电容放电式火工品发火电压检测仪.pdf

2 o 1 2年 5月 簟5期 电子测试 EL ECT RONI C TEsT M a y201 2 N o ． 5 电容放电式火工品发火电压检测仪 张晶威 ，孟立凡 仪器科学与动态测试国防重点实验室3 0 9 ，中北大学 太原0 3 0 0 5 1 摘要针对电容式放电火工品发火电压检测自动化生产的要求， 设计了一种基于电容放电式的火工品发 火电压检测仪 ， 该系统硬件平台以单片机S T M8 为核心， 集成了数控步进调压 电源， 电容放 电发火电路模 块， 并设计了放电开关驱动电路以提高开关导通速度， 提高电容能量的释放效率。 实验结果表明该测试仪 能模拟电容放电式火工品的发火过程， 操作简便， 满足其测试精度。 关键词火工品；检测仪器；S T M8 ；数字电源 中图分类号 T J 4 5 ，T D 2 3 5 文献标识码 A Fi r e vo l t a g e t e s t e r f or c a pa c i t y d i s c ha r ge d i ni t i a t i ng ● ● ● ● expl os w e de vin es Zh a n g J i n g we i ， Me n g L i f a n Ke y L a b o r a t o r y o f I n s t r u me n t S c i e n c e a n d Dy n a mi c Me a s u r e me n t T e c h n o l o g y ， No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 5 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t F o r t he r e q u i r e me n t s o f c a p a c i t y d i s c h a r g e p r o d u c t ， a t e s t s y s t e m b a s e d o n c a pa c i tyd i s c h a r g e h a s b e e n d e s i g n e d ． Th e M CU S TM 8 i s t h e c o r e o f s y s t e m ， a n d t h e d i g i t a l s t e p p o w e r ， c a p a c i t y d i s c h a r g e c i r c u i t h a v e b e e n c o mp a c t e d i n t h e s y s t e m ． An d o n e o f k e y div e r h a s b e e n d e s i gn e d f o r s p e e d i n g u p t h e s wi t c h c o n d u c ti n g ．Th e c a p a c i ty e n e r gy h a s b e e n u s e d f o r h i g h e ffic i e n c y ． Th e s y s t e m c o u l d s i mu l a t e t h e c a p a c i t y d i s c h a r g e d p r o c e s s i n g a n d me e t t h e t e s t i n g p r e c i s i o n ． Ke y wo r d s i n i ti a ti n g e x p l o s i v e d e v i c e s ；t e s t i n g e q u i p me n t ；S TM8；dig i t a l p o we r 万方数据 0 引言 具有储能作用的电解电容与欧姆级 n 小阻 值电阻构成 R C放电回路，其放电瞬间的大电流可 以在电阻上产生较高的热量， 足以导致涂抹在电阻 此发火电路中称为 “ 桥丝” 上的敏感化学药剂 发火，这是电容放电式火工品引信的机理 [ 1- 2 ] ，其 电路模型如图 1 所示。 C R 图 1 电容放电式发火电路简图 本文设计了一套基于电容放电式火工品引 信发火电压检测仪器。与传统的利用分立电源 调压测量的方式相比，本系统具有精度高，调 节方便，尤其能提高大批量火工品发火电压测 试 的效率。 