基于微處理器γ射線輻射監測儀的研制

高 潮，梁 爽

（黑龍江省科學院技術物理研究所，黑龍江，哈爾濱，150086）

隨著同位素應用領域的不斷拓展及應用數量的增加，同位素已在醫療診治、建材探傷、輻照防腐、非接觸物位監測等方面發揮著不可替代的作用。國家環保部門及各應用同位素行業對應用現場的管理提出了新的要求，而同位素應用現場的環境劑量監測，乃是應用現場管理內容中的一個重要環節。因此各同位素應用領域及行業都急需一種測量準確、顯示直觀、具有數據存貯和數據通訊能力的放射性環境劑量監測儀。γ射線輻射監測儀的研究，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計思想[3]；同時采用改進的探測技術和引入了微計算機數字分析處理技術；使得監測系統具有測量準確、反應時間短、抗干擾能力增強、靈敏度高、在測量范圍內可編程設定參數、同時具有掉電保護和數據存儲，安裝方便等特點。同時儀表還獨具以下特點：

(1)對應用現場的放射性劑量進行連續的實施安全性監督和記錄；

(2)對超過預設的環境劑量給予聲、光報警；

(3)能夠通過機箱面板上的按鍵，進行設置放射性劑量閾值、復位以及啟動和停止記錄，可編程設定劑量閾值和相關的參數；

(4)報警劑量值與發生時間的記錄和存貯可通過計算機完成，并能隨時查看。由于采用存儲芯片和計算機處理技術，能夠在掉電時把數據保存到存儲器和計算機中；等到再次啟動時，可從存儲芯片或用PC機中的相關程序讀取所需數據，便可以在劑量區看到以前的數據；

(5)可通過RS232串行數據接口來完成與計算機的信息讀寫，用戶可通過計算機上的軟件觀察前一段時間的數據變化和圖像等相關信息，以便分析。

1 測量原理

放射性同位素是按其自身的固有規律發射出γ光子，它不受任何外部環境的干擾，γ光子穿過介質前后的強度變化遵循比爾定律，可表述為如下函數[1]：

式中：I為射線被介質吸收后的強度；

I0為射線被介質吸收前的強度；

μ為介質吸收系數；

d為介質厚度。

探測器將γ光子變化轉換為電脈沖信號，儀表對電脈沖信號進行采集、運算分析后，輸出與輻射劑量變化相符的信號。γ射線輻射監測儀就是利用以上原理來測量γ射線環境劑量,并且根據預設的閾值，判斷是否超出環境劑量的標準。

2 硬件電路

2.1 探測單元

核儀表按探測器的不同，可分為閃爍體、蓋革計數管、電離室等幾種。在這里，經過綜合比較，探測器選用了蓋格計數管。優點：成本低、溫度影響小、外圍電路簡單、工作可靠。缺點：探測效率低。探測器傳來的信號經過3個反向器先整形，整形后的信號作為IC4振蕩器的控制開關，IC4振蕩器的輸出經整形、驅動后提供給微處理器處理。蓋革計數管的探測效率是很低的，所以在低輻射劑量下的信號捕捉很困難，而且信號的統計漲落很大。使用設計的探測單元電路處理后，使得信號的捕捉非常容易，相應的提高了儀器的靈敏度[2]。

2.2 處理器單元

硬件設計是以單片機89C52為主控部分并加上相應外圍電路構成的。以下是結構框圖和介紹：

圖1 硬件設計結構框圖Fig.1 Block diagram of hardware design

主控部分由89C52單片機完成。其性價比高，片內含8KB閃速可編程/擦除只讀存儲器，256BRAM，32個I/O口，3個16位定時 /計數器，6個中斷源，兩個優先級結構，可滿足系統要求。它可提供以下主要功能：

1.為系統測量提供精確的定時器；

2.通過計數器T0獲取探測器信號，并將其進行數據處理，轉換為輻射強度；

3.通過P1.0～P1.3控制PS7219顯示芯片的工作；

4.通過P1.4～P1.7在面板上提供4個功能鍵，以便進行數據修改和存儲；

5.通過P3.0、P3.6、P3.7給出繼電器和指示燈輸出控制信號；

6.提供一個標準串行通訊接口，RXD、TXD為串行數據線，INT0、INT1為控制線；

7.用模擬I2C接口，控制數據掉電保護芯片、實時時鐘芯片的工作。

2.3 外圍電路

數碼管譯碼、驅動電路，采用PS7219，其接口采用流行的同步串行外設接口，可與任何一種單片機相聯，并可同時驅動8位LED；芯片自帶時鐘，無需任何外部元件，顯示功能強大[4]。主要完成數據顯示和面板指示燈的報警。

