基于MSP430F1232電雷管發爆器的電路設計

摘 要： 針對現有發爆器的密封性能差、延時精度不高等缺陷，采用低功耗MSP430單片機技術、磁力開關電路、恒流源電阻測量電路，設計了一種新型電雷管發爆器。該發爆器具有密封性能好、延時精確、整機電路簡單和測雷管電阻等功能。產品的起爆能力為100發電雷管，最高充電電壓為1 350 V，放電時間可精確控制在（3.9±0.1） ms，滿足煤礦安全爆破使用的要求。

關鍵詞： MSP430F1232； 電雷管； 發爆器； 電路設計

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0133?04

0 引 言

目前，我國煤礦生產建設的機械化程度不斷提高，但是由于生產工藝、設計要求、地質條件等方面的原因，作為傳統的作業方法，爆破在當前和今后相當長的時期內仍是煤礦生產建設的重要手段之一。煤礦采掘爆破施工一般采用普通的電雷管起爆系統，電雷管發爆器則是不可缺少的起爆器具。傳統的煤礦用發爆器多為電容式發爆器的系列產品。這類發爆器在實際使用中存在一些缺陷，大致可歸納為：

（1） 均使用機械鑰匙開關作為充放電的開關，密封性能差。礦井下的環境潮濕，水分會進入發爆器內影響發爆器的性能和使用壽命；

（2） 發爆器的機械鑰匙開關同時又作為放炮時的充電延時開關，延時時間不準確；

（3） 都不能滿足國家《煤礦安全規程》2004 版第三百三十六條規定：“每次爆破作業前，爆破工必須做電爆網路全電阻檢查”對礦用發爆器要求。

為了滿足煤礦安全生產的需要，研制了一種基于MSP430F1232電雷管發爆器。利用單片機控制磁力開關，磁棒作為充放電鑰匙實現無接觸啟動發爆器，是提高發爆器密封性能的關鍵。單片機通過端口驅動顯示器，實現發爆器的顯示功能。用32 kHz晶振和定時器中斷實現精確的放炮延時時間。

1 系統總體設計

本系統以MSP430F1232單片機控制為核心，主要由電源電路、測雷管電阻電路、充電電路、放電電路、顯示輸出電路等部分組成，系統結構框圖如圖1 所示。單片機控制充電/放電電路、數顯輸出，檢測外接雷管電阻、電池電壓等，此外單片機通過軟件控制電容充電時間不大于20 s并控制電容放電時間不大于4 ms。

2 系統硬件設計

2.1 單片機的選擇、端口功能設置

MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內組合了不同的功能模塊，可適應不同應用層次的需求。MSP430 系列的CPU 采用16位的RISC結構，集成的16個通用寄存器和常數發生器，大大提高了代碼執行效率[1]。MSP430F1232片內集成8 KB程序存儲器和256 B數據存儲器、10位A/D轉換器、串行通信接口、16位定時器等模塊。該系列單片機以其極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊及方便高效的開發方式等特點被廣泛應用于便攜式儀表、智能傳感器、實用監測儀器和電機控制等領域。電雷管發爆器使用MSP430F1232單片機就能夠實現所要求的功能。

圖1 結構框圖

單片機的端口功能設置如圖2所示。P3.0～P3.7作為段驅動，P1.0～P1.3作為位驅動，以驅動4位LED數碼管顯示有關信息。P2.0和P2.1用于把負載電阻轉換成數字量，P2.2用于把充電電壓轉換成數字量，P2.3用于把電池電壓轉換成數字量，P2.4控制放炮輸出，P1.5控制給儲能電容充電，P1.6用于判斷干簧管是否被釋放，P1.7用于控制繼電器的吸合與釋放。P2.5的作用是當干簧管被釋放時（VDD電壓將消失），輸出一個控制信號，控制N2繼續導通，保證整個電路電源不中斷。

圖2 單片機外圍電路及其端口設置

2.2 電源電路及磁力開關電路的設計

2.2.1 電源電路

電源電路的設計首先要考慮在能確保滿足整個電路供電的基礎上盡可能減少電池的用量，使整機的體積盡量小，重量輕，便于在礦井中攜帶。根據MSP430F1232 單片機特點，本機選用6 節容量為1 800 mA·h的5號充電電池作為直流電源供電，直接供給V1（LM317）和充電電路供電。當電源開關接通時，VEE通過發射極到集電極得到電壓VDD。VDD通過Y1（LM317）得到3 V直流電源給單片機供電。VDD通過LM7805（V2）得到5 V直流電源給運算放大器U3供電。為減小電源噪聲，給各個電源均加上濾波電容，一般取10 μF和0.1 μF的大小電容組合[2]。電源電路如圖3所示。經實驗測試，在電池充滿電后，本發爆器能正常放炮60 次以上，能滿足電源供電要求。

圖3 電源電路及磁力開關電路

2.2.2 磁力開關電路

采用磁感應原理設計了接近式專用鑰匙開關。在發爆器電路板上安裝一個干簧管，在發爆器外殼上設置觸發孔，當磁性專用鑰匙插入觸發孔時，干簧管吸合，發爆器電路開始在單片機的控制下工作。據資料介紹所選干簧管的觸點容量是符合要求的，所以最初設計時整個電路的電源直接由干簧管提供。但是經過試驗發現，當有電流流過干簧管時，較大的電流形成的磁場使干簧管不能釋放，所以另加了三極管放大電路，干簧管只給三極管的基極提供很小的電流，應用效果很好。

