基于LED的深紫外光遙控起爆系統

孫紹文 張櫟存 康小麓

北方工業大學電子信息工程學院

基于LED的深紫外光遙控起爆系統

孫紹文 張櫟存 康小麓

北方工業大學電子信息工程學院

深紫外光遙控起爆系統，將深紫外光通信技術應用于遙控領域，可以實現在電磁干擾環境中的可視距離無線遙控起爆，大大提高了爆破的安全性。系統分為發送端與接收端，發送端通過深紫外LED光源，發送4個控制信號（充電、放電、引爆、測量炸藥量），接收端以光電倍增管（PMT）探測弱光信號，接收并執行來自發送端的控制指令，并具有線控人工起爆功能。

波長在200nm至350nm范圍之間的紫外光被稱為深紫外光。由于臭氧層對太陽輻射中波長為240nm至280nm的紫外輻射具有強吸收作用，形成“日盲”區，即在該波段地面不存在太陽的“日盲”紫外干擾。深紫外光通信就是工作在日盲區，以深紫外光作為載體，把待傳輸的信息調制到深紫外光上，從而完成信息的傳輸。

深紫外光通信技術是一種新型通信方式，深紫外光通信有如下特點：首先，由于大氣散射吸收，探測器只能接收到微弱信號，但干擾少，可以工作在如野外爆破等復雜的電磁環境中，并且無須嚴格對準。其次，紫外光在自由空間傳播的過程中會呈指數衰減，所以傳輸距離大多為可視距離。

美國軍方高度重視深紫外光通信領域，早在20世紀60年代，美國軍方對短距離傳輸的深紫外光通信進行了大量研究。在2002年，美國開始研究以發光二極管為光源的深紫外光通信系統，并研制出275nm的深紫外LED。

我國對于紫外光通信的研究起步相對較晚，但國內近年也越來越重視對于紫外光通信領域的研究，國防科技大學首次使用“日盲”段LED為光源，研究了直升機紫外光通信系統；重慶大學也研究了基于紫外光的語音系統設計與實施。

紫外光通信抗干擾能力強，保密性好、非常適合短距離的復雜電磁環境，在搶險救災，野外爆破等軍事行動中有很大的前景。毋庸置疑，紫外光通信將會受到各個軍事大家的高度重視與研究。

系統設計

系統設計框圖如圖1所示，系統主要由發送端和接收端組成。

圖1　深紫外爆破系統設計框圖

深紫外遙控起爆系統發送端，也是用戶手持遙控器，以STC12C5620AD單片機為控制核心，通過鍵盤芯片HD7279控制8個按鍵。LCD顯示器選用12864顯示屏，構成中文人機交互界面，方便用戶操作。每個按鍵對應一條控制指令，指令從串口發送，并通過LED驅動芯片NU551驅動深紫外LED光源，完成電光轉換。系統電源部分采用鋰電池供電并通過TPS61032高效升壓轉換器輸出穩定5V電壓。

深紫外遙控起爆系統接收端，即起爆器。接收端有兩個控制模式：遙控模式和線控人工起爆模式。在遙控模式下，系統會接受并執行來自發送端的指令。在線控人工起爆模式下，接收端可以通過按鍵，直接對爆破裝置進行充電、放電、起爆以及彈藥測量功能。

深紫外LED光源

發送端將指令調制到LED光源上，通過深紫外光發射，所以紫外光源的選取非常關鍵，目前紫外光源主要有紫外激光器、紫外氣體燈、紫外光發光二極管。本系統采用紫外光發光二極管，具有體積小、單色光檢測靈敏度高、光譜響應的寬度窄、載波頻率高的特點，系統選用的LED深紫外光源可以產生波長為268nm的深紫外輻射，由于地球大氣的強烈吸收，選用波長為268nm的深紫外LED光源可以大大提高系統的抗干擾性。

深紫外光遙控起爆系統的發送端

LED驅動電路

驅動電路采用NU511芯片，NU511是單通道LED驅動芯片，可以輸出100mA－1.2A電流，支持3－12V電壓，支持高達1MHz的占空比頻率，其驅動電路如圖2所示。

圖2　紫外LED及其驅動電路

信號產生控制模塊

信號產生與控制模塊，分為鍵盤控制和屏幕顯示部分，鍵盤控制部分由HD7279和單片機組成，HD7279是一片具有接口可同時連接多達64鍵的鍵盤矩陣，內含去抖動電路，以串行的方式輸出鍵值，節省IO口。本系統設計共有8個按鍵，分別為充電開關、放電開關、引爆開關、上選開關、下選開關、左移開關、右移開關和確認開關，圖3為鍵盤控制電路。

