電力起爆系統仿真實訓裝置設計與實現

陳 靜，王翠華，黃珊珊，劉 杰，戚文革

（1.吉林電子信息職業技術學院 機電技術學院，吉林 吉林 132021；2.哈爾濱工業大學（威海）計算機科學與技術學院，山東 威海 264209）

國家對爆炸物的管理加強后，各相關高校、高職院校的爆破實訓［1］進入全面停課的狀態，同時相關爆破工崗前培訓的實操也無法進行。因此開發一種能夠仿真模擬電力起爆系統工作流程和操作流程的實驗臺，成為一項非常必要的研究內容［2］。

1 電力起爆系統仿真實訓裝置概述

電力起爆系統仿真實訓裝置能夠模擬電雷管起爆網路的起爆過程和操作過程，即通過起爆器和導線引爆電雷管，然后引爆炸藥的全過程［3］。該實訓裝置具有設備反復使用、實驗安全、模擬工作流程全面的特點。其主要設計內容有：（1）表征不同延時時間的仿真電雷管的設計；（2）仿真炸藥卷的設計；（3）仿真電起爆器的設計。圖1是實際電力起爆網路示意圖。在圖1中，起爆器的主要功能是發出起爆信號，通過導線傳遞給雷管和炸藥卷；一個雷管和一個炸藥卷連接在一起構成一個起爆單位。

電力起爆系統仿真實訓裝置要做到以下幾點：（1）幾十個仿真雷管可以任意串并聯，不會影響起爆效果；（2）仿真雷管種類很多，能夠實現不同的延時起爆；（3）仿真起爆器工作過程逼真，但是無高壓；（4）仿真炸藥卷上有聲光模擬爆炸現象；（5）可以做起爆前的查通測試［4］。

具體起爆過程：仿真起爆器經過充電過程后發出起爆信號，不同的仿真雷管接收起爆信號后經不同的延時，觸發炸藥卷中的高亮度發光二極管亮起和音箱播放爆炸聲錄音。模擬系統中不同時間順序爆炸的聲光效果使整個效果很震撼。

圖1 電力起爆系統示意圖

2 電力起爆系統仿真實訓裝置設計

現以電雷管編碼設置電路、仿真炸藥卷電路和起爆器電路為例討論其設計方法。

2.1 仿真雷管編碼設計

本裝置中電雷管并不真正爆炸，它只需提供一個可以識別的編碼給炸藥卷，代表不同的延時時間，同時能夠把起爆信號傳遞給炸藥卷即可。

仿真電雷管的編碼是由放置在電雷管里的磁片確定的。在每個仿真電雷管里確定了多個放置磁片的位置。以3個位置為例，3個位置分別定為位0、位1、位2，按照每個位置的磁片情況，對仿真電雷管進行編碼，來區分仿真電雷管的不同（如表1所示）。

表1 仿真電雷管延時編碼真值表

電雷管里只給出不同的編碼值，具體的延時起爆時間由炸藥卷編程來決定。仿真電雷管中還有兩根導線穿過，當它插入炸藥卷時，能夠把啟動信號傳入炸藥卷。

2.2 仿真炸藥卷電路設計

仿真炸藥卷電路是仿真電雷管起爆網絡的核心，它由第一級接收起爆信號電路、第二級單片機延時起爆電路、第三級識別仿真雷管編碼電路組成［4］，如圖2所示。

圖2 仿真炸藥卷電路圖

第一級電路選用了MAX741芯片。它是美國美信公司生產的雙向、精密電流傳感放大器芯片。MAX741［5］工作原理如圖3所示。被測電流Isense從RS＋（或RS－）引腳進入，從RS－（或RS＋）引腳流出，只經過38mΩ的精密傳感電阻Rsense，從而不影響外電路。輸出信號從8腳輸出一個與輸入電流成比例的電流信號Iout，二者的比值為

