數(shù)字電位器在輻射源安全監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)方法中調(diào)節(jié)電路中電壓、電流等參數(shù)大多采用機(jī)械式電位器，而數(shù)字電位器的大量應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)機(jī)械式電位器存在的調(diào)節(jié)麻煩、精確度差等缺點(diǎn)。為此，本文詳述了在輻射源監(jiān)管系統(tǒng)中采用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)高壓的方案，并給出部分電路圖。該方案的基本原理是，通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)字電位器MCP41050，改變抽頭端電壓，使PWM控制芯片SG3524輸出占空比變化， 從而控制升壓變壓器調(diào)節(jié)高壓電路。應(yīng)用表明，采用數(shù)字電位器的方案，控制精度可大大提高、操作方便，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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關(guān)鍵詞：C8051F206;數(shù)字電位器MCP41050;SG3524;SPI

中圖分類號(hào)：TM547 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-130-03

The Application of Digital Potentiometer in the Monitoring 

Management System of Radioactive Source

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ZHANG Fan1，2

(1.Shaanxi Electronic Products Monitoring and Testing Institute，Xi′an，710004，China;

2.Shaanxi Information System Engineering Evaluation and Testing Centre，Xi′an，710004，China)

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Abstract：Compared with the traditional mechanical operation method，in some research institutes and factories，digital potentiometer is suggested to be introduced to collect more precise parameters in a convenient way.In this connection，an application of digital potentiometer in a monitoring system both for a real-time testing and a tele-management is necessary.This article presents the whole components of the proposed system and explains its key circuit layout in details with a brief programmed comparison in C language.The implementation of this digital potentiometer application suggestion has showed that all the above purposes could be fully approached.

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Keywords：C8051F206;digital potentiometer MCP41050;SG3524;SPI

1 引 言

在許多廠礦和科研單位，為了測(cè)量一些常規(guī)方法無(wú)法測(cè)量的物理參數(shù)，經(jīng)常使用放射性輻射源，利用核物理原理測(cè)量參數(shù)。因?yàn)榻佑|大劑量放射性輻射源對(duì)人類身體健康產(chǎn)生巨大危害，所以我們?cè)O(shè)計(jì)輻射源監(jiān)管系統(tǒng)就是對(duì)放射源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到防范放射源丟失，被盜以及存放場(chǎng)所意外災(zāi)害等事故。在意外事件產(chǎn)生時(shí)，可及時(shí)報(bào)警，監(jiān)管部門可實(shí)時(shí)無(wú)障礙得到信息。輻射源安全監(jiān)管系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)、集中管理中心系統(tǒng)構(gòu)成。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)完成對(duì)放射源的監(jiān)測(cè)及放射源存放場(chǎng)所的火災(zāi)以及入侵等監(jiān)測(cè)，并與集中管理中心系統(tǒng)無(wú)線實(shí)時(shí)通訊，集中管理中心系統(tǒng)可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)存放放射性物質(zhì)的場(chǎng)所進(jìn)行監(jiān)控，如有異常，及時(shí)報(bào)警，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)，及時(shí)把報(bào)警信息送到監(jiān)管部門。下面詳細(xì)介紹現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)，完成對(duì)放射源的監(jiān)測(cè)。

2 硬件原理

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)由電源部分，輻射源監(jiān)測(cè)部分，火災(zāi)檢測(cè)部分，入侵檢測(cè)部分，人機(jī)界面部分，無(wú)線發(fā)射部分組成。

輻射源監(jiān)測(cè)部分由碘化鈉晶體、光電倍增管、高壓電路、信號(hào)采集等電路組成。當(dāng)有χ、γ射線時(shí)，碘化鈉晶體會(huì)將χ、γ射線轉(zhuǎn)化為光粒子，這些光粒子再經(jīng)過(guò)光電倍增管處理產(chǎn)生電流脈沖，該脈沖的頻率正比于周圍環(huán)境劑量率，脈沖經(jīng)整型采集后由CPU進(jìn)行運(yùn)算，可得出當(dāng)前周圍環(huán)境劑量率。在輻射源周圍，輻射劑量非常大，而正常環(huán)境輻射劑量處于一很低范圍內(nèi)，如輻射源移動(dòng)，隔離等相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，χ、γ射線強(qiáng)度迅速改變，從而影響產(chǎn)生的光離子多少，反應(yīng)到脈沖個(gè)數(shù)改變，CPU對(duì)脈沖數(shù)整形采集計(jì)算后判斷：當(dāng)劑量降低，說(shuō)明輻射源遠(yuǎn)離探測(cè)器，反之，說(shuō)明輻射源靠近探測(cè)器，如果劑量等于或接近環(huán)境劑量，說(shuō)明輻射源以被移走。根據(jù)此原理實(shí)時(shí)監(jiān)控輻射源。

碘化鈉晶體工作需要直流高壓，直流高壓的穩(wěn)定程度直接影響輻射檢測(cè)的準(zhǔn)確性，且不同晶體電壓不相同，本電路通過(guò)SG3524，變壓器，倍壓電路，把5 V直流電升壓到600～900 V高壓，采用MCP41050數(shù)字電位器調(diào)節(jié)SG3525同項(xiàng)輸入電壓，使輸出高壓可以精密調(diào)節(jié)。高壓信號(hào)通過(guò)精密電阻分壓送入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)計(jì)算、顯示、處理等。

