手持式汞含量檢測儀器電路控制系統的設計與實現

李 輝

（中核建中核燃料元件有限公司江南分公司質量技術部，四川 宜賓644000）

0 引言

X射線用于元素分析，是一種新的分析技術，但在經過二十多年的探索以后，現在已比較成熟，已廣泛應用于冶金、地質、有色等各個領域。項目組通過對車間產生大量含汞廢舊金屬背景進行了調研和討論，確定了檢測儀器直讀、智能小型化、便攜式目標，研制了Ux-920型含汞廢物XRF檢測儀器樣機,為無害化處理結果提供檢測手段，最終確定無害化衡量標準。

1 手持式XRF儀器主要組成部分

XRF檢測儀器原理示意圖如圖1所示。X射線發生器產生的X熒光經濾光器后照射試樣，試樣中汞原子的內殼層（K、L或M殼層）電子被激發逐出原子而引起殼層電子躍遷，并發射出該元素的特征X射線（熒光），經準直器后，由探測器進行檢測，得到汞原子的特征X射線能譜，從而確定試樣汞的含量。

圖1 XRF檢測儀器原理示意圖

2 手持式XRF儀器控制板的電源控制電路設計

2.1 電源芯片具體信號分析

2.1.1 5V轉3.3V電源芯片選擇

本設計中，選擇的電源芯片是NCP1529，該芯片可以將5V的電壓轉成單片機工作所需要的3.3V電壓，最大輸出電流為1A，完全可以滿足單片機工作需求，同時，該芯片體積小，適合高度集成的電路板，有效節省PCB資源，而且該芯片為開關電源，轉換效率很高，這樣就避免了線性電源發熱嚴重需要加裝散熱器的問題。

2.1.2 隔離電源選擇

該系統中，由于用到了很多的模擬電路，同時要求探測器有很高的穩定性和準確度，所以最好的辦法就是數字電源和模擬電源分開，數字地和模擬地分開，數字地和模擬地的分離可以選擇磁珠或者電感線圈來實現，但數字電源和模擬電源的分離就必須使用專門的隔離電源，這樣可以有效地減少數字電路部分和模擬電路部分之間的相互串擾，在本設計中，選擇的隔離電源是B0505S,用來將數字5V和模擬5V電源隔離開，然后數字5V和模擬5V就可以分別產生電路工作所需要的數字3.3V和模擬3.3V電壓。

2.1.3 12V轉5V電源芯片選擇

由于電池輸出的是12V電壓，而很多元器件都需要的是5V的工作電壓，因此還需要一個將12V轉5V的芯片，在這里選擇的也是開關電源LM2576,該電源理論轉換效率很高，而且很重要的一點就是它自身有一個開關控制信號，可以通過判斷該控制信號的高低電平來控制電源芯片是否工作，這樣就可以大大的節省能耗，延長電池必要的工作時間以及使用壽命等。

2.2 電源控制電路設計基本思路

由于電池電量有限，為了盡可能地保證電池的利用效率，需要對電池電量的使用做一個很好地管控，當系統某部分電路需要使用電池做電源驅動的時候就啟動電池與該部分電路對應的接口，使能電壓控制，否則就切斷電路與電池的聯系，把功耗降到最低。

2.3 電源原理圖

2.3.1 USB供電端口

圖2 USB供電端口圖

USB供電端口見圖2，電壓從端口1出來以后，經過一個濾波電感和500MA保險絲，再通過二極管IN4001將電壓降低大概0.7V以后再連接到系統供電線路中。

2.3.2 電池供電端口

圖3 電池供電端口圖

電池供電端口見圖3，通過一個兩PIN的端子分別連接電池的正極和負極，通過2A的自恢復保險絲來實現對電池的短路保護。

3 手持式XRF儀器步進電機驅動電路設計

THB6128驅動電路原理見圖4，除了基本的上電配置電路以外，在這里使用了一個四路的光耦，用來匹配單片機控制信號和電機驅動信號的電壓，由于STM32只能輸出3.3V電壓，而控制步進電機驅動芯片工作需要5V的輸入電壓，通過光耦隔離可以輕易地實現這一點。

4 手持式XRF儀器核心處理器STM32電路設計

4.1 芯片說明

該單片機自身內部集成了多通道、高精度的AD,DA可以用來檢測外部輸入的模擬量以及輸出一定范圍的模擬電壓，同時該芯片有內部集成的USB通信功能，可以和上位機實現速度較快的USB傳輸，相對于串口而言，可以有效提高數據傳輸的速率和準確性。

4.2 電路原理圖

圖4 THB6128電路圖

STM32電路見圖5，該電路中，使用了一個REF2925來給單片機內部的AD,DA等模擬量提供2.5V基準電壓，也就是說，所有AD/DA通道最大輸入/輸出為2.5V。

5 電路實驗測試結果

5.1 代碼創建與固件生成

軟件設計在基于MCU的電路設計過程中占有重要位置。手持式XRF檢測儀的硬件代碼結構如圖6所示，主要包括三個部分，即應用層，接口層和硬件抽象層。

5.2 電路實驗與功能驗證

圖6 代碼組織結構圖

通過測試驗證，電路主板能很好地實現既定的功能，其中，高壓電源的控制為本實驗最關鍵的部分，對其控制的精度及穩定性直接影響高壓電源的使用壽命及儀器測試結果的準確與穩定性。圖7為DA輸出的控制電壓與高壓電源輸出管壓與管流對應的分布圖，可以看出符合設計要求的。

圖7 高壓電源控制與響應分布圖

6 結論

手持式XRF儀器控制電路系統中以低功耗的32位芯片實現對手持式XRF儀器的電源管理、高壓電源的管流管壓控制、溫度監測、濾光片控制及其它數據采集與處理，使光管與控測器有效配合，從而實現了XRF儀器控制電路系統的智能小型化，也達到了XRF儀器便攜、高效、準確直讀檢測車間產生的含汞廢舊金屬汞含量的目的。

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