基于單片機(jī)的X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究

核技術(shù)在給社會(huì)帶來(lái)巨大利益的同時(shí)，也影響著我們的健康與我們的生存環(huán)境，經(jīng)常帶來(lái)人員傷亡與環(huán)境污染等事故。在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測(cè)及科學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中同位素與射線裝置輻射屏蔽的不完全，使工作人員或多或少地會(huì)受到一定的輻射影響。在核技術(shù)為我們的生產(chǎn)和生活提供極大的便利同時(shí)，我們應(yīng)該考慮的是如何合理、安全的使用核技術(shù)，監(jiān)測(cè)環(huán)境輻射劑量率，保護(hù)人民的健康。因此，研制一種便攜的、穩(wěn)定的、高性能的用于環(huán)境的X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是非常具有意義的。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件組成包含了電源電路、顯示模塊、按鍵電路、報(bào)警電路、探測(cè)器、串行口通訊電路組成。如圖1所示，結(jié)合當(dāng)前X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有的便攜，人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)，引入了一些適應(yīng)這些趨勢(shì)的軟件設(shè)計(jì)方法，技術(shù)指標(biāo)也由軟件實(shí)現(xiàn)。

1.2 工作原理

X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理是：采用蓋革管對(duì)環(huán)境X、γ射線進(jìn)行探測(cè)，通常狀態(tài)下，蓋革管內(nèi)氣體不放電，而當(dāng)有高速粒子射入管內(nèi)時(shí)，粒子的能量使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電，在金屬絲電極與管壁之間產(chǎn)生快速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào)，探測(cè)器把探測(cè)到的X、γ射線經(jīng)光電耦合器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)送到單片機(jī)。單片機(jī)的定時(shí)器設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間，計(jì)數(shù)器記錄在一定長(zhǎng)度的時(shí)間內(nèi)，輸入的脈沖個(gè)數(shù)。單片機(jī)通過(guò)一定的統(tǒng)計(jì)方法將脈沖個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換成劑量值，將劑量率顯示在液晶屏幕上或通過(guò)通訊接口送入計(jì)算機(jī)，還可與設(shè)置的報(bào)警參數(shù)比較，超出預(yù)設(shè)參數(shù)，控制報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)器電路

系統(tǒng)選擇了J304型X、γ計(jì)數(shù)管，它可以測(cè)量50 kev～1.5 mev的X、γ射線，靈敏度為350 cps/uSv。探測(cè)器信號(hào)接入光電耦合器用于控制發(fā)光二極管，光電耦合器光電晶體管部分輸出信號(hào)送入單片機(jī)計(jì)數(shù)器，這樣就起到了信號(hào)轉(zhuǎn)換和電氣隔離的作用。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)、液晶顯示、按鍵電路和串行接口電路組成。

單片機(jī)選擇的是宏晶科技公司推出的新一代的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的STC89C51RC/RD+，它的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，內(nèi)部擁有16K字節(jié)的EEPROM，同時(shí)內(nèi)部還集成MAX810專用復(fù)位電路。顯示模塊選擇了FT12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該模塊內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字、128個(gè)字符可達(dá)128列x64行。由于STC89C58RD+單片機(jī)配有UA RT接口，它的接口符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，可與計(jì)算機(jī)串行接口進(jìn)行通訊。這兩個(gè)接口在通訊的時(shí)候，需要將端口的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)選用了MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.3 電源電路

考慮到便攜性，供電電源采用鋰電池供電，供電電路輸出為+5 V/1 A、+12 V/130 mA、600～1200 V/300μA。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

C語(yǔ)言同傳統(tǒng)的單片機(jī)編程語(yǔ)言匯編語(yǔ)言一樣，也允許直接訪問(wèn)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部的地址，同時(shí)在編程設(shè)計(jì)時(shí)，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的自由度較大，語(yǔ)法限制不太嚴(yán)格。所以在設(shè)計(jì)中我們選擇了C語(yǔ)言作為本設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖2所示。

3.2 計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)

