基于STM32的雷管电子保险装置设计

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0.引言

雷管使用中如果引爆系统屏蔽不够完善,使雷管中流过泄漏电流和电容电流达到一定的数值和作用时间,电流转化成足够的热能达到雷管炸药点燃温度(约180℃)时即可引爆,电雷管耐静电压为(1~3)×104V,超过(1~3)×104V 的静电压,从而引爆电雷管,造成爆破材料发生意外爆炸事故。本课题是在参阅了国内外关于雷管安全保险发展技术资料的基础上进行的国内雷管防护措施开发和研制的一次有益的尝试和探索,简要介绍了STM32F103RBT6 的主要功能和性能,完成了系统整体设计。

1.STM32F103RBT6简介

STM32F103RBT6 是一种高性能32 位微控制器(MicrocontrollerUnit),是意法半导体公司STM32 系列微控制器(MCU)的新一代产品之一。STM32F103RBT6 基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3 内核,不仅支持Thumb-2 指令集,还拥有强大的性能和代码密度以及位带操作、可嵌套中断、低成本和低功耗等多种优势。STM32F103RBT6 功耗36mA,是32 位市场上功耗最低的产品。其增强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品[1]。

该控制器把具有低成本、高性能处理的ARM Cortex-M3 内核CPU和几种先进的外围设备结合在一起,其主要特点有[2]:

(1)使用ARM 最新的、先进架构的Cortex-M3 内核,主频最高可达72MHz,在存储器的0 等待周期访问时可达1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1) ,可实现单周期乘法和硬件除法。图1为其内部结构框图。

图1 STM32F103RBT6 内部结构框图

(2)2.0~3.6 伏供电,减小了控制器的消耗。

(3)片内有高达32K 字节的Flash 程序存储器,高达1.5K 字节的数据/程序RAM,544 字节双口RAM(DARAM) 和ZK 字节的单口RAM(SARAM)。

(4)两个事件管理器模块EVA 和EVB,每个包括:两个16 位通用定时器;8 个16 位的脉宽调制(PWM)通道。事件管理模块适用于进行电机控制和逆变器控制。

(5)可扩展的外部存储器总共192K 字节空间,这包括64K 字节的程序空间,64K字节的数据空间,64K字节的地址空间。

(6)看门狗定时器模块(WDT)。

(7)10 位A/D 转换器最小转换时间为500ns,可选择两个事件管理器来触发2个8通道输入A/D 转换器。

(8)控制器局域网络(CAN)2.0B 模块。

(9)串行通信接口(SCI)模块和16位串行外设(SPD 接口模块。

2.系统整体框图

对于雷管中流过泄漏电流和电容电流造成爆破材料发生意外爆炸事故,我们目前只能采取:

(1)要求爆破作业人员采取穿防静电安全鞋、防静电工作服和防静电手套操作,避免因静电导致自爆事故。

(2)加强对引爆器管理,不得将引爆器放置在潮湿的地方,防止因潮湿导电引起自爆事故发生。

(3)严格爆破操作规程操作杜绝违章操作,防止事故发生。

(4)规范坑道线路架设,取缔变压器接地零线和照明接地零线,防止电气设备绝缘不良和接地不当而引起大地杂散电流。这样的防护措施显然不是我们所希望的安全可靠的安全保险装置。怎么解决这一系列的问题呢,如图2 我们设计的解决这个问题的电子保险装置工作流程图。

图2 电子保险装置工作流程图

其基本工作原理是:在对雷管完成装定以后,即启动电子安全保险装置,通过软件将微控制器的工作模式设置为低功耗模式,此时电子安全保险装置工作在待机状态,随时接收外界的解锁信号,待无线接收模块接收到解锁信号后,先通过主控对解锁信号进行分析,以确定是否为该保险装置的解锁信号,待确认无误后,微控制器即通过控制I/O 口将电击发信号传输通道解锁,使电击发信号传入雷管,以实现提高雷管装置安全性与可靠性的作用。

图3 电子保险装置的整体框图

3.上位机遥控模块

用微机做远程控制是电子保险装置的重要组成部分,它的控制原理如图4 所示,它主要任务是通过控制无线解锁信号发射终端向指定雷管发射相应解锁信号以实现对指定雷管进行控制的功能。

图4 IPM 接口电路

它的可视化界面可以通过Labview 编写,以实现对无线解锁信号发射终端的控制。

4.结论

本电子保险装置选取全数字化控制技术,主控芯片采用控制专业芯片STM32F103RBT6,使整个电子保险装置的控制都以数字化方法实现,使雷管的安全性与可靠性得到提高,全数字化的设计也符合发展的趋势。

STM32单片机中文官网
意法半导体/ST/STM

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