基于STC89C52單片機的盲炮識別系統設計

王書豪，周明安，任才清，田云密

(國防科學技術大學指揮軍官基礎教育學院， 湖南長沙 410072)

0 引言

在爆破工程中，因各種原因未能按設計起爆的藥包或部分裝藥叫盲炮。若盲炮未能及時被發現或處理不當，潛在危險極大。處理盲炮首先要檢測盲炮。國內已有相關方面的研究，如提出利用信號的能量突變來識別盲炮。由于爆破振動信號受地質、地形、裝藥量等多種復雜因素影響，使該方法的準確性大大降低，因而沒有得到推廣。目前的檢測手段還是憑經驗觀察，由于爆破后地形地貌變化很大，觀察結果不精確，急需一種科學可靠的檢測手段。

1 盲炮識別系統的結構

1.1 系統功能及整體工作流程

高速攝影資料表明，在硬巖露天深孔爆破中，當底盤抵抗線小于10 m時，從起爆臺階坡面出現裂縫，歷時約10～25 ms;臺階頂部鼓起，歷時約80～150 ms;此后，高溫高壓氣體逸出，鼓包破裂巖塊拋出。由此提出一種采集方案:用單片機對探針通斷狀態進行實時檢測，并將檢測結果通過無線模塊實時送出。主控端根據起爆器的輸出信號決定是否接收無線通道上的數據。接收原則為:當起爆器放電時開始計時，對瞬發爆破的炮孔，設定采集時間段為0～50 ms，對延期起爆的炮孔，采集時刻設定見表1。

在采集時間段內如探針信號出現躍變，則不再對該探針的數據進行采集。超出采集時間段無信號躍變則認為產生盲炮。采集結束后將數據送給主機分析處理，結果通過顯示器顯示。試驗表明，系統能有效避免炮孔間相互干擾對結果帶來的不利影響，保證了采集結果可靠。

表1 信號采集時段

1.2 系統整體結構

以一次檢測8個炮孔為例對系統進行介紹。本系統主要由遠端采集、無線通信通道、主控端3大部分組成。其中遠端采集主要實現8路開關量信號的實時采集，并將采集結果送無線傳輸通道。主控端則根據外部起爆器的放電信號決定何時開始接收無線通道上的遠端采集狀態，主控端的人機交互主要由4個按鍵及LCD顯示器組成，通過按鍵設置各通道的采集延遲時間，確定采集的開始及結束時間，顯示器采用的LCD1602，系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2 系統硬件和軟件設計

2.1 遠端采集電路設計

單片機的P0口用作開關量采集端口，P0口作為通用IO口使用，外加5.1K上接電阻，探針分別接到P0.0～P0.7IO口上，對應 CH1～CH8探測通道。當探針處于斷開狀態，對應的IO口通過上位電阻為高電平，當探針處理接通狀態時，單片機對應的IO口通過探針接到地，為低電平。單片機與CC1100無線模塊通過SPI接口通信，將采集到的P0口狀態實時送入無線模塊。

2.2 主控端電路設計

因起爆器輸出電壓較高，為確保單片機系統的安全，對發電機信號采取光耦隔離，防止損壞單片機或對單片機正常工作造成干擾。在光耦前端處理電路中，采用大電阻分壓，二極管穩壓，再加限流電阻方式，確保流過光耦前端的電流在安全范圍內，不至于電流過大而損壞光耦。發電機檢測信號隔離后直接送到單片機的外部中斷0接口，通過中斷及時響應該信號，確保采集時間控制實時、準確。

2.3 單片機與CC1100模塊連接電路設計

無線檢測系統CC1100射頻模塊和單片機STC89C52的連接電路的原理是單片機STC89C52通過SPI總線配置CC1100內部寄存器和收發數據。CC1100射頻模塊的SPI總線包括4個引腳:CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)和MOSI(主出從入)。

