基于微處理器γ射線輻射監(jiān)測(cè)儀的研制

高 潮，梁 爽

（黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，黑龍江，哈爾濱，150086）

隨著同位素應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展及應(yīng)用數(shù)量的增加，同位素已在醫(yī)療診治、建材探傷、輻照防腐、非接觸物位監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。國(guó)家環(huán)保部門(mén)及各應(yīng)用同位素行業(yè)對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的管理提出了新的要求，而同位素應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境劑量監(jiān)測(cè)，乃是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)管理內(nèi)容中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此各同位素應(yīng)用領(lǐng)域及行業(yè)都急需一種測(cè)量準(zhǔn)確、顯示直觀、具有數(shù)據(jù)存貯和數(shù)據(jù)通訊能力的放射性環(huán)境劑量監(jiān)測(cè)儀。γ射線輻射監(jiān)測(cè)儀的研究，采取以AT89C52為核心，把具有I2C總線功能的24系列E2PROM和RS232串口等元件作為外圍電路的設(shè)計(jì)思想[3]；同時(shí)采用改進(jìn)的探測(cè)技術(shù)和引入了微計(jì)算機(jī)數(shù)字分析處理技術(shù)；使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確、反應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力增強(qiáng)、靈敏度高、在測(cè)量范圍內(nèi)可編程設(shè)定參數(shù)、同時(shí)具有掉電保護(hù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，安裝方便等特點(diǎn)。同時(shí)儀表還獨(dú)具以下特點(diǎn)：

(1)對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的放射性劑量進(jìn)行連續(xù)的實(shí)施安全性監(jiān)督和記錄；

(2)對(duì)超過(guò)預(yù)設(shè)的環(huán)境劑量給予聲、光報(bào)警；

(3)能夠通過(guò)機(jī)箱面板上的按鍵，進(jìn)行設(shè)置放射性劑量閾值、復(fù)位以及啟動(dòng)和停止記錄，可編程設(shè)定劑量閾值和相關(guān)的參數(shù)；

(4)報(bào)警劑量值與發(fā)生時(shí)間的記錄和存貯可通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，并能隨時(shí)查看。由于采用存儲(chǔ)芯片和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，能夠在掉電時(shí)把數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)中；等到再次啟動(dòng)時(shí)，可從存儲(chǔ)芯片或用PC機(jī)中的相關(guān)程序讀取所需數(shù)據(jù)，便可以在劑量區(qū)看到以前的數(shù)據(jù)；

(5)可通過(guò)RS232串行數(shù)據(jù)接口來(lái)完成與計(jì)算機(jī)的信息讀寫(xiě)，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)上的軟件觀察前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)變化和圖像等相關(guān)信息，以便分析。

1 測(cè)量原理

放射性同位素是按其自身的固有規(guī)律發(fā)射出γ光子，它不受任何外部環(huán)境的干擾，γ光子穿過(guò)介質(zhì)前后的強(qiáng)度變化遵循比爾定律，可表述為如下函數(shù)[1]：

式中：I為射線被介質(zhì)吸收后的強(qiáng)度；

I0為射線被介質(zhì)吸收前的強(qiáng)度；

μ為介質(zhì)吸收系數(shù)；

d為介質(zhì)厚度。

探測(cè)器將γ光子變化轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，儀表對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算分析后，輸出與輻射劑量變化相符的信號(hào)。γ射線輻射監(jiān)測(cè)儀就是利用以上原理來(lái)測(cè)量γ射線環(huán)境劑量,并且根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值，判斷是否超出環(huán)境劑量的標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件電路

2.1 探測(cè)單元

核儀表按探測(cè)器的不同，可分為閃爍體、蓋革計(jì)數(shù)管、電離室等幾種。在這里，經(jīng)過(guò)綜合比較，探測(cè)器選用了蓋格計(jì)數(shù)管。優(yōu)點(diǎn)：成本低、溫度影響小、外圍電路簡(jiǎn)單、工作可靠。缺點(diǎn)：探測(cè)效率低。探測(cè)器傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)3個(gè)反向器先整形，整形后的信號(hào)作為IC4振蕩器的控制開(kāi)關(guān)，IC4振蕩器的輸出經(jīng)整形、驅(qū)動(dòng)后提供給微處理器處理。蓋革計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率是很低的，所以在低輻射劑量下的信號(hào)捕捉很困難，而且信號(hào)的統(tǒng)計(jì)漲落很大。使用設(shè)計(jì)的探測(cè)單元電路處理后，使得信號(hào)的捕捉非常容易，相應(yīng)的提高了儀器的靈敏度[2]。

