实际要求;齐发爆破的情况下，检测结果是否可靠;微差爆破的情况下，是否能够克服炮孔间相互干扰，检测结果是否可靠。为了检验样机的可靠性，2013年3月23日进行了实爆作业。

(1)齐发爆破。8个通道的参数均设为0～50 ms。第一次验证(实验一)采用电雷管瞬发起爆1，3，5，7号通道对应的装药，其余通道对应的装药则不接雷管。第二次验证(实验二)则采用电雷管瞬发起爆，2，4，6，8号通道对应的装药，其余通道对应的装药则不接雷管。

(2)延期爆破。前5个通道参数分别设为50(± 15 ms)、110(± 20 ms)、200(± 25 ms)、310(±35 ms)、460(± 45 ms)，分别对应毫秒 3、5、7、9、11段导爆管雷管起爆，前5个通道对应的装药。第一次验证(实验三)时，用毫秒3、7、11段导爆管雷管起爆，1、3、5号通道对应的装药，其余通道对应装药不接雷管。第二次验证(实验四)时，用毫秒5、9段导爆管雷管起爆，2、4号通道对应的装药，其余通道对应装药不接雷管。

试验结果见表2。由表2可知，所有通道均可有效工作，验证了系统在齐发爆破中检测盲炮结果的可靠性。实验三和实验四则验证了系统在微差爆破中检测盲炮结果的可靠性。

4 结论

提出了一种以ST89C52单片机为控制核心的无线数据采集系统设计方案，并从硬件和软件两个方面介绍了系统的相关技术要点和设计开发过程。该系统实现了对盲炮的远程检测，样机经现场试验，检测结果可靠。该方案具有硬件结构简单、可靠性高、低功耗、低成本、抗干扰等优点，能够满足复杂的应用环境。

表2 试验结果

［1］GB 6722－2003.爆破安全规程［S］.2004.

［2］汪旭光，于亚伦，刘殿中.爆破安全规程实施手册［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］王民寿，王惠民.一起大型硐室爆破盲炮处理事故原因分析及处理方案［J］.四川水力发电，2002，21(1):33-34.

［4］姜志海.单片机原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［5］郁有文，等.传感器原理及工程应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

［6］刘丽娜.数据采集系统中抗干扰分析［J］.陶瓷研究与职业教育，2005(3).

［7］李中华.一种远程数据采集模块的设计［J］.化工自动化及仪表，2003，30(2):48-53 .