基于單片機的數顯蓋革計數器的研究與實現

吳曉燕,李合菊,趙守彬,李云霞（萊蕪職業技術學院，山東萊蕪，271100）

基于單片機的數顯蓋革計數器的研究與實現

吳曉燕,李合菊,趙守彬,李云霞
（萊蕪職業技術學院，山東萊蕪，271100）

蓋革計數器可以檢測各種物質及周圍環境的放射性，廣泛用于工業、科研、醫療、裝修家居環境等的放射性輻射檢測，本文研究的蓋革計數器采用AT89C52單片機為控制核心，對蓋革管輸出信號進行檢測計數，并實時快速計算出輻射值，最后顯示在液晶顯示屏上。相比于傳統蓋革計數器，具有靈敏度高、檢測迅速、顯示直觀、小巧便攜的特點。

單片機；蓋革計數管

0 引言

傳統便攜式輻射測試儀多采用小型蓋革計數管，靈敏度低，測試時間過長，測量數據沒有數顯裝置、只有聲音指示。本文研究了一種基于AT89C52的數顯蓋革計數器，對蓋革管輸出信號進行檢測計數，并實時快速計算出輻射值，最后顯示在液晶顯示屏上。具有靈敏度高、檢測迅速、顯示直觀、小巧便攜的特點。

1 蓋革管的工作原理

蓋革計數器又叫氣體電離探測器，是由H.蓋革和P.米勒在1928年發明的。它是一種專門探測電離輻射(包括α粒子、β粒子、γ射線)強度的計數儀器。

蓋革計數器是根據射線對氣體的電離性質設計而成的，最常用的是金屬絲計數器。蓋革管的結構如圖1-1所示，用一根兩端用絕緣物質密閉的金屬圓管作為陰極，沿管的軸線安裝一根金屬絲電極作為陽極，相互絕緣的密閉在一個玻璃泡內，里面充入惰性氣體和微量溴等鹵族氣體，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上400V電壓（電壓略低于管內氣體的擊穿電壓）。在通常狀態下，管內氣體不放電；而當某種射線的高速粒子進入管內時，能夠使管內氣體電離，產生的電子在電壓作用下飛向金屬絲陽極。些電子沿途又電離氣體的其它原子，釋放出更多的電子。不到1微秒的時間越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子，終于使管內氣體成為導電體，在金屬絲與管壁之間產生迅速的氣體放電現象，從而輸出一個脈沖電流信號。電流經過放大后，計數器自動地記錄下每個粒子飛入管內時的放電，由此可檢測出粒子的數目。

圖1-1 蓋革管示意圖

2 蓋革計數器的設計

圖2-1 蓋革計數器框圖

2.1 系統框圖

蓋革計數器系統由蓋革計數管、單片機、電源電路、放大緩沖電路及液晶顯示部分組成，如圖2-1所示。

2.2 設計參數

控測器：大接收面積帶能量補償高平坦坪區蓋革計數管（存命1*10^9次），可測量X射線，γ射線和β射線。

測量范圍: 0.01～100μSv/h，0～60000CPM

能量響應范圍：50KeV-3MeV

相對基本誤差：≤±6%

顯示數據：脈沖數CPM，輻射輕度μSv/h

顯示精度:0.001uSv/h

計量本底輻射計數率110次/分鐘

靈敏度：250CPM/uSv/h(對于鈷60）

儀表體積（包括探頭) :L300×W90×H60㎜

重量:小于0.3kg

2.3 元件選型

2.3.1 電源電路

電源可選擇單節鋰電池或者三節5號電池，輸入電壓在3V-4.5V可維持正常工作。蓋革計數管需要400V的工作電壓，單片機需要5V工作電壓，所以電池電壓通過逆變電路升壓并進行穩壓，輸出400V電壓給蓋革計數管供電，輸出5V電壓給單片機供電。

2.3.2 蓋革計數管

蓋革計數管采用新型J408-β/γ型，可同時測量X、β、γ三種射線，體積小巧，可以同時兼顧高靈敏度和便攜性，J408直徑18mm，長度220mm，工作電壓400V，工作溫度-40℃~ +55℃，本底計數110CPM，靈敏度可達380cps/uR/s。

2.3.3 單片機部分

單片機的選擇在整個系統設計中至關重要，本文選擇AT89C52作為主控芯片，AT89C52是ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，它內含8KB的可反復檫寫(大于1000次）的程序存儲器，和256字節隨機存取數據存儲器（RAM）。器件兼容標準MCS-51指令系統，配置通用的8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。AT89C52單片機功能強大，在電子行業、控制領域中有著廣泛的應用。

AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在硬件組成、引腳排列、指令系統和工作特點等方面兼容。它的工作電源電壓為5（1+0.2）V，且典型值為5V；最高工作頻率為24MHz。其主要工作特性有：