2.2 處理器單元

硬件設(shè)計(jì)是以單片機(jī)89C52為主控部分并加上相應(yīng)外圍電路構(gòu)成的。以下是結(jié)構(gòu)框圖和介紹：

圖1 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of hardware design

主控部分由89C52單片機(jī)完成。其性價(jià)比高，片內(nèi)含8KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器，256BRAM，32個(gè)I/O口，3個(gè)16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)，可滿足系統(tǒng)要求。它可提供以下主要功能：

1.為系統(tǒng)測(cè)量提供精確的定時(shí)器；

2.通過(guò)計(jì)數(shù)器T0獲取探測(cè)器信號(hào)，并將其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換為輻射強(qiáng)度；

3.通過(guò)P1.0～P1.3控制PS7219顯示芯片的工作；

4.通過(guò)P1.4～P1.7在面板上提供4個(gè)功能鍵，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和存儲(chǔ)；

5.通過(guò)P3.0、P3.6、P3.7給出繼電器和指示燈輸出控制信號(hào)；

6.提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口，RXD、TXD為串行數(shù)據(jù)線，INT0、INT1為控制線；

7.用模擬I2C接口，控制數(shù)據(jù)掉電保護(hù)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的工作。

2.3 外圍電路

數(shù)碼管譯碼、驅(qū)動(dòng)電路，采用PS7219，其接口采用流行的同步串行外設(shè)接口，可與任何一種單片機(jī)相聯(lián)，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED；芯片自帶時(shí)鐘，無(wú)需任何外部元件，顯示功能強(qiáng)大[4]。主要完成數(shù)據(jù)顯示和面板指示燈的報(bào)警。

掉電保護(hù)電路，采用存儲(chǔ)芯片24C512，它是電可擦除可編程只讀串行存儲(chǔ)器，它體積小、專(zhuān)用I/O口少、價(jià)格低廉、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛使用于儀表設(shè)備中。它支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，可編程自定時(shí)寫(xiě)周期；有字節(jié)寫(xiě)入方式和頁(yè)寫(xiě)入方式兩種；除此之外，24C512具有噪聲保護(hù)施密特觸發(fā)輸入技術(shù)，保證芯片在極強(qiáng)的干擾下數(shù)據(jù)不丟失。

串行接口轉(zhuǎn)換電路，采用MAX232，它是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平。每個(gè)接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片8563，它是具有I2C接口的低功耗多功能時(shí)鐘/日歷芯片。在這里主要負(fù)責(zé)向89C52發(fā)出外部定時(shí)中斷和時(shí)間的讀寫(xiě)。

復(fù)位電路，由MAX708構(gòu)成，為89C52提供可靠的上電復(fù)位電平。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)報(bào)警音響的輸出。

3 通信協(xié)議

在儀表單片機(jī)和PC機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)中采用的三線制的一對(duì)一的主從通信方式。所謂主從就是儀表為主機(jī)，負(fù)責(zé)接收PC的命令并向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；而PC只是負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。根據(jù)51單片機(jī)串行口的通信特點(diǎn)，應(yīng)按照以下協(xié)議進(jìn)行：

1.由于是一對(duì)一的通信，因此串口方式字的SM2位必須置0處于單機(jī)通信狀態(tài)；

2.采用串行起止異步通訊方式；數(shù)據(jù)的傳送格式是：一個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，一個(gè)停止位。停止位為若干空閑位，所有位都要保持高電平；

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

4.由于以上的串口工作方式?jīng)Q定了串口中的定時(shí)器1采用工作方式2即TMOD寄存器控制字為0X25，計(jì)數(shù)初值寄存器TH1為0XFD；

5.儀表命令的接收采用的是查詢方式，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用外部中斷；其中中斷允許控制字為0X90；

6.由PC機(jī)向儀表發(fā)送的命令碼分別是：讀取24C512EEPROM的0X30H、寫(xiě)入EEPROM的0X65H、寫(xiě)入實(shí)時(shí)時(shí)鐘8563的0X68H、還有停止讀取和寫(xiě)入的0X66H；當(dāng)PC機(jī)向儀表發(fā)送以上命令碼時(shí)，便執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)概要：