如果輸出端OUT接20kΩ電阻R1（見圖2），起爆電流作為被測電流Isense，從RS＋經Rsense流向RS－，則有

圖3 MAX741功能框圖

其中：Uout為實際輸出電壓，Isense為啟動電流，Rsense為精密傳感電阻，R1為外接輸出電阻，Iout為輸出電流。

根據電力起爆法，起爆前要做查通檢測和電阻平衡檢測。檢測電流不大于0.03A，啟動電路必須能夠避過這個測試電流不發啟動信號。當正常啟動時，啟動電流很大，這里為了安全起見，電流取0.1A左右，則R1兩端的電壓是1V左右，測試時R1兩端的電壓是0.3V以下，電壓比較器LM393［7］參比端電壓設置為0.7V，因此LM393輸出電壓只有在啟動信號來了之后才是低電平，這樣就能夠很好區分查通功能和啟動功能［5］。

第二級電路的核心是單片機STC15F104E。其特點是無需外接晶振和外接復位電路，體積小，工作可靠［8］。6個I／O口的分配為（見圖2）：

（1）P3.5（3腳）接從LM393輸出的啟動信號，有啟動信號時是低電平，否則是高電平。

（2）P3.0、P3.1、P3.2（5、6、7腳）3個I／O口接霍爾元件，用來識別雷管的編碼號，決定炸藥卷的爆炸延時時間。

（3）P3.3（8腳）是控制聲音信號，由三極管T1驅動繼電器，接通音箱的播音開關，自動播出事先準備好的爆炸聲。

（4）P3.4（1腳）是光顯示控制信號，它通過T2驅動串聯接在12V的電源上的多個高亮度的發光二極管。這些發光二極管均勻分布在炸藥卷的外側，突然閃亮時非常耀眼。

P3.3、P3.4會同時接通，以達到震撼的效果。

第三級電路由6個A144霍爾檢測元件（H1—H6）組成。它們的安放位置和雷管的位2、位1、位0對應，能夠檢測到雷管中的磁片的有無。如：位2上有磁片，對應的霍爾元件上就是低電平，反之就是高電平［9］。為了提高可靠性，每個位置上接2個霍爾元件，這2個霍爾元件采用線與的方式連接［6］，只要其中一個霍爾元件檢測到磁片，總的信號就被拉到低電平，保證不漏報。只有2個霍爾元件都沒有檢測到磁片，霍爾元件才會輸出高電平［10－11］。三組霍爾元件讀出的準確的雷管信號被送入單片機STC15F104E。

仿真炸藥卷工作時，首先單片機檢測雷管上的延時編碼后等待啟動信號，當啟動信號到來后，炸藥卷根據雷管編碼延時發光發聲，模擬炸藥爆炸。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 仿真炸藥卷的程序流程圖

2.3 仿真起爆器的電路設計

仿真起爆器的功能有：模擬真實電容式起爆器的充放電效果，能發出起爆信號，能測試系統接線通不通［3］。

仿真起爆器中使用STC12C5A60S2［12］單片機，電路如圖5所示。圖5中S1是查通和充電開關，LED3是接通指示燈，LED2是充電電壓指示燈，氖燈指示燈是LED1，蜂鳴器模擬充電的振蕩聲音，S2是啟動按鈕和查通按鈕。當S2打向右側，單片機沒電，進行查通，查通燈亮，表示線路通，可以起爆。此時可以把S2打向左側，起爆電路開始工作。

起爆電路由＋5V電源，負極接一個100Ω／1W電阻構成。仿真起爆器的發起爆信號程序流程如圖6所示。

3 實驗結論

實驗中使用一個起爆器、40個雷管和40個炸藥卷按照多種串并聯方式，反復實驗，結論如下：該系統電路設計合理，程序運行可靠；能夠實現操作過程仿真和爆炸過程仿真；缺點是不能模擬爆破對象的爆后形態，今后可以朝這個方向繼續努力。

圖5 仿真起爆器電路

圖6 仿真起爆器的發起爆信號程序流程圖

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