基于微处理器γ射线辐射监测仪的研制

2012-10-10高潮，梁爽

黑龙江科学 2012年1期

高潮，梁爽

（黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江，哈尔滨，150086）

随着同位素应用领域的不断拓展及应用数量的增加，同位素已在医疗诊治、建材探伤、辐照防腐、非接触物位监测等方面发挥着不可替代的作用。国家环保部门及各应用同位素行业对应用现场的管理提出了新的要求，而同位素应用现场的环境剂量监测，乃是应用现场管理内容中的一个重要环节。因此各同位素应用领域及行业都急需一种测量准确、显示直观、具有数据存贮和数据通讯能力的放射性环境剂量监测仪。γ射线辐射监测仪的研究，采取以AT89C52为核心，把具有I2C总线功能的24系列E2PROM和RS232串口等元件作为外围电路的设计思想[3]；同时采用改进的探测技术和引入了微计算机数字分析处理技术；使得监测系统具有测量准确、反应时间短、抗干扰能力增强、灵敏度高、在测量范围内可编程设定参数、同时具有掉电保护和数据存储，安装方便等特点。同时仪表还独具以下特点：

(1)对应用现场的放射性剂量进行连续的实施安全性监督和记录；

(2)对超过预设的环境剂量给予声、光报警；

(3)能够通过机箱面板上的按键，进行设置放射性剂量阈值、复位以及启动和停止记录，可编程设定剂量阈值和相关的参数；

(4)报警剂量值与发生时间的记录和存贮可通过计算机完成，并能随时查看。由于采用存储芯片和计算机处理技术，能够在掉电时把数据保存到存储器和计算机中；等到再次启动时，可从存储芯片或用PC机中的相关程序读取所需数据，便可以在剂量区看到以前的数据；

(5)可通过RS232串行数据接口来完成与计算机的信息读写，用户可通过计算机上的软件观察前一段时间的数据变化和图像等相关信息，以便分析。

1 测量原理

放射性同位素是按其自身的固有规律发射出γ光子，它不受任何外部环境的干扰，γ光子穿过介质前后的强度变化遵循比尔定律，可表述为如下函数[1]：

式中：I为射线被介质吸收后的强度；

I0为射线被介质吸收前的强度；

μ为介质吸收系数；

d为介质厚度。

探测器将γ光子变化转换为电脉冲信号，仪表对电脉冲信号进行采集、运算分析后，输出与辐射剂量变化相符的信号。γ射线辐射监测仪就是利用以上原理来测量γ射线环境剂量,并且根据预设的阈值，判断是否超出环境剂量的标准。

2 硬件电路

2.1 探测单元

核仪表按探测器的不同，可分为闪烁体、盖革计数管、电离室等几种。在这里，经过综合比较，探测器选用了盖格计数管。优点：成本低、温度影响小、外围电路简单、工作可靠。缺点：探测效率低。探测器传来的信号经过3个反向器先整形，整形后的信号作为IC4振荡器的控制开关，IC4振荡器的输出经整形、驱动后提供给微处理器处理。盖革计数管的探测效率是很低的，所以在低辐射剂量下的信号捕捉很困难，而且信号的统计涨落很大。使用设计的探测单元电路处理后，使得信号的捕捉非常容易，相应的提高了仪器的灵敏度[2]。

2.2 处理器单元

硬件设计是以单片机89C52为主控部分并加上相应外围电路构成的。以下是结构框图和介绍：

图1 硬件设计结构框图Fig.1 Block diagram of hardware design

主控部分由89C52单片机完成。其性价比高，片内含8KB闪速可编程/擦除只读存储器，256BRAM，32个I/O口，3个16位定时 /计数器，6个中断源，两个优先级结构，可满足系统要求。它可提供以下主要功能：

1.为系统测量提供精确的定时器；

2.通过计数器T0获取探测器信号，并将其进行数据处理，转换为辐射强度；

3.通过P1.0～P1.3控制PS7219显示芯片的工作；

4.通过P1.4～P1.7在面板上提供4个功能键，以便进行数据修改和存储；

5.通过P3.0、P3.6、P3.7给出继电器和指示灯输出控制信号；

6.提供一个标准串行通讯接口，RXD、TXD为串行数据线，INT0、INT1为控制线；

7.用模拟I2C接口，控制数据掉电保护芯片、实时时钟芯片的工作。

2.3 外围电路

数码管译码、驱动电路，采用PS7219，其接口采用流行的同步串行外设接口，可与任何一种单片机相联，并可同时驱动8位LED；芯片自带时钟，无需任何外部元件，显示功能强大[4]。主要完成数据显示和面板指示灯的报警。

