一種Android系統的智能手機γ個人劑量儀

成都理工大學 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

一種Android系統的智能手機γ個人劑量儀

成都理工大學 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

【摘要】介紹了一種基于Android系統的個人輻射劑量儀，該劑量儀與其他輻射檢測儀比具有相對低的功耗、更好的攜帶性、可以連續工作等優點。主要用到的器件有G-M 計數管、ATmega8 單片機、FBT06藍牙模塊和一部Android智能手機，主要闡述了電源模塊和數據交換的創新性設計方案，將設計的電源模塊輸出信號作為接下來電路中ATmega8單片機和TL062還有GFHV-201P高壓模塊的工作電壓，最后劑量儀數據通過無線藍牙模塊實現手機實時交換。設計的劑量儀和開發的App應用程序，可組成范圍性環境輻射監測網，實時監測環境中的放射性劑量值，能夠讓公眾在發生突發核事故或周圍核醫療設施發生泄漏時及時獲取輻射信息。

【關鍵詞】輻射劑量儀；G-M計數管；Android；FBT06

隨著我國核電事業的飛速發展和深入應用，像2014年5月發生的二級放射源遺漏的核事故和醫療設備放射性污染的潛在危險也在增加，對核電廠、核突發事故、以及核設施周圍環境中的放射性物質進行檢測已引起廣大群眾的關注。在核電站周圍工作的人員或者生活的群眾，可能會受到γ射線輻射，這就需要一個能隨時隨地的對環境中的放射性有一個探測設備，研制Android個人輻射劑量儀就解決了這樣的問題［1］。由于該設備巧妙地將核輻射探測器和人們日常生活中用到的手機充電寶結合起來，并且通過無線藍牙通信系統將測到的數據發送到普及度非常高的Android手機上面，用戶只需要下載本文設計的輻射監測App應用程序，可以通過這樣一個系統獲得環境輻射程度的數據并作出相應對策，這樣可以及時發現放射性污染并有可能防止污染轉移［2］。本文介紹的輻射劑量儀主要有實時監測、制作簡單、價格低廉、操作方便、應用范圍廣等優點。

1.核輻射測量的原理和方法

由于元素的核衰變是由原子核自發產生的，并且通過學習原子結構知道，原子核的能量能級結構等都是量子體系，因此能級躍遷產生射線的這個過程存在著不確定度，且每個原子核發生衰變的時間是不確定的，概率又都是一樣的，所以核衰變是一個量子躍遷過程，故對衰變產生的粒子進行探測服從量子的統計規律。由于放射性核素發生衰變的準確時間是沒有辦法測量的，所以只能將所有的單次衰變看做一個整體，通過統計方法計算出其衰變規律。

放射性活度是放射性強度的基本單位，表示單位時間內參與衰變的原子核數目。單位為貝可勒爾，符號為 A（t），通過統計學方法得到的放射性活度的計算公式為［3］：

由上面的公式可以推得如下公式：

在這個公式中，N（0）表示的是在元素開始衰變前的原子核的總數目，N（t）表示經過t時間的衰變以后此時剩余的原子核數目，雖然每一個原子核的衰變之間沒有任何的相互關聯，但是通過大量的粒子數據進過統計分析，當粒子數目足夠大的時候會出現上面所述的呈指數規律的關系。

在本次設計中采用的探測原理是用的G-M計數管作為探測儀器，所以利用公式 （1-4），記錄到G-M計數管每秒輸出脈沖個數，然后運用這個公式計算得到所測量的輻射劑量值，在公式里面N表示單位時間里脈沖的個數，D表示劑量， t是所采用的G-M計數管的探測死時間，K為G-M計數管的探測靈敏度。

2.輻射劑量儀整體設計

為了能夠達到要求，本設計較為新穎之處是，將人們生活中時常用到并現在以相對普及的便攜手機充電器相互結合。設計通過3.8V鋰電池供電，通過充放電芯片系統可以實現多次長時間使用，在不需要進行核輻射測量時可以作為一般的手機充電寶使用。在開啟輻射探測功能后，通過GFHV-201P高壓模塊將電源輸出的5V穩定電壓轉換到380V，供給G-M計數管兩端的工作電壓。電源模塊的設計突出了功耗低、體積小的特點，重復利用的特點。其全局設計示意圖如圖1所示。

圖1 核輻射劑量儀整體設計示意圖

該劑量儀能和智能手機相結合，只需要使用者下載一個輻射檢測App到手機上即可，打開探測設備后，可以實時得到相應的輻射劑量數據，可以及時作出反應。此劑量儀體積小、功耗低、操作簡單。適合應用于可能存在核輻射的工作單位，在旅行時可能存在高放射性的地方，及在發生核事故、地質災害等重要情況時，公眾能首先通過自己手中的輻射檢測設備對自身所處環境的放射性有一個清楚地了解。

