使用 MSP430F133 單片機改造老式測量?jì)x表

概述

在核污染的環(huán)境評測中，最常用的儀表是X、γ 輻射空氣吸收劑量率儀。在這類(lèi)儀表中，使用的測量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計數的方法，在這類(lèi)方法中使用光電倍增管或使用計數管對核輻射脈沖計數，通過(guò)計數量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測量的輻射脈沖進(jìn)行積分、放大后顯示輸出。在后一種方法中，由于綜合考慮了反映核輻射能量脈沖的數量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類(lèi)儀表的系統結構如（圖一）所示。

圖一

存在的問(wèn)題

在廠(chǎng)家多年生產(chǎn)這種類(lèi)型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現使用該方法生產(chǎn)的儀表，存在以下的問(wèn)題：

[1] 在積分放大電路中由于積分常數較大，而且電容的品質(zhì)對儀表參數影響甚大，因此為了得到較穩定的積分電路性能，電容的容量不能用的太大，所以在輸入積分電路中只能用提高電阻的阻值的方法來(lái)增加積分常數。這時(shí)，電阻的阻值將高達1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應用大大地提高了儀表生產(chǎn)的工藝難度和使用時(shí)受環(huán)境影響的程度。

[2] 作為影響儀表性能的關(guān)鍵探測部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數中，起關(guān)鍵作用的參數為光電倍增管的暗流和蘭光靈敏度。若光電倍增管的暗流過(guò)大，將會(huì )使儀器的本底降不下來(lái)，從而使成為不合格產(chǎn)品。若光電倍增管的蘭光靈敏度太低，勢必要提高電路的放大倍數。這時(shí)若設計的放大器倍數過(guò)大，將會(huì )產(chǎn)生兩種后果：a）過(guò)大的放大倍數，將影響放大器的穩定性。b)使用電路設計上的限制，有時(shí)電路的放大倍數難以達到設計要求。

[3] 在儀器的構成的諸多元素中，光電倍增管、儀器中的放大電路等都會(huì )在溫度變化的影響下產(chǎn)生參數的變化，使儀表產(chǎn)生一定的溫度漂移，從而使儀表在溫度變化的影響下，產(chǎn)生精度上的變化。這一點(diǎn)雖然在電路設計中加入了復雜的溫度補償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線(xiàn)性，使一般的電路補償方式難以達到理想的效果。

解決方案

根據以上存在的問(wèn)題以及對儀表性能提高的要求，在對原有儀表進(jìn)行較仔細地分析的基礎上，根據目前儀表設計、改進(jìn)的潮流方向以及單片機系統在儀表中的廣泛應用。我們對儀表在設計理念和方法上進(jìn)行了大膽的創(chuàng )新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機對儀表電路結構進(jìn)行了重新設計。引入了模擬 + 數字放大技術(shù)；數字本底調整技術(shù)和溫度數字校正技術(shù)。應用上述原理設計出的儀器經(jīng)廠(chǎng)家生產(chǎn)和用戶(hù)試用，基本上達到了生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使用性能穩定的設計目的。整個(gè)系統的結構描述如下：

一. 系統結構：

在考慮應用單片機設計儀表系統時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）傳感器信號的輸入和處理電路。這部分電路需要滿(mǎn)足信號的輸入、調理和放大的功能。同時(shí)在電路的設計中還要兼顧放大倍數與放大器的穩定性這兩方面的問(wèn)題。（2）信號的變換，為了能將信號輸入單片機進(jìn)行信號的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號變換為數字信號。（3）數字放大和本底調整控制電路，在這一部分的電路設計中，考慮到原有儀表的結構和用戶(hù)使用中的一般習慣，在這一部分的調整中仍然采用了使用電位器的模擬調整技術(shù)，只不過(guò)是將調整的模擬信號經(jīng)A/D轉換后輸入到單片機中進(jìn)行數字校正處理。（4）顯示輸出電路，根據用戶(hù)要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號必須為模擬信號，所以這里采用了數字PWM輸出技術(shù)，將數字信號轉變?yōu)槟M信號輸出。整個(gè)儀表系統的結構圖如（圖二）所示。由上述電路系統圖可以看出，在整個(gè)電路在對信號的處理過(guò)程中，需要完成A/D轉換，數字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節。為了使整個(gè)系統的穩定性達到較高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的選型上，采用美國的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機。

圖二