1 发火电压测试仪的系统框架 本系统集成了数字电源步进调压的功能，利 用数模转换器 D A C 配合电源芯片实现系统的数 字调压，同时系统采用模数转换器 A D C 实时采 集系统中储能电容的电压值，并将数据反馈于微 控制器 MC U ，与设定电压比较，控制电容充电 电压。电压调节完成后，系统通过 L E D闪烁提示 电压调节完成，按下发火按键即可完成测试。系 统内容还包含校准、控制、显示和通信功能，外 部保留安装桥丝的接口，方便桥丝电阻的安装，系 统框架如图 2 所示。 电容放电式火工品发火电压测试仪系统框架 图 2 系统硬件平台框架 各模块功能 1 微控制器 MC U 本系统采用 S T M8单片机作为系统 的核心控 制器，主要应用了此单片机的普通 I ／ O I n p u t a n d O u t p u t 扫描按键，驱动数码管和 L E D显示电压 和系统状态，并驱动部分 MO S 开关实现控制。应 用了计数器做电容放电曲线的计时，此部分功能 可以用于系统发火电路的校准。应用1 2 C总线与 A D C ，D A C通信。应 用 U A R T与外部 MA X 2 3 2 芯片组成了系统的通信模块。 2 发火电路 系统的发火电路是由仪器内部的储能电解电 容，MO S 放电开关与外接被测桥丝组成，此模块 属于仿真真实系统的放电过程，其部件参数需要 与实际系统的性能参数一致，例如电容容值，桥 丝阻值，MO S 开关的静态导通电阻等参数 Ⅲ 。 系统 对 储 能 电容 充 电 后，S T M8控制 放 电 MO S 开关闭合，即R C回路放电，实现桥丝发火。 3 电压调节与发火控制电路 系统中储能电容的充电电压调节是依靠普通 的三端稳压器件与数模转换器 D A C 协同实现的， 其电路简图如图 3 所示。 万方数据 图 3 电容 充电调压 电路简 图 由 节点电流定律，a 处有如下公式 。㈩ 尺 ， ’ 尺， 。 尺 一 、 一 般 的三端稳压器 件 V ． d j 1 ．2 V ，确定了 和 的调节范围，即可得到R ， R ， R 三者的比 例关系， 一般而言选择 K Q级的电阻， 能够兼顾电 阻精度和电路功耗两方面的因素。实现了通过调整 D A C的输出模拟电压控制电 容充电电源的电压。 值得注意 的是在选 定了R ， R ， R 阻值 后 式 1 可以转化为 。 和 的比例关系，即 v o k V D 6 为比例系数， b 为常数 ，则确定 了D A C的分辨率与 输出电压步进档位的关 系。例如 输 出电容 的充 电电压调 节 范 围 是 5 ～ l 5 V，0 ． 0 5 V步长 调压，则系统输出为 2 0 0， 至 少 需 要 8位 D A C 2 5 6 L S B ， 但 D A C的电压输出电 压的调节精度被 D A C 的 量化 误 差 所 制 约 嘲 ， 例如 D A C的参考电压 5 V 则 其 1 L S B 0 ． 0 2 V ≈ O ． 0 2 V， 对 应 输 出 0 ．0 5 v ， 若 D A C输出电压的线 巴 两 节 充 电 镪 电 池 1 2 v ＼ 充电 性度有偏差，无法通过调整 D A C调节 ，若采 用高分辨率的 D A C ，通过比较设定电压和 A D C 的实际采集电压，可以调整 D A C的几个 L S B ，提 高 输出精度。 在发火电路控制部分，需要完成 与放电 开关 K的配备，即在电容充电状态开关 K断开 处输出闭合，放电状态需要 迅速断开，独 立电容放电的电路，紧接着开关 K闭合。 ． 4 电压采集 本系统通过 A D C采集电容输出电压，在 A D C 采集与储能电容之间需要连接射级跟随器 I6 - 7 ] ,隔 离电容放电电路与电压测量电路。 5 电源 本系统内部实现了步进数控电源的功能，并且 由于需要设备为便携手持式， 供电为锂电池，系统 内部还包含了升压电路。 系统电源分配图如图4 所示。 6 通信接 口 本系统利用 S T M8的串口与R S 2 3 2 芯片组成 R S 2 3 2通信模块，可以同上位机通信 完成仪器的 平台电源分布 L D 0 调整至 5 v M CU 2 ． 9 5 ～ 5 ． 5 V 基准凇 E F 运罅放大器配合 基准源R E F 5 V D A 步进调整 继 电器控制 电压，驱动电流参数待定 电容放电比较基准 参数待定 D A 转换器供电 图 4 系统 电源分布图 比较器、 运算放大器 供电 D c 6 ～ 1 5 V 步长O ． 0 5 万方数据 校准和数据读取等功能。 本检测仪的原理样机如图 5所示。 