电力起爆系统仿真实训装置设计与实现

陈 静，王翠华，黄珊珊，刘 杰，戚文革

（1.吉林电子信息职业技术学院 机电技术学院，吉林 吉林 132021；2.哈尔滨工业大学（威海）计算机科学与技术学院，山东 威海 264209）

国家对爆炸物的管理加强后，各相关高校、高职院校的爆破实训［1］进入全面停课的状态，同时相关爆破工岗前培训的实操也无法进行。因此开发一种能够仿真模拟电力起爆系统工作流程和操作流程的实验台，成为一项非常必要的研究内容［2］。

1 电力起爆系统仿真实训装置概述

电力起爆系统仿真实训装置能够模拟电雷管起爆网路的起爆过程和操作过程，即通过起爆器和导线引爆电雷管，然后引爆炸药的全过程［3］。该实训装置具有设备反复使用、实验安全、模拟工作流程全面的特点。其主要设计内容有：（1）表征不同延时时间的仿真电雷管的设计；（2）仿真炸药卷的设计；（3）仿真电起爆器的设计。图1是实际电力起爆网路示意图。在图1中，起爆器的主要功能是发出起爆信号，通过导线传递给雷管和炸药卷；一个雷管和一个炸药卷连接在一起构成一个起爆单位。

电力起爆系统仿真实训装置要做到以下几点：（1）几十个仿真雷管可以任意串并联，不会影响起爆效果；（2）仿真雷管种类很多，能够实现不同的延时起爆；（3）仿真起爆器工作过程逼真，但是无高压；（4）仿真炸药卷上有声光模拟爆炸现象；（5）可以做起爆前的查通测试［4］。

具体起爆过程：仿真起爆器经过充电过程后发出起爆信号，不同的仿真雷管接收起爆信号后经不同的延时，触发炸药卷中的高亮度发光二极管亮起和音箱播放爆炸声录音。模拟系统中不同时间顺序爆炸的声光效果使整个效果很震撼。

图1 电力起爆系统示意图

2 电力起爆系统仿真实训装置设计

现以电雷管编码设置电路、仿真炸药卷电路和起爆器电路为例讨论其设计方法。

2.1 仿真雷管编码设计

本装置中电雷管并不真正爆炸，它只需提供一个可以识别的编码给炸药卷，代表不同的延时时间，同时能够把起爆信号传递给炸药卷即可。

仿真电雷管的编码是由放置在电雷管里的磁片确定的。在每个仿真电雷管里确定了多个放置磁片的位置。以3个位置为例，3个位置分别定为位0、位1、位2，按照每个位置的磁片情况，对仿真电雷管进行编码，来区分仿真电雷管的不同（如表1所示）。

表1 仿真电雷管延时编码真值表

电雷管里只给出不同的编码值，具体的延时起爆时间由炸药卷编程来决定。仿真电雷管中还有两根导线穿过，当它插入炸药卷时，能够把启动信号传入炸药卷。

2.2 仿真炸药卷电路设计

仿真炸药卷电路是仿真电雷管起爆网络的核心，它由第一级接收起爆信号电路、第二级单片机延时起爆电路、第三级识别仿真雷管编码电路组成［4］，如图2所示。

图2 仿真炸药卷电路图

第一级电路选用了MAX741芯片。它是美国美信公司生产的双向、精密电流传感放大器芯片。MAX741［5］工作原理如图3所示。被测电流Isense从RS＋（或RS－）引脚进入，从RS－（或RS＋）引脚流出，只经过38mΩ的精密传感电阻Rsense，从而不影响外电路。输出信号从8脚输出一个与输入电流成比例的电流信号Iout，二者的比值为

如果输出端OUT接20kΩ电阻R1（见图2），起爆电流作为被测电流Isense，从RS＋经Rsense流向RS－，则有

图3 MAX741功能框图

其中：Uout为实际输出电压，Isense为启动电流，Rsense为精密传感电阻，R1为外接输出电阻，Iout为输出电流。

根据电力起爆法，起爆前要做查通检测和电阻平衡检测。检测电流不大于0.03A，启动电路必须能够避过这个测试电流不发启动信号。当正常启动时，启动电流很大，这里为了安全起见，电流取0.1A左右，则R1两端的电压是1V左右，测试时R1两端的电压是0.3V以下，电压比较器LM393［7］参比端电压设置为0.7V，因此LM393输出电压只有在启动信号来了之后才是低电平，这样就能够很好区分查通功能和启动功能［5］。

第二级电路的核心是单片机STC15F104E。其特点是无需外接晶振和外接复位电路，体积小，工作可靠［8］。6个I／O口的分配为（见图2）：

（1）P3.5（3脚）接从LM393输出的启动信号，有启动信号时是低电平，否则是高电平。

（2）P3.0、P3.1、P3.2（5、6、7脚）3个I／O口接霍尔元件，用来识别雷管的编码号，决定炸药卷的爆炸延时时间。

（3）P3.3（8脚）是控制声音信号，由三极管T1驱动继电器，接通音箱的播音开关，自动播出事先准备好的爆炸声。

（4）P3.4（1脚）是光显示控制信号，它通过T2驱动串联接在12V的电源上的多个高亮度的发光二极管。这些发光二极管均匀分布在炸药卷的外侧，突然闪亮时非常耀眼。

P3.3、P3.4会同时接通，以达到震撼的效果。

第三级电路由6个A144霍尔检测元件（H1—H6）组成。它们的安放位置和雷管的位2、位1、位0对应，能够检测到雷管中的磁片的有无。如：位2上有磁片，对应的霍尔元件上就是低电平，反之就是高电平［9］。为了提高可靠性，每个位置上接2个霍尔元件，这2个霍尔元件采用线与的方式连接［6］，只要其中一个霍尔元件检测到磁片，总的信号就被拉到低电平，保证不漏报。只有2个霍尔元件都没有检测到磁片，霍尔元件才会输出高电平［10－11］。三组霍尔元件读出的准确的雷管信号被送入单片机STC15F104E。

仿真炸药卷工作时，首先单片机检测雷管上的延时编码后等待启动信号，当启动信号到来后，炸药卷根据雷管编码延时发光发声，模拟炸药爆炸。其程序流程图如图4所示。

图4 仿真炸药卷的程序流程图

2.3 仿真起爆器的电路设计

仿真起爆器的功能有：模拟真实电容式起爆器的充放电效果，能发出起爆信号，能测试系统接线通不通［3］。

仿真起爆器中使用STC12C5A60S2［12］单片机，电路如图5所示。图5中S1是查通和充电开关，LED3是接通指示灯，LED2是充电电压指示灯，氖灯指示灯是LED1，蜂鸣器模拟充电的振荡声音，S2是启动按钮和查通按钮。当S2打向右侧，单片机没电，进行查通，查通灯亮，表示线路通，可以起爆。此时可以把S2打向左侧，起爆电路开始工作。

起爆电路由＋5V电源，负极接一个100Ω／1W电阻构成。仿真起爆器的发起爆信号程序流程如图6所示。

3 实验结论

实验中使用一个起爆器、40个雷管和40个炸药卷按照多种串并联方式，反复实验，结论如下：该系统电路设计合理，程序运行可靠；能够实现操作过程仿真和爆炸过程仿真；缺点是不能模拟爆破对象的爆后形态，今后可以朝这个方向继续努力。

图5 仿真起爆器电路

图6 仿真起爆器的发起爆信号程序流程图

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