軟件分為PC機(jī)用戶操作界面和儀表單片機(jī)系統(tǒng)兩部分。

PC機(jī)用戶界面主要用具有面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法的visual basic 6.0編寫(xiě)的，它具備友好的用戶界面，簡(jiǎn)單方便的串行通訊編程和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；該部分主要完成提供用戶向儀表發(fā)送命令和接收來(lái)自儀表的數(shù)據(jù)，同時(shí)并對(duì)數(shù)據(jù)完成讀寫(xiě)與存儲(chǔ)，預(yù)設(shè)參數(shù)的修改，圖像的分析[5]。

單片機(jī)系統(tǒng)部分是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。主要是完成數(shù)據(jù)的采集、對(duì)儀表中各個(gè)器件的初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵的處理、報(bào)警的聲和光的效果實(shí)現(xiàn)、響應(yīng)PC發(fā)來(lái)的命令并向PC機(jī)發(fā)送預(yù)處理的信息，以及放射性環(huán)境劑量的連續(xù)記錄和存儲(chǔ)。

4.2 設(shè)計(jì)流程：

由于軟件是采用C語(yǔ)言和Visual Basic 6.0共同完成的，考慮到既能體現(xiàn)各部分功能，又能方便于調(diào)試，故采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法；自頂向下的層次結(jié)構(gòu)。由于用戶界面部分是采用Visual Basic 6.0編寫(xiě)，所以必須編寫(xiě)控件的事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程；只有完成對(duì)界面的各個(gè)控件的屬性設(shè)置和事件過(guò)程的編寫(xiě)，才能實(shí)現(xiàn)界面中各個(gè)部分的功能，達(dá)到控制儀表和數(shù)據(jù)分析與處理的目的。

用戶界面的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是對(duì)通信控件Mscomm的設(shè)置和事件過(guò)程的編寫(xiě)；因?yàn)樗峁┝舜卸丝诳刂疲帘瘟送ㄐ胚^(guò)程中的底層操作；程序員只要設(shè)置、監(jiān)視Mscomm控件的屬性和事件，結(jié)合Timer控件即可完成對(duì)串行口的初始化和數(shù)據(jù)的輸入輸出工作，從而實(shí)現(xiàn)向儀表發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)的通訊過(guò)程。

單片機(jī)的程序流程主要由主程序模塊、以及其他相關(guān)的重要的子模塊組成。其中最為重要的子模塊就是記錄程序過(guò)程。對(duì)于記錄程序主要是完成記錄20天的劑量值，一天為一條記錄。記錄的過(guò)程就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程；要想將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到24C512芯片中，首先得劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，由于是一分鐘寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，所以時(shí)間的長(zhǎng)度可表示記錄數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，記錄一天正好是1440個(gè)數(shù)，一個(gè)數(shù)據(jù)占用兩個(gè)字節(jié)，故一條記錄就占用2880字節(jié)的空間；那么進(jìn)入下一條記錄的地址就由記錄入口地址=記錄指針*偏移量+0X100來(lái)計(jì)算，其中偏移量為0XB4C；經(jīng)以上等式的計(jì)算便可以進(jìn)入新的記錄地址空間并向其寫(xiě)入或讀取數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

γ射線輻射監(jiān)測(cè)儀采用改進(jìn)的探測(cè)技術(shù)和引入微計(jì)算機(jī)數(shù)字分析處理技術(shù)，提高了測(cè)量的靈敏度。儀表還具有數(shù)字顯示直觀、劑量報(bào)警界限準(zhǔn)確，并能長(zhǎng)期存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)，是一個(gè)具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、保護(hù)性、靈活性集于一身的多功能的放射性環(huán)境劑量監(jiān)測(cè)儀表。

[1]丁富榮.輻射物理[M］.北京∶北京大學(xué)出版社,2004.

[2]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M］.北京∶高等教育出版社,2001.

[3]李 華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M］.北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,1993.

[4]周明德.微型計(jì)算機(jī)接口電路及應(yīng)用[M］.北京∶北京清華大學(xué)出版社,1987.

[5]王克義,王均.硬件、軟件及接口技術(shù)教程[M］.北京∶北京清華大學(xué)出版社,1998.