基于單片機的X射線食鹽碘含量在線測控系統

摘要：采用X射線熒光法對食鹽碘含量在線測控的系統進行設計。結果表明，該系統能夠快速、無損地現場測試碘含量，并且能夠實時提供食鹽加碘閉環控制信號，用以對添加碘液的電磁閥進行調節，使食鹽中的碘含量始終保持在規定范圍之內。系統硬件部分是由單片機STC12C5616AD和上位機PC組成。單片機用來完成碘酸鉀的閥門驅動控制和碘含量信號的采集，上位機則用計算機完成對碘含量的數據分析處理、顯示打印等操作，并且給單片機提供電磁閥控制反饋信號。

關鍵詞：X射線熒光法；食鹽碘含量；在線測控系統；單片機STC12C5616AD

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2420-03

根據X射線熒光法[1，2]的原理，當碘鹽樣品的質量厚度大于飽和質量厚度時，熒光計數率與碘鹽含碘量之間存在線性關系[3]。本研究設計的基于單片機的X射線食鹽碘含量在線測控系統在傳統的加碘食鹽生產線中引入“碘含量的在線檢測儀”，添入閉環調節碘劑（碘酸鉀），使食鹽中的碘含量嚴格控制在國家標準之內[4]。碘含量的檢測是食鹽生產過程中一個非常關鍵的環節，基于食鹽碘含量在線檢測的全自動閉環控制食鹽加碘，不僅能保證食鹽最后的生產質量，同時也是提高生產效率、節約成本的一個關鍵因素。

1 設計方案與原理

在線測控碘含量的食鹽生產流程如圖1所示。該設計的總體思路是用“碘含量的在線檢測儀”代替傳統開環控制自動加碘的人工化驗操作[4]，并將食鹽中對應碘含量的X射線信號轉換成與之成線性關系的標準電信號，并將該標準電信號反饋到碘液添加調節機構，控制碘液調節執行機構（計量泵或調節閥）的碘液流量大小，從而實現食鹽生產過程中碘含量的在線檢測和實時控制，確保食鹽中碘含量嚴格控制在國家規定的標準范圍之內。

為保證碘含量在線檢測過程的實時性，以及便于及時提供食鹽加碘閉環控制環節的控制信號，“碘含量的在線檢測儀”需將X射線譜通過衍射、放大及變換轉化為與碘含量成線性關系的標準電信號，該電信號經A/D轉換后傳送給上位機，上位機進行適當算法處理，得到碘液添加的修正參數后傳遞給單片機，單片機最后根據這些參數完成對碘液調節閥的電機控制。

2 硬件的設計

X射線的食鹽碘含量在線測控系統的硬件設計由以下部分組成：光電轉換及放大保持電路，A/D轉換，X射線照射源控制，電機驅動，多點控制單元主控芯片以及計算機處理和顯示。其中主控芯片采用當前流行的國產宏晶科技生產的單片機STC12C5616AD[5]，它是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。STC12C5616AD內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉換（250 KSPS），該單片機適用于電機控制和強干擾場合。系統中X射線管的開啟和曝光控制驅動采用芯片MC1413P，光電探測器選用XR-100CR，采樣放大保持電路由LF398和OP28組成，碘液電磁閥的驅動控制芯片選用ULN2003。系統的硬件結構框架如圖2所示。

2.1 X射線照射源的控制

考慮到如果每次依靠手動來啟動X射線管和控制X射線曝光時長，會對X射線管的壽命產生一定影響，因此可以通過多點控制單元控制X射線管的開啟和X射線曝光時長，控制驅動芯片采用的是MC1413P[6]。

2.2 探測器的光電轉換

通過“碘含量的在線檢測儀”將X射線譜衍射后，選取與碘對應的X射線。然后X射線進入光電探測器。光電探測器選用XR-100CR[7]電制冷SI-PIN探測器組件，該探測器采用硅光敏二極管作為X射線的靈敏元件，將帶有反饋電路的場效應管作為輸入級；XR-100CR同時也是一種新型高效的X射線探測器、前置放大器。在制冷系統中用熱電冷，SI-PIN光電二極管分辨率高達149 eV。

2.3 采樣-保持與放大保護電路

由于單片機的工作電壓一般為5 V，而探測器的輸出電壓又只有幾十個毫伏，因此在進行A/D轉換前必須經過采樣-保持以及放大保護電路。采樣-保持電路由LF398組成。LF398采樣-保持器由雙極性絕緣柵場效應管組成，它具有采樣速度快、下降速度慢、精度高等特點，采樣時間小于6 μs時精度可達0.01%。芯片上的邏輯輸入端均為具有低輸入電流的差動輸入，允許直接與TTL、PMOS和CMOS相連，差動門限為1.4 V，電源電壓可在±5 V和±18 V間變化。LF398采樣-保持電路典型的電路連接如圖3所示。第8引腳與單片機的P13引腳相連，用來控制電路的工作狀態；第2引腳連接直流調零電路，調節電位器，使通過其的電流約為0.6 mA左右，并使Vin=0 V時，輸出電壓Vo1（t）=0 V。其中C11為外接保持電容。