2.3 電雷管電阻檢測

恒流源測電阻電路由恒流源電路和運算放大電路組成。如圖4所示，恒流源輸出電流的大小決定檢測過程的安全性。設計時要考慮到儀器出現故障時，輸出的電流仍在安全范圍內。電路出現最危險的故障是三端穩壓器V1短路，LED燈也短路，即VEE（6節5號充電電池的最高電壓8.5 V）直接接到V1的2腳，外接電阻短路，計算雷管端的電流輸出為IMAX：

[IMAX=UMAXR總=8.5R7+R41+R11+Rx]

式中：R7=10 Ω，R41=510 Ω，R11=620 Ω，RX =6.2 Ω為單發電雷管電阻。由此可以得出IMAX <8 mA，測量電雷管電阻電流[3]不大于30 mA，完全符合標準要求。

2.4 儲能電容充電電路和放電電路

儲能電容的充電電路主要由變壓器、儲能電容及其周邊元件組成。為了保證發爆器輸出沖能能達到標準要求，對儲能電容的選擇是很重要的。初始計算設計選擇的儲能電容是由3個47 μF的電容串聯組成，等效電容是15.7 μF。經過多次檢測、試驗，發現當電壓充到1 350 V時其沖能有時達不到12 A2·ms，為了保證可靠的輸出能量，重新選擇3個68 μF的電容串聯組成儲能電容，試驗證明效果很好。

圖4 測雷管電阻電路

2.4.1 儲能電容的充電電路

儲能電容充電電路由單片機控制通過充電信號CDKZ來控制給儲能電容充電，電阻R2限制充電電流，二極管D1，D2，D9進行半波整流給儲能電容充電。儲能電容的充電電壓檢測電路是由電阻R8、電阻R9和電容C5組成的。根據電阻分壓原理來檢測儲能電容的實時充電電壓。R8電阻分的電壓信號輸送給單片機，單片機進行數據處理，當數據處理結果小于儲能電容充電電壓要求值時，儲能電容繼續充電，當數據處理結果大于等于儲能電容充電電壓要求

值時，單片機控制CDKZ信號停止給儲能電容充電，電容充電完成。當充電完成后，由CDDY1的跟蹤比較信號輸送給單片機，由單片機控制FPKZ輸出高電平，繼電器J1吸合，做好放電準備。

2.4.2 儲能電容的放電電路

儲能電容放電過程也是發爆器放炮的過程。儲能電容在放電時要在爆破網路中輸出高電壓和高電流來引爆電雷管。本部分電路由單片機控制的大功率場效應管及其周邊元件組成。本電路的重點是大功率管的選型。通過理論分析和多次試驗最后確定選用G40N150D大功率管能夠滿足本發爆器的輸出電流和電壓的需求。放電電路的電子開關是由2個IGBT（T2，T3）串聯組成的，提高放電電路的安全系數。當LGTD信號為高電平時，光電耦合器G1，G2導通，T2的門極加電壓SC1，T3的門極加電壓SC2，T2、T3同時導通，通過二極管D10和D11輸出能量給負載。D10和D11的型號是1N5408，反向耐壓不小于1 000 V，2個串聯可達到反向耐壓不小于2 000 V。與T2、T3并聯的2個電阻R14和R22是為了使T2、T3承受均衡的電壓。

儲能電容的充放電電路如圖5所示。當電源電路斷開后，KZFP信號由低電平跳變為高電平，大功率管T1，T2導通，放電完成。導通時間由單片機來控制大功率管的門極實現，導通時間不大于4 ms。

2.5 保護電路

為了保護大功率管的正常工作，在硬件電路設計時在它的控制端采用了光電耦合器G1，G2把高壓與電壓隔離開保護的方式，防止大功率管的控制極產生高電壓而擊穿。另外，在軟件上也應采取相應的保護措施，防止大功率管非正常原因擊穿損壞，提高發爆器的使用壽命。

圖5 儲能電容的充放電電路

2.6 數字顯示電路

數碼顯示電路用于顯示電雷管的電阻值、儲能電容的實時電壓值、發爆器的正常狀態信息以及錯誤信息，使操作人員更加簡單明了地了解發爆器的狀況。顯示器使用共陰極LED顯示，型號是SM420364，控制簡單。4位8段LED共陰極顯示器電路見圖6。

3 電路的工作過程

電源電路開關閉合，N2導通，VDD電壓建立，通過三端穩壓調節器LM317產生3 V電壓供給單片機，單片機開始工作。

圖6 數碼顯示電路圖

單片機首先檢測負載電阻，如果負載電阻大于640 Ω或沒有接負載電阻，單片機輸出提示信息：d640，并不對儲能電容進行充電；如果負載電阻小于4 Ω，單片機輸出提示信息：d003，也不對儲能電容進行充電；如果負載電阻符合要求（3 Ω

4 測試結果

使用FCC?3發爆器參數測試儀對發爆器的充電電壓、輸出沖能和放電時間的技術參數進行測試，測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，當發爆器的負載電阻為620 Ω時，其輸出沖能大于8.7 A2·ms 且小于12.0 A2·ms，輸出放電時間可精確控制在4 ms 之內，滿足礦用發爆器的安全性能要求。

表1 發爆器性能測試數據

5 結 語

利用MSP430F1232單片機研制的發爆器，具有以下特點：

（1） 爆前能自動檢測網路全電阻值， 滿足了《煤礦安全規程》對礦用發爆器的有關要求， 有利于保證起爆可靠性， 提高爆破效率；

（2） 采用無接觸的磁力開關，顯著提高了發爆器的性能，為安全生產提供了更可靠的保障；

（3） 利用單片計時功能使發爆器輸出時間更精確，避免發生安全事故。

該發爆器的研制為煤礦井下爆破作業提供了一種安全、低電耗、使用方便的新型發爆器。

參考文獻

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