（1）32根可編程I/O口線；

圖1-3 蓋革計數器系統硬件電路

（2）串行口是一個全雙工的可編程串行通信口；

（3）具有3個16位可編程定時/計數器中斷；

（4）中斷系統是具有6個中斷矢量、8個中斷源、2個級優先權的中斷結構；

（5）具有一個數據指針DPTR；

（6）具有可編程的3級程序鎖定位；

(7)低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；

(8)有PDIP、PQFP、TQFP 等封裝形式，可適應不同產品需求。

3 硬件電路

硬件電路圖如圖1-3所示，由3-5V電池供電，其電壓通過逆變電路升壓為400V后給蓋革管供壓。蓋革管陽極串聯5-10M的限流電阻接400V電壓，以防蓋革管損壞，陰極在受到輻射后會輸出約10V左右高電平脈沖，脈寬約2ms，經濾波放大后送入CD4049反響緩沖器進行整形，以利于準確的讓單片機識別有效脈沖，減小干擾，增加測量穩定性和準確性。

脈沖通過INT1引腳進入AT89C52單片機后，單片機對蓋革管輸出信號進行檢測并計算出輻射值，最后顯示在液晶顯示屏上。

4 軟件設計

軟件設計每1分鐘為采樣頻率，顯示近一分鐘的脈沖數CPM，同時通過單片機計算輻射強度，一并顯示在1602液晶屏上。打開電源后，單片機開始工作，因開機第一分鐘沒有測量數據，此時單片機顯示開機信息，可以自定義，如歡迎信息、儀器工作參數等，此時數蓋革計數管加電工作，受輻射后輸出脈沖，通過單片機中斷INT1對脈沖進行計數，每一次脈沖計數加1，同時蜂鳴器發生一次，實時提醒輻射強度，計時器T0進行計時一分鐘，一分鐘內計數重復累加，滿足一分鐘后，單片機對脈沖次數按照公式進行計算近一分鐘的輻射強度，公式內設置變量A，可以根據不同蓋革計數管個體差異靈敏度，方便調試，以保證測量精度，后更新液晶屏現實，將計算的輻射強度和近一分鐘的脈沖數值直觀的顯示值在液晶屏上。完成一分鐘測量后，計數器和計數器清零，重新開始計數計時，進行下一分鐘的測量。

5 儀表調試

由于每個蓋革計數管存在個體差異，本設計采用了型號J408的蓋革管，靈敏度為380cps/uR/s，儀表要通過鈷60放射源進行標定校準，輻射單位倫琴（R）為照射量單位，表示的是存在的輻射量，不等于生物組織的吸收情況，西弗(又譯希沃特,英文縮寫Sv)是一個國際單位制導出單位,用來衡量輻射對生物組織的傷害，在儀器中用常用uSv/h（微西弗每小時）來衡量當前環境的輻射強度，1uR=0.01uSv，那么380cps/uR/ s=380*60cpm/0.01uSv/(1/3600)h=1.67*380cpm/uSv/h，如前所述，軟件設計為每一分鐘采集蓋革管脈沖數即CPM，設定實時采集脈沖數為K，則輻射強度為K/（1.67*380）uSv/h，軟件設計中設定變量A=1/（1.67*380），精度調試時，根據靈敏度更改變量A，可以方便的調試儀器精度，無需調整其他參數既可以讓儀器高精度運行，實際測試使用良好，自然環境本底計數在120CPM左右，各地本底輻射值有差異，測量中如需計算輻射源的絕對輻射值，可以先測量本底輻射再減去本底輻射值。

[1] 陳建文.X射線探測技術[J].激光與光電子學進展.2003(1)24-29.

[2] 劉戰存,李慧鵬.蓋革對物理學的重要貢獻[J].大學物理.2012(8)：32-37.

[3] 黃正福.蓋革計數器的數字顯示[J].物理實驗.2000(9)：26-27.

[4] 張毅剛.單片機原理及接口技術[M].人民郵電出版社.2011：50-90.

吳曉燕（1982.12-），女，山東萊蕪人，講師，碩士，萊蕪職業技術學院，專業方向：電子信息工程。

Research and Implementation of Digital Displayed Geiger Counter Based on Single Chip

Wu Xiaoyan,Li Heju,Zhao Shoubin,Li Yunxia
(Laiwu Vocational and Technical College,Laiwu,Shandong,271100)

Geiger counter is mainly used for the radiation detection in coal,ore,marble,stone collection, and the environment of decoration.This research uses AT89C52 single chip microcomputer as the control core, detecting the output tube of Geiger counter and count,calculating the radiation levels fastly in the realtime，at last displaying in the LCD screen.Compared to traditional Geiger counter，it has high sensitivity, tests rapidly,intuitive display,and is ompact and portable.

single chip;Geiger counter

圖1 -4 蓋革計數器系統軟件流程圖

本項目受山東省科技發展計劃項目資助，項目編號：2012GGA12078