在一定的能量范圍內(nèi)，蓋革管的計(jì)數(shù)率與射線吸收劑量率有如下關(guān)系：

Dose=K·η

式中Dose為劑量率;K為比例系數(shù);η為計(jì)數(shù)率。

蓋革管對(duì)X、γ射線的吸收劑量率與電脈沖頻率成正比，比例系數(shù)K可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)源來(lái)度量。由于蓋革管發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)與輻射劑量率成正比，因此，只要準(zhǔn)確測(cè)量脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，再乘以一定大小的比例系數(shù)，就可以得到環(huán)境劑量率。軟件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容就是要測(cè)量在一定時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)的T0引腳測(cè)量到的由蓋革管輸出脈沖的平均計(jì)數(shù)。

3.3 按鍵處理子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵：功能鍵、上、下以及確認(rèn)鍵，按下功能鍵可進(jìn)入菜單，用“上”和“下”選擇所需的菜單項(xiàng)，確認(rèn)鍵來(lái)確認(rèn)。設(shè)計(jì)利用軟件掃描的方式檢查是否有按鍵按下。

3.4 通訊模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)的串行口與上位機(jī)的串行口連接實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的上報(bào)、采集。波特率9 600 b/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位。

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

我們利用VB編制了X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件，采用了MSCOMM、Timer等控件，系統(tǒng)串口連接到PC機(jī)的COM1端口，實(shí)現(xiàn)了成功的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

4 性能指標(biāo)

適用范圍：可測(cè)量50 keV～1.25 meV的X、γ射線

劑量率測(cè)量范圍：0.1～999 μSv/h

取樣時(shí)間：5 s

劑量率報(bào)警閾值：0.5～100 μSv/h(可調(diào))

測(cè)量相對(duì)誤差小于±10%

5 系統(tǒng)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要功能就是檢測(cè)核輻射信號(hào)的強(qiáng)度，也就是劑量率。測(cè)量核輻射信號(hào)的強(qiáng)度的方法通常是由核輻射傳感器將射線轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再對(duì)核輻射傳感器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，然后把測(cè)得的計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)化為核輻射劑量率值。在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬傳感器輸出的脈沖信號(hào)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來(lái)模擬測(cè)量核輻射信號(hào)。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)輻射源對(duì)比試驗(yàn)時(shí)將制作好的兩臺(tái)相同的設(shè)備送到核安全電氣設(shè)備鑒定檢測(cè)中心，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)輻射源，得到實(shí)際結(jié)果進(jìn)行分析。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

在仿真試驗(yàn)中，利用信號(hào)發(fā)生器為系統(tǒng)輸入20 Hz的方波，X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在5秒內(nèi)計(jì)數(shù)100次，與設(shè)計(jì)預(yù)期完全相符。在標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試試驗(yàn)中，利用兩臺(tái)相同的設(shè)備(設(shè)

備1和設(shè)備2)先測(cè)量普通環(huán)境下的輻射劑量率，然后再分別檢測(cè)3種劑量為0.958 μSv/h、9.58μSv/h、99.14μSv/h的標(biāo)準(zhǔn)輻射源，分組記錄計(jì)數(shù)值，將設(shè)備1的計(jì)數(shù)列為A組，將設(shè)備2的計(jì)數(shù)列為B組，得到以下表1的數(shù)據(jù)。

分析表中的誤差，最大相對(duì)誤差為9.4%，小于設(shè)計(jì)預(yù)期的10%，也符合《環(huán)境地表輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》(GB/T14583—1993)和《輻射防護(hù)儀器誤差規(guī)定》(EJT 822—1994)對(duì)測(cè)量相對(duì)誤差的要求。

6 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前X—γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的需求，文中提出了一種便攜、經(jīng)濟(jì)的基于單片機(jī)的X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用單片機(jī)作為控制運(yùn)算器，提高了系統(tǒng)集成度，減小了體積，同時(shí)硬件的模塊化設(shè)計(jì)便于維修和替換，經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，是一款經(jīng)濟(jì)、便攜的X-γ射線檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可以對(duì)輻射進(jìn)行早期預(yù)警，有效的預(yù)防核輻射擴(kuò)散帶來(lái)的潛在危害。