掉電保護電路，采用存儲芯片24C512，它是電可擦除可編程只讀串行存儲器，它體積小、專用I/O口少、價格低廉、電路簡單等優點，故廣泛使用于儀表設備中。它支持I2C總線數據傳送協議，可編程自定時寫周期；有字節寫入方式和頁寫入方式兩種；除此之外，24C512具有噪聲保護施密特觸發輸入技術，保證芯片在極強的干擾下數據不丟失。

串行接口轉換電路，采用MAX232，它是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉換為5V TTL/CMOS電平。

實時時鐘電路，采用實時時鐘芯片8563，它是具有I2C接口的低功耗多功能時鐘/日歷芯片。在這里主要負責向89C52發出外部定時中斷和時間的讀寫。

復位電路，由MAX708構成，為89C52提供可靠的上電復位電平。

繼電器驅動電路，實現報警音響的輸出。

3 通信協議

在儀表單片機和PC機互聯系統中采用的三線制的一對一的主從通信方式。所謂主從就是儀表為主機，負責接收PC的命令并向PC機發送數據；而PC只是負責接收數據并存儲。根據51單片機串行口的通信特點，應按照以下協議進行：

1.由于是一對一的通信，因此串口方式字的SM2位必須置0處于單機通信狀態；

2.采用串行起止異步通訊方式；數據的傳送格式是：一個起始位，8位數據，一個停止位。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決定了串口中的定時器1采用工作方式2即TMOD寄存器控制字為0X25，計數初值寄存器TH1為0XFD；

5.儀表命令的接收采用的是查詢方式，數據的發送采用外部中斷；其中中斷允許控制字為0X90；

6.由PC機向儀表發送的命令碼分別是：讀取24C512EEPROM的0X30H、寫入EEPROM的0X65H、寫入實時時鐘8563的0X68H、還有停止讀取和寫入的0X66H；當PC機向儀表發送以上命令碼時，便執行對應的操作。

4 軟件設計

4.1 設計概要：

軟件分為PC機用戶操作界面和儀表單片機系統兩部分。

PC機用戶界面主要用具有面向對象的設計方法的visual basic 6.0編寫的，它具備友好的用戶界面，簡單方便的串行通訊編程和實用性強等優點；該部分主要完成提供用戶向儀表發送命令和接收來自儀表的數據，同時并對數據完成讀寫與存儲，預設參數的修改，圖像的分析[5]。

單片機系統部分是采用C語言編寫的。主要是完成數據的采集、對儀表中各個器件的初始化、數據顯示、按鍵的處理、報警的聲和光的效果實現、響應PC發來的命令并向PC機發送預處理的信息，以及放射性環境劑量的連續記錄和存儲。

4.2 設計流程：

由于軟件是采用C語言和Visual Basic 6.0共同完成的，考慮到既能體現各部分功能，又能方便于調試，故采用模塊化的程序設計方法；自頂向下的層次結構。由于用戶界面部分是采用Visual Basic 6.0編寫，所以必須編寫控件的事件驅動過程；只有完成對界面的各個控件的屬性設置和事件過程的編寫，才能實現界面中各個部分的功能，達到控制儀表和數據分析與處理的目的。

用戶界面的設計關鍵是對通信控件Mscomm的設置和事件過程的編寫；因為它提供了串行端口控制，屏蔽了通信過程中的底層操作；程序員只要設置、監視Mscomm控件的屬性和事件，結合Timer控件即可完成對串行口的初始化和數據的輸入輸出工作，從而實現向儀表發送命令和接收數據的通訊過程。

單片機的程序流程主要由主程序模塊、以及其他相關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程。對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。記錄的過程就是數據存儲的過程；要想將數據存儲到24C512芯片中，首先得劃分數據存儲空間，由于是一分鐘寫入一個數據，所以時間的長度可表示記錄數據的個數，記錄一天正好是1440個數，一個數據占用兩個字節，故一條記錄就占用2880字節的空間；那么進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來計算，其中偏移量為0XB4C；經以上等式的計算便可以進入新的記錄地址空間并向其寫入或讀取數據。

5 結束語

γ射線輻射監測儀采用改進的探測技術和引入微計算機數字分析處理技術，提高了測量的靈敏度。儀表還具有數字顯示直觀、劑量報警界限準確，并能長期存儲記錄數據，是一個具有準確性、穩定性、保護性、靈活性集于一身的多功能的放射性環境劑量監測儀表。

[1]丁富榮.輻射物理[M］.北京∶北京大學出版社,2004.

[2]童詩白.模擬電子技術基礎[M］.北京∶高等教育出版社,2001.

[3]李 華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M］.北京∶北京航空航天大學出版社,1993.

[4]周明德.微型計算機接口電路及應用[M］.北京∶北京清華大學出版社,1987.

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