顯示電路選用帶中文字庫的12864液晶屏，讓用戶通過鍵盤選擇不同功能，單片機檢測按鍵鍵值并通過串口發送相應指令，至LED驅動電路OE端，將指令信號加到光源上，通過深紫外LED將信號發送出去。圖4為遙控器按鍵控制面板。

圖3　鍵盤控制電路

圖4　按鍵控制與顯示面板

發送端軟件設計

發送端程序流程圖如圖5所示。

發送端通過鍵盤檢測按鍵，并執行相應按鍵功能，每個發送端遙控器都可以單獨設置ID，可與接收端匹配。通過串口發送指令，并經深紫外LED燈調制到光路發送。

圖5　發送端程序流程圖

光電探測器

接收端選用光電倍增管做完光電探測器，光電倍增管由發射陰極、聚焦電極、倍增極和陽極組成。由于紫外光在大氣中的傳播呈指數衰減，故只有很少的光子達到光電探測器，而光電倍增管利用二次電子發射的原理，可以檢測到微弱的光信號，是一種弱光探測器。為了配合發射端發射的深紫外光的波長，接收端選用濱松公司的R7154光電倍增管，其響應波段為160nm至320nm，光譜響應峰值為254nm，符合設計需求。

爆破系統一般應用環境為室外環境，在室外環境下，會存在可見光和紅外光的干擾，為了消除干擾，將噪聲降至最低，在探測器前端增加“日盲”紫外濾光片。濾光片主要分為干涉濾光片和吸收濾光片，本設計采用干涉濾光片，其中心波長為268.3nm，半波帶寬為17.6nm，峰值透射率為20.4%。

PMT高壓供電模塊

為了產生強電場發射電子，光電倍增管需要在陰極和陽極之間加入高達千伏的高壓。濱松公司的R7154工作電壓為1250V，所以系統需要PMT高壓供電模塊。高壓供電模塊選用C7950系列。C7950系列高壓供電模塊由穩壓高壓電源、有源分壓器、電流－電壓轉換器以及帶寬0～5MHz的寬帶放大器組成。C7950在正常工作時，只需要提供±15V的電壓以及0～3.6V的控制電壓。

C7950工作原理如下：穩壓高壓電源產生高電壓后經過有源分壓器分壓后驅動PMT，當PMT檢測到光子后輸出信號經寬帶放大器放大后輸出，圖6為高壓供電模塊工作原理框圖。

圖6　高壓供電模塊工作原理框圖

圖7　探測器與單片機接口電路

圖8　接收端軟件流程圖

圖9　彈藥接口電路

深紫外光遙控起爆系統的接收端

探測器與單片機接口電路

PMT探測到信號后經LM339放大器放大，放大倍數可根據電位器的值調整，方便調試。經過放大后的信號進入單片機串口接收端RXD，單片機檢測指令后作出響應，圖7為探測器與單片機接口電路。

接收端軟件設計

軟件流程圖如圖8所示，接收端具有遙控模式和手動模式，其中遙控模式具有匹配ID，與發射端設備ID號匹配，用于防止一個遙控器同時遙控多個引爆控制器。在遙控模式下，串口接收遙控器發出的指令，一條指令分為4個字節，包括開始字節、設備ID字節、命令字節和結束字節。接收端檢測指令，判斷設備ID是否匹配后執行相應命令（充電、放電、引爆、彈藥測量）。

在手動模式下，用戶可直接操作控制器，完成相應功能。

單片機接到相應指令完成相應操作，其中充電、放電與引爆指令為驅動ULN2003控制繼電器，對大電容進行充電與放電的操作；彈藥測量指令為利用STC12C5620AD內部AD采集彈藥阻值并顯示。

彈藥接口設計

彈藥接口電路采用繼電器對電路的充放電進行邏輯保護。通過單片機控制充放電繼電器和引爆繼電器。充電時繼電器閉合，電路對電容充電。引爆時引爆繼電器閉合，連接彈藥接口，點燃雷管，圖9為彈藥接口電路。

結語

本文介紹了深紫外光遙控爆破器的設計，給出了主要電路圖、電路原理及設計方案，從軟件和硬件介紹。利用深紫外光通信的原理，利用“日盲”波段解決了在室外環境下的太陽輻射干擾。本設計的優點：（1）采用“日盲”波段深紫外光，減少干擾。（2）液晶顯示，可以實施觀察充電狀態，增加安全性（3）鍵盤操作，通過按鍵完成充電、放電和起爆，操作方便實用性強。（4）采用鋰電池供電，攜帶方便，適合室外作業。