2.1 控制模塊

本設計所采用的控制芯片使用的是ATmega8A，有更低的功耗、更強的處理能力和內部集成設備。

在這里衡量功耗大小用單位W/MIPS即（瓦特/百萬指令每秒），這個單位是對比功耗與性能之間關系的專用單位。設計中采用的ATmega8芯片在完全工作時的功耗只有3.6mA/MIPS，在休眠模式的時候只有1mA/MIPS，在掉電模式時候只有0.1uA/MIPS的耗電量。由于ATmega8A采用的是RISC內核，所以這個芯片的130條指令中大多數的執行時間能夠在1個時鐘周期內完成。所以再處理能力上有大大的提高，同時處理時間的縮短對輻射測量的準確性提高起到了良好的作用。主控模塊的部分電路設計如圖2所示。

圖2 主控模塊部分電路圖

2.2 信號采集模塊

在系統的設計中，信號采集模塊有G-M計數管，高壓電源轉換模塊，最后還有輸出信號甄別整形電路。給G-M計數管施加380V的直流高壓，使其開始對空氣中的射線粒子進行探測，它的輸出是0到5V之間的類高斯尖峰脈沖波形，為了方便用單片機對結果的脈沖進行計數，需要利用甄別成形電路把G-M管的輸出波形進行轉換［4］，使原來的尖峰脈沖稱為高低電平變換的矩形脈沖。然后將脈沖輸入到ATmega8單片機中，提供給單片機計數信號［5］。

在本設計中，甄別成形電路采用TP062作為比較器，當輸入電壓值大于比較的參考電壓時，輸出低電平，反之則輸出高電平。高壓模塊是探測器正常工作的重要部分，所以需要穩定，可靠的設計。在參考和比較多種高壓電源以后，選擇了GFHV-201P的高壓模塊。它工作電壓在4.5-9V，輸出電壓能夠達到600V。完全滿足設計中G-M計數管正常工作時兩端380V的工作電壓。這種高壓模塊有很小的紋波，在使用過程中能較好的減少噪聲干擾等。信號采集模塊的整體設計如圖3所示。

圖3 信號采集模塊電路設計圖

2.3 電源模塊

在設計中為了達到便攜、重復利用、成本低廉的目的，電源模塊選用了許多成本低，穩定性好的集成芯片。如充電管理芯片TP4056、輸出控制芯片CN5136、充放電保護芯片8205A和DW01X等。

設計中為了實現對電池的保護。能夠更穩定的給電池充電，讓整個過程安全使電池有更長的壽命。選擇用芯片TP4056來對整個充電過程進行控制。當輸入電壓被拿掉時，自動控制功能使TP4056進入低電流狀態，此時電池的漏電流限制到2uA以下。CN5136的開關頻率可達300KHz，外部電路只需要一個肖特基整流二極管、兩個電阻、一個電感和一個電容。通過外部電阻可以設置輸出電壓最高可以到6V，輸出達到500毫安的電流。因為片內有高精度的電壓基準源，芯片有高精度的輸出電壓和低溫度漂移。電源模塊如圖4 所示。

圖4 電源模塊設計電路圖

3.輻射劑量儀調試

3.1 硬件調試

G-M探測器正常工作時，系統G-M計數器的負極輸出端測得到的信號圖形如圖5所示。

圖5 G-M計數管輸出信號圖

信號在通過預處理以后進入甄別其中進行脈沖波形到方波的轉換，在比較器的參考端加上了0.56V的參考電壓，當信號端口電壓大于參考電壓設定值時，甄別器的輸出端將輸出低電平，出現下降沿。信號進入單片機后單片機下降沿判斷是否計數。甄別器輸出信號波形如圖 6所示。

圖6 甄別器輸出信號

3.2 輻射劑量儀軟件調試

（1）在ATmega8單片機上，不斷調試改寫控制程序。檢查單片機是否能正常啟動，是否能夠準確的調用設置藍牙通信模塊。通過手機給主控單片機發出操作指令，檢查藍牙端口能否成功發送監測數據給已經匹配好的手機移動平臺。

（2）檢查軟件是否能正常實現報警閾值的設定和測量時間的設定。檢查系統能否正常保存測量數據。手機終端的運行和顯示如圖7所示。

圖7 手機運行結果

4.結論

利用G-M探測器、ATmega8A、藍牙模塊、電源芯片等，成功設計了功耗低、易攜帶、可連續工作的個人輻射劑量儀。比較并選擇了適合本次設計的探測器，在基本的功能實現的情況下加入終端互聯，組建了環境監測網絡。獲得的測量結果與其他輻射劑量儀測量結果一致。

參考文獻

［1］汪東風，孫德華，洪節省等.復雜環境條件下便攜式放射劑量儀檢測方法的研究［J］.檢驗檢疫科學，2007，17（5）∶35-39.

［2］石會路，庹先國，奚大順等.高靈敏度γ劑量率監測儀的設計與研制［J］.核電子學與探測技術，2009（2）∶312-315.

［3］殷小芳.基于個人輻射劑量儀的研制［D］.成都理工大學核技術與自動化學院，2012.

［4］Lehnert，Robert W.Production Engineering measure for high rang Geiger-Mueller tube［R］.ADA027403，1974.

［5］呂志剛，王鵬，范曉光.基于MSP430單片機的多功能、高精度數據采集系統［J］.電子技術應用，2007，33（7）∶70-72.