3 硬件簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)由C8051F206單片機(jī)作為核心，MCP41050數(shù)字電位器，SG3524電路，F(xiàn)M25640鐵電存儲(chǔ)器，RT12864(含中文字庫(kù)液晶等組成部分)。

3.1 C8051F206單片機(jī)

C8051F206是美國(guó)SILICON LABORATORIES公司推出51內(nèi)核的單片機(jī)，具有32通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、可編程放大增益，兩個(gè)比較器，21個(gè)中斷源，在25 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)速度可達(dá)到25 MIPS，1 kB+256 B的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，8 kB在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O口線，可同時(shí)使用的硬件SPI及UART串口，3個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。專用的看門狗定時(shí)器，強(qiáng)大功能使C8051F系列單片機(jī)使用越來(lái)越多。

3.2 SG3524電壓調(diào)節(jié)芯片

SG3524是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司(Silicon General)推出的PWM芯片。

上電過(guò)程中，基準(zhǔn)電壓接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM鎖存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。

3.3 MCP41050數(shù)字電位器

MCP41050是MICROCHIP公司推出的單通道數(shù)字電位器，具有256抽頭，采用低功耗CMOS技術(shù)，SPI接口非常適合與單片機(jī)接口。

A0，PB0，PW0分別是數(shù)字電位器的A端、B端和抽頭接頭，CS，SCK，SI是與CPU的SPI接口。

MCP41050器件是256級(jí)單通道數(shù)字電位器，可以替代標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械電位器，電位器由一個(gè)可變電阻和一個(gè)用來(lái)決定抽頭位置的8位數(shù)據(jù)寄存器組成。根據(jù)數(shù)據(jù)寄存器中的值，改變抽頭和任一端間的電阻變化，編碼為0時(shí)將抽頭連接到B端上，編碼為255時(shí)抽頭連接到A端上。

數(shù)字電位器通過(guò)SPI接口與CPU進(jìn)行通訊，CPU通訊時(shí)發(fā)送16個(gè)脈沖，兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是命令字，選擇通道和操作，第二個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)，即改變的數(shù)據(jù)寄存器的值，電位器根據(jù)數(shù)據(jù)寄存器的值，改變電阻。

4 工作原理

高壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓接到SG3524反向輸入端，提供反饋信號(hào)。同向輸入端接到MCP41050數(shù)字電位器的抽頭端，CPU與數(shù)字電位器通訊，改變數(shù)字寄存器的數(shù)值，即調(diào)節(jié)抽頭點(diǎn)的電平高低，這樣可調(diào)節(jié)高壓輸出端電壓，經(jīng)負(fù)反饋電路，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程結(jié)合KEIL C編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)。

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/**********************/

Main()

{uint z;

SysInit(); //CPU初始化

While(1)

{if(OneSecF==1)

{OneSecF=0; //1 s到

RunLed=!RunLed; //運(yùn)行燈閃

z=TH0<<8;

z=z+TL0; //讀取記數(shù)值

z=DoseCalculate(z); //劑量計(jì)算

if((zUpperLimit) //劑量超限

AlarmSub(); //報(bào)警

FireDetectorSub(); //火警監(jiān)測(cè)

InfraredDetectorSub();} //紅外監(jiān)測(cè)

KeyinSub(); //按鍵掃描

AdConversion(); //AD轉(zhuǎn)換

DisplayVol(); //顯示電壓

if(KeyinF==1)

{KeyinF=0;Keyindeal(); //鍵盤操作

PowerDownSub(); //CPU休眠

}

VoltageAdjust(vol)

uchar vol;

{uchar i，j;

CsR=0; //片選有效

j=0x11; //命令字

for(i=0;i<8;i++)

{SioR=j0x80;j=j<<1;

SclkR=0;SclkR=1;} //發(fā)命令字

for(i=0;i<8;i++)

{SioR=vol0x80;j=j<<1;

SclkR=0;SclkR=1;} //發(fā)數(shù)據(jù)

SclkR=0;CsR=1; //片選無(wú)效

}



6 結(jié) 語(yǔ)

本文的創(chuàng)新意義在于使用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)高壓，利用無(wú)線通訊模塊非接觸調(diào)節(jié)晶體電壓值，因?yàn)椴捎?56抽頭高精度調(diào)節(jié)和負(fù)反饋電路，單片機(jī)內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器采樣，使工作高壓穩(wěn)定、準(zhǔn)確，輻射源劑量測(cè)量靈敏、準(zhǔn)確，完全滿足要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)中有很大實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Cygnal Integrated Products.Inc..C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析\\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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［2］張俊謨.SoC單片機(jī)原理與應(yīng)用——基于C8051F系列\(zhòng)\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.



［3］馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)\\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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［4］李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用\\[M\\].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

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［5］遲成文.高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)\\[M\\].北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2001.

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［6］王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全\\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

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作者簡(jiǎn)介 張 帆 女，1973年出生，工程師。主要從事電子產(chǎn)品檢驗(yàn)、軟件評(píng)測(cè)、安防工程檢測(cè)以及智能建筑工程檢測(cè)。