掉电保护电路，采用存储芯片24C512，它是电可擦除可编程只读串行存储器，它体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点，故广泛使用于仪表设备中。它支持I2C总线数据传送协议，可编程自定时写周期；有字节写入方式和页写入方式两种；除此之外，24C512具有噪声保护施密特触发输入技术，保证芯片在极强的干扰下数据不丢失。

串行接口转换电路，采用MAX232，它是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。

实时时钟电路，采用实时时钟芯片8563，它是具有I2C接口的低功耗多功能时钟/日历芯片。在这里主要负责向89C52发出外部定时中断和时间的读写。

复位电路，由MAX708构成，为89C52提供可靠的上电复位电平。

继电器驱动电路，实现报警音响的输出。

3 通信协议

在仪表单片机和PC机互联系统中采用的三线制的一对一的主从通信方式。所谓主从就是仪表为主机，负责接收PC的命令并向PC机发送数据；而PC只是负责接收数据并存储。根据51单片机串行口的通信特点，应按照以下协议进行：

1.由于是一对一的通信，因此串口方式字的SM2位必须置0处于单机通信状态；

2.采用串行起止异步通讯方式；数据的传送格式是：一个起始位，8位数据，一个停止位。停止位为若干空闲位，所有位都要保持高电平；

3.串口的工作方式：由于采用的晶振是 11.0592MHZ，波特率选择是9600bit/s，故串口采用工作方式1即 SCON寄存器控制字为 0X50，PCON寄存器控制字为0X80；

4.由于以上的串口工作方式决定了串口中的定时器1采用工作方式2即TMOD寄存器控制字为0X25，计数初值寄存器TH1为0XFD；

5.仪表命令的接收采用的是查询方式，数据的发送采用外部中断；其中中断允许控制字为0X90；

6.由PC机向仪表发送的命令码分别是：读取24C512EEPROM的0X30H、写入EEPROM的0X65H、写入实时时钟8563的0X68H、还有停止读取和写入的0X66H；当PC机向仪表发送以上命令码时，便执行对应的操作。

4 软件设计

4.1 设计概要：

软件分为PC机用户操作界面和仪表单片机系统两部分。

PC机用户界面主要用具有面向对象的设计方法的visual basic 6.0编写的，它具备友好的用户界面，简单方便的串行通讯编程和实用性强等优点；该部分主要完成提供用户向仪表发送命令和接收来自仪表的数据，同时并对数据完成读写与存储，预设参数的修改，图像的分析[5]。

单片机系统部分是采用C语言编写的。主要是完成数据的采集、对仪表中各个器件的初始化、数据显示、按键的处理、报警的声和光的效果实现、响应PC发来的命令并向PC机发送预处理的信息，以及放射性环境剂量的连续记录和存储。

4.2 设计流程：

由于软件是采用C语言和Visual Basic 6.0共同完成的，考虑到既能体现各部分功能，又能方便于调试，故采用模块化的程序设计方法；自顶向下的层次结构。由于用户界面部分是采用Visual Basic 6.0编写，所以必须编写控件的事件驱动过程；只有完成对界面的各个控件的属性设置和事件过程的编写，才能实现界面中各个部分的功能，达到控制仪表和数据分析与处理的目的。

用户界面的设计关键是对通信控件Mscomm的设置和事件过程的编写；因为它提供了串行端口控制，屏蔽了通信过程中的底层操作；程序员只要设置、监视Mscomm控件的属性和事件，结合Timer控件即可完成对串行口的初始化和数据的输入输出工作，从而实现向仪表发送命令和接收数据的通讯过程。

单片机的程序流程主要由主程序模块、以及其他相关的重要的子模块组成。其中最为重要的子模块就是记录程序过程。对于记录程序主要是完成记录20天的剂量值，一天为一条记录。记录的过程就是数据存储的过程；要想将数据存储到24C512芯片中，首先得划分数据存储空间，由于是一分钟写入一个数据，所以时间的长度可表示记录数据的个数，记录一天正好是1440个数，一个数据占用两个字节，故一条记录就占用2880字节的空间；那么进入下一条记录的地址就由记录入口地址=记录指针*偏移量+0X100来计算，其中偏移量为0XB4C；经以上等式的计算便可以进入新的记录地址空间并向其写入或读取数据。