基于單片機的X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的研究

王艷娜，周欣悅，崔凌云

（1.滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 河北 滄州 061001；2.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 滄州 061001；3.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 河北 滄州 061001）

核技術(shù)在給社會帶來巨大利益的同時，也影響著我們的健康與我們的生存環(huán)境，經(jīng)常帶來人員傷亡與環(huán)境污染等事故。在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測及科學(xué)試驗過程中同位素與射線裝置輻射屏蔽的不完全，使工作人員或多或少地會受到一定的輻射影響。在核技術(shù)為我們的生產(chǎn)和生活提供極大的便利同時，我們應(yīng)該考慮的是如何合理、安全的使用核技術(shù)，監(jiān)測環(huán)境輻射劑量率，保護人民的健康。因此，研制一種便攜的、穩(wěn)定的、高性能的用于環(huán)境的X-γ射線檢測報警系統(tǒng)是非常具有意義的[1-2]。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

X-γ射線檢測報警系統(tǒng)硬件組成包含了電源電路、顯示模塊、按鍵電路、報警電路、探測器、串行口通訊電路組成。如圖1所示，結(jié)合當前X-γ射線檢測報警系統(tǒng)具有的便攜，人機交互界面友好等優(yōu)點，引入了一些適應(yīng)這些趨勢的軟件設(shè)計方法，技術(shù)指標也由軟件實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

1.2 工作原理

X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的工作原理是：采用蓋革管對環(huán)境X、γ射線進行探測，通常狀態(tài)下，蓋革管內(nèi)氣體不放電，而當有高速粒子射入管內(nèi)時，粒子的能量使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電，在金屬絲電極與管壁之間產(chǎn)生快速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個脈沖電流信號，探測器把探測到的X、γ射線經(jīng)光電耦合器轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的脈沖信號送到單片機[3]。單片機的定時器設(shè)定計數(shù)時間，計數(shù)器記錄在一定長度的時間內(nèi)，輸入的脈沖個數(shù)。單片機通過一定的統(tǒng)計方法將脈沖個數(shù)轉(zhuǎn)換成劑量值，將劑量率顯示在液晶屏幕上或通過通訊接口送入計算機，還可與設(shè)置的報警參數(shù)比較，超出預(yù)設(shè)參數(shù)，控制報警電路進行報警。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 探測器電路

系統(tǒng)選擇了J304型X、γ計數(shù)管，它可以測量50 kev～1.5 mev的X、γ射線，靈敏度為350 cps/uSv。探測器信號接入光電耦合器用于控制發(fā)光二極管，光電耦合器光電晶體管部分輸出信號送入單片機計數(shù)器，這樣就起到了信號轉(zhuǎn)換和電氣隔離的作用。

2.2 單片機系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)由單片機、液晶顯示、按鍵電路和串行接口電路組成。

單片機選擇的是宏晶科技公司推出的新一代的高速、低功耗、超強抗干擾的STC89C51RC/RD+，它的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，內(nèi)部擁有16K字節(jié)的EEPROM，同時內(nèi)部還集成MAX810專用復(fù)位電路[4]。顯示模塊選擇了FT12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊，該模塊內(nèi)置8 192個中文漢字、128個字符可達128列×64行。由于STC89C58RD+單片機配有UART接口，它的接口符合TTL標準，可與計算機串行接口進行通訊。這兩個接口在通訊的時候，需要將端口的電平進行轉(zhuǎn)換，設(shè)計選用了MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。

2.3 電源電路

考慮到便攜性，供電電源采用鋰電池供電，供電電路輸出為+5 V/1 A、+12 V/130 mA、600～1200 V/300 μA。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序

C語言同傳統(tǒng)的單片機編程語言匯編語言一樣，也允許直接訪問計單片機內(nèi)部的地址，同時在編程設(shè)計時，C語言程序設(shè)計的自由度較大，語法限制不太嚴格。所以在設(shè)計中我們選擇了C語言作為本設(shè)計的編程語言，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。主程序流程圖如圖2所示。