a 原理样机面板 b 原理样机背面接口 图 5 系统原理样机外观 2 系统的软件流程 系统 MC U控制流程如图 6所示。 系统上电后首先检测串口是否与上位机通信， 系统在与上位机通信过程调整程序参数校准仪器， 读取检测数据等功能检测 0 ．1 ms 无通信标志，则 执行测试流程。 系统在测试流程中，首先需手动输入仪器的 测试参数，如测试电压，电源快捷调节的步进步 长等，同时系统具备保留过去已设定参数功能，可 以简化操作流程，确认这些参数后，则系统通过 比较设定电压与电容充电电压，自 动的调节储能电 容的电压，电压调节精确后，指示灯闪烁提示可 以按下发火按键进行试验，测试完毕后检测放电 时间，保存数据，重复输入电压进行下一次测试。 图 6 系统软件执行流程 3 实验与结论 本系统是基于电容放电式火工品引信发火电 压检测仪器。经工程应用实践表明，与传统的利 用分立电源调压， 万用表测量的试验方式相比， 本 系统精度高，特别是较好的模拟了电容能量施加 于药剂发火的过程，见图 7 曲线。其中曲线 a 为 电容放电曲线，曲线 C 为 MOS 开关导通过程 ，曲 线 b 为两者之差，即为桥丝电阻的电压变化过程， 其中a ， b曲线的一致程度很高，证明电容能量有 效施加与桥丝。另外，系统操作操作方便，提高 了对大批量火工品发火电压的测试效率。 万方数据 2 o2 5 T e s t T o o l s＆ So l ut i o n 一 岫 。删㈣ ㈣ 践[ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 1 1 5 O O v ／圈 5 0 0 V ／ 墨 口 -9 8 ∞￡ 2 ．0 0 rJ ／ 触发 曩B 3 8 V n 。 究【 J 】 ．爆破器材，2 0 1 1 6 3 4 3 6 ． [ 5 】 程德福， 林君．智能仪器[ M】 ． 北京机械工程出 版社， 2 0 1 0 7 7 7 8 ． 【 6 ] 童诗白， 华成英． 模拟 电子技术基础 [ M】 ． 北京 0 O s I l A X AY 1 } 0 O V 园 鼍 c 椰 e ns 【 7 】 冈村迪夫．O P 放大电路设计【 M】 ．北京 科学出 图7 电容放电瞬间曲 线 版社， 2 0 0 4 8 9 ． 一 [ 1 】 王凯民， 温玉全．军用火工品设计技术【 M] ．北 ⋯ ⋯ 。 盈 京 国 防 工 业 出 版 社 ，2 0 6 l 2 3一l 2 4． ” 一 ⋯’ 一⋯～⋯ 一 ’ L 2 J 刈 明 Z - ， 张 小 ． 半 寻 体 价 电 跆 阴 恢 1 1 J 与 仍 具 ．火工品， 2 8 2 l 一 5 ． 系统、智能仪器。 [ 3 】马潮． A V R 单片机嵌入式系统原理与应用实 E m a iI z h a n g J V h 。 t m a _ l_c 。 m 上接 第 7 2页 参考文献 [ 1 】 朱小清， 詹云翔． 光度测量技术及仪器[ M] ． 北 京 中国计量出版社， 2 0 0 7 1 6 1 8 ． [2 】 李行善，左毅，孙杰， 等． 自动测试系统集成技术 [ M】 ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 4 8 - 9 ． 【 3 】 叶国文． 基于单片机的温湿度变送器的设计 【 J ] 微计算机信息，2 0 0 8 ，2 4 2 3 1 2 6 - - 1 2 8 ． [ 4 】 白泽生， 白宗文．一种简易光照度检测电路的 设计[ J ] ．现代电子技术，2 0 0 6 1 1 9 1 - 9 2 ． [ 5 】王莘之．单片机应用系统抗干扰技术f M】 匕 京 北京航空航天大学出版社，2 0 0 0 1 0 1 3 ． 【 6 】 刘彬， 张秋掸． 光 电检测前置放大电路的设计 【 J 1 ． 燕山大学学报， 2 0 0 3 ， 2 7 3 1 9 3 1 9 6 ． [ 7 ] 曹国华， 高艺．高速嵌入式单片机与接口技术 [ M] ． 北京 国防工业 出版社， 2 0 0 5 9 2 4 ． [ 8 ] 钟波， 丁永刚． 基于A T ME GA 8 的温湿度系统的 设计 [ J ] ． 电子测试， 2 0 0 9 3 4 3 - 4 6 ． 作者简介 王 莹莹 ，本 科 ，主要研 究方 向为传感器智能仪器等。 叶国文 ，职称 高级工程 师 、 硕 士 ，主要研 究方 向 传感 器 、信号处理与分析等。 E-mai l y e g u o wen 2 1 2 6． C0m _ 万方数据