放大保護電路由CR微分電路以及放大過保護電路組成。其中放大器選擇OP285，它既有JFET放大器的壓擺率和低功耗特性，又具備雙極性放大器的精密、低噪聲和低漂移優勢，而且壓擺率為22 V/μs，增益帶寬為230 MHz。放大保護電路如圖4所示。

圖4中C1和R21構成微分電路，不僅可有效濾除XR-100CR探測器組件輸出的低頻波形和由電纜串入的低頻噪聲，而且有利于獲取較理想的信噪比充當信號白化濾波器。OP285起信號放大作用，D1反向二極管避免輸出負電壓時對A/D轉換器的損壞。

2.4 MCU主控芯片模塊

使用STC12C5A60S2系列的STC12C5616AD型號的單片機[8]，它的工作電壓為3.5～5.5 V，內部集成有16 kB的Flash程序存儲器、1 280字節RAM，另外還有8路高速10位A/D轉換（250 KSPS）、2路PWM、2路串口。這些特性足以方便實現該單片機與計算機之間的異步串口通信、程序存儲器的讀寫、RAM緩存以及電機控制等。

2.5 A/D轉換模塊

由于STC12C5616AD內部已經集成了8路高速10位A/D轉換（250 KSPS），只需選取其中一路I/O引腳就可以滿足需求，既節省了資源，又能防止使用外部A/D轉換器帶來的干擾而產生不穩定。

2.6 電機驅動模塊

采用驅動控制芯片ULN2003[9]作為液體碘酸鉀流量大小閥門控制的動力。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由7個硅NPN達林頓管組成，且每一對達林頓都串聯一個2.7 kΩ的基極電阻。在5 V的工作電壓下，它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。另外ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統。

2.7 數據處理與顯示模塊

由于單片機的CPU運算速度和處理精度有限，所以單片機在A/D轉換后通過UART端口，經過RS232電平轉換后要送給上位機PC完成對數據的分析處理。上位機采用VC 6.0進行編程，對從UART來的數據要進行顯示、打印等，分析處理后的數據再經過UART反饋給單片機，最后由單片機的PWM來產生碘液閥門開啟大小的驅動控制信號，完成對碘液的閉環控制。

3 軟件的設計

軟件設計包括上位機監測數據處理程序設計和下位機程序設計。

上位機采用VC 6.0軟件實現碘含量數據的分析處理、回放、打印輸出等功能，把處理后的數據傳送給下位機，使下位機的電機碘液的閥門得到有效控制并提供友好的人機界面。

下位機采用Keil開發工具可實現現場數據的采集，與上位機進行通信，向上位機發送采集的碘譜線濃度的強度信息。下位機與上位機的通信采用查詢和中斷方式，并有奇偶校驗位以保持數據傳輸的正確性。由于采用的是STC12C5A60S2系列的單片機，該單片機有2個采用UART工作方式的全雙工串行通信接口。只選取一個可便捷實現與上位機的雙向通信[10，11]。

下位機軟件設計流程如圖5所示。

單片機開機系統初始化后便進入主程序，開始循環，接著調用子程序對A/D掃描并緩存在寄存器中；如果有外部串口中斷，單片機就根據串行控制寄存器的REN=1接受中斷請求，若REN=0，則禁止中斷。中斷控制是發送還是接收中斷請求由TI和RI決定，由于TI和RI以邏輯關系向單片機請求中斷，所以主機響應中斷時事先并不知道是TI還是RI請求的中斷，必須在中斷服務程序中查詢TI和RI進行判斷。所以若單片機接收到的是發送指令，則單片機就從發送緩存器中寫入當前A/D轉換值并發往上位機；若單片機接受到的是接收指令，則單片機讀出數據緩存器中數據并進行電機的相關操作。

4 結語

引入“碘量的在線檢測儀”，采用STC12C5616AD主控制芯片實現X射線熒光的采集、電機驅動控制、串口通信等功能，使系統穩定，抗干擾能力更強；采用數據處理強大的上位機PC進行碘含量計算分析處理；同時系統在探測器直接衍射后的眾多光譜中選取碘的X射線光譜，并將之轉換為與碘含量成線性關系的標準電信號，然后把該標準電信號送入單片機，從而使系統設計更加簡潔。試驗證明，該系統切實可行。該系統直接投入食鹽生產后，將提高生產效率，節約原材料及人力資源，提高產品合格率，產生巨大的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

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