3.2 計數(shù)程序設(shè)計

在一定的能量范圍內(nèi)，蓋革管的計數(shù)率與射線吸收劑量率有如下關(guān)系：

Dose=K·η

式中Dose為劑量率；K為比例系數(shù)；η為計數(shù)率。

蓋革管對X、γ射線的吸收劑量率與電脈沖頻率成正比，比例系數(shù)K可通過標準源來度量。由于蓋革管發(fā)出的脈沖計數(shù)與輻射劑量率成正比，因此，只要準確測量脈沖計數(shù)個數(shù)，再乘以一定大小的比例系數(shù)，就可以得到環(huán)境劑量率。軟件設(shè)計的核心內(nèi)容就是要測量在一定時間內(nèi)，單片機的T0引腳測量到的由蓋革管輸出脈沖的平均計數(shù)。

3.3 按鍵處理子程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了4個按鍵：功能鍵、上、下以及確認鍵，按下功能鍵可進入菜單，用“上”和“下”選擇所需的菜單項，確認鍵來確認。設(shè)計利用軟件掃描的方式檢查是否有按鍵按下。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of the main program design

3.4 通訊模塊設(shè)計

單片機的串行口與上位機的串行口連接實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的上報、采集。波特率9 600 b/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。

3.5 上位機軟件設(shè)計

我們利用VB編制了X－γ射線檢測報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上位機軟件，采用了MSCOMM、Timer等控件，系統(tǒng)串口連接到PC機的COM1端口，實現(xiàn)了成功的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

4 性能指標

適用范圍：可測量50 keV～1.25 meV的X、γ射線

劑量率測量范圍：0.1～999μSv/h

取樣時間：5 s

劑量率報警閾值：0.5～100 μSv/h（可調(diào)）

測量相對誤差小于±10%

5 系統(tǒng)試驗

5.1 試驗方法

X－γ射線檢測報警系統(tǒng)的主要功能就是檢測核輻射信號的強度，也就是劑量率。測量核輻射信號的強度的方法通常是由核輻射傳感器將射線轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再對核輻射傳感器輸出的脈沖進行計數(shù)測量，然后把測得的計數(shù)率轉(zhuǎn)化為核輻射劑量率值。在仿真實驗中，設(shè)置由信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬傳感器輸出的脈沖信號，通過測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號來模擬測量核輻射信號[5－6]。進行現(xiàn)場標準輻射源對比試驗時將制作好的兩臺相同的設(shè)備送到核安全電氣設(shè)備鑒定檢測中心，檢測標準輻射源，得到實際結(jié)果進行分析。

5.2 試驗結(jié)果

在仿真試驗中，利用信號發(fā)生器為系統(tǒng)輸入20 Hz的方波，X-γ射線檢測報警系統(tǒng)在5秒內(nèi)計數(shù)100次，與設(shè)計預(yù)期完全相符。在標準源測試試驗中，利用兩臺相同的設(shè)備（設(shè)備1和設(shè)備2）先測量普通環(huán)境下的輻射劑量率，然后再分別檢測 3種劑量為 0.958μSv/h、9.58μSv/h、99.14μSv/h的標準輻射源，分組記錄計數(shù)值，將設(shè)備1的計數(shù)列為A組，將設(shè)備2的計數(shù)列為B組，得到以下表1的數(shù)據(jù)。

表1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Test result

分析表中的誤差，最大相對誤差為9.4%，小于設(shè)計預(yù)期的10%，也符合 《環(huán)境地表輻射劑量率測定規(guī)范》（GB/T 14583-1993）和《輻射防護儀器誤差規(guī)定》（EJT 822-1994）對測量相對誤差的要求。

6 結(jié) 論

結(jié)合當前X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的需求，文中提出了一種便攜、經(jīng)濟的基于單片機的X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，利用單片機作為控制運算器，提高了系統(tǒng)集成度，減小了體積，同時硬件的模塊化設(shè)計便于維修和替換，經(jīng)試驗和實際使用表明，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場檢測要求，是一款經(jīng)濟、便攜的X-γ射線檢測報警系統(tǒng)，可以對輻射進行早期預(yù)警，有效的預(yù)防核輻射擴散帶來的潛在危害。

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