CC1100射頻模塊具有標準的SPI硬件接口，對于不帶SPI串行總線接口的單片機來說，可以使用軟件來模擬 SPI的操作。單片機 STC89C52與CC1100射頻模塊的對應接法是:P1.6接MISO，P1.5 口接 MOSI，Pl.7 口接 SCK，P1.3 接 CSN。選用單片機的P1.5模擬數據輸出端MOSI;Pl.6模擬數據輸入端MISO，P1.7模擬SCK的輸出端;P1.3模擬從機選擇端CSN，由程序清零此I/O口，使得與它通信的射頻模塊CC1100作從機。

為了減少電路板噪聲對無線射頻通信的干擾，模塊中無線射頻電路部分做成單獨的電路板，在主電路板上留出插槽，無線電路板插在插槽上與主電路板微處理器通信，這樣既減少了電路干擾對無線通信的影響，又方便了在CC1100射頻模塊發生故障時更換新的模塊。

2.4 遠端采集軟件設計

首先初始IO口及SPI接口，檢測無線通信模塊，并對CC1100相關寄存器進行配置，配置完成后，發出一組測試數據，測試無線通信模塊工作是否正常。然后循環采集P0口高低電平狀態，并將采集到的信息通過SPI總線傳給CC1100無線模塊，將此信息發出。采集程序如圖2所示。

圖2 采集程序

3 實驗設計與結果分析

設計不同的起爆網絡，主要檢驗以下幾個功能:樣機所有通道的有效性;發射模塊與接收模塊的接收距離是否滿足實際要求;齊發爆破的情況下，檢測結果是否可靠;微差爆破的情況下，是否能夠克服炮孔間相互干擾，檢測結果是否可靠。為了檢驗樣機的可靠性，2013年3月23日進行了實爆作業。

(1)齊發爆破。8個通道的參數均設為0～50 ms。第一次驗證(實驗一)采用電雷管瞬發起爆1，3，5，7號通道對應的裝藥，其余通道對應的裝藥則不接雷管。第二次驗證(實驗二)則采用電雷管瞬發起爆，2，4，6，8號通道對應的裝藥，其余通道對應的裝藥則不接雷管。

(2)延期爆破。前5個通道參數分別設為50(± 15 ms)、110(± 20 ms)、200(± 25 ms)、310(±35 ms)、460(± 45 ms)，分別對應毫秒 3、5、7、9、11段導爆管雷管起爆，前5個通道對應的裝藥。第一次驗證(實驗三)時，用毫秒3、7、11段導爆管雷管起爆，1、3、5號通道對應的裝藥，其余通道對應裝藥不接雷管。第二次驗證(實驗四)時，用毫秒5、9段導爆管雷管起爆，2、4號通道對應的裝藥，其余通道對應裝藥不接雷管。

試驗結果見表2。由表2可知，所有通道均可有效工作，驗證了系統在齊發爆破中檢測盲炮結果的可靠性。實驗三和實驗四則驗證了系統在微差爆破中檢測盲炮結果的可靠性。

4 結論

提出了一種以ST89C52單片機為控制核心的無線數據采集系統設計方案，并從硬件和軟件兩個方面介紹了系統的相關技術要點和設計開發過程。該系統實現了對盲炮的遠程檢測，樣機經現場試驗，檢測結果可靠。該方案具有硬件結構簡單、可靠性高、低功耗、低成本、抗干擾等優點，能夠滿足復雜的應用環境。

表2 試驗結果

［1］GB 6722－2003.爆破安全規程［S］.2004.

［2］汪旭光，于亞倫，劉殿中.爆破安全規程實施手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］王民壽，王惠民.一起大型硐室爆破盲炮處理事故原因分析及處理方案［J］.四川水力發電，2002，21(1):33-34.

［4］姜志海.單片機原理及應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［5］郁有文，等.傳感器原理及工程應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［6］劉麗娜.數據采集系統中抗干擾分析［J］.陶瓷研究與職業教育，2005(3).

［7］李中華.一種遠程數據采集模塊的設計［J］.化工自動化及儀表，2003，30(2):48-53 .