基于單片機的X-γ射線(xiàn)檢測報警系統的研究

核技術(shù)在給社會(huì )帶來(lái)巨大利益的同時(shí)，也影響著(zhù)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)、醫療檢測及科學(xué)試驗過(guò)程中同位素與射線(xiàn)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)，我們應該考慮的是如何合理、安全的使用核技術(shù)，監測環(huán)境輻射劑量率，保護人民的健康。因此，研制一種便攜的、穩定的、高性能的用于環(huán)境的X-γ射線(xiàn)檢測報警系統是非常具有意義的。

1 系統組成及原理

1.1 系統組成

X-γ射線(xiàn)檢測報警系統硬件組成包含了電源電路、顯示模塊、按鍵電路、報警電路、探測器、串行口通訊電路組成。如圖1所示，結合當前X-γ射線(xiàn)檢測報警系統具有的便攜，人機交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)，引入了一些適應這些趨勢的軟件設計方法，技術(shù)指標也由軟件實(shí)現。

1.2 工作原理

X-γ射線(xiàn)檢測報警系統的工作原理是：采用蓋革管對環(huán)境X、γ射線(xiàn)進(jìn)行探測，通常狀態(tài)下，蓋革管內氣體不放電，而當有高速粒子射入管內時(shí)，粒子的能量使管內氣體電離導電，在金屬絲電極與管壁之間產(chǎn)生快速的氣體放電現象，從而輸出一個(gè)脈沖電流信號，探測器把探測到的X、γ射線(xiàn)經(jīng)光電耦合器轉換成單片機可以識別的脈沖信號送到單片機。單片機的定時(shí)器設定計數時(shí)間，計數器記錄在一定長(cháng)度的時(shí)間內，輸入的脈沖個(gè)數。單片機通過(guò)一定的統計方法將脈沖個(gè)數轉換成劑量值，將劑量率顯示在液晶屏幕上或通過(guò)通訊接口送入計算機，還可與設置的報警參數比較，超出預設參數，控制報警電路進(jìn)行報警。

2 硬件電路設計

2.1 探測器電路

系統選擇了J304型X、γ計數管，它可以測量50 kev～1.5 mev的X、γ射線(xiàn)，靈敏度為350 cps/uSv。探測器信號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送入單片機計數器，這樣就起到了信號轉換和電氣隔離的作用。

2.2 單片機系統

單片機控制系統由單片機、液晶顯示、按鍵電路和串行接口電路組成。

單片機選擇的是宏晶科技公司推出的新一代的高速、低功耗、超強抗干擾的STC89C51RC/RD+，它的指令代碼完全兼容傳統8051單片機，內部擁有16K字節的EEPROM，同時(shí)內部還集成MAX810專(zhuān)用復位電路。顯示模塊選擇了FT12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該模塊內置8 192個(gè)中文漢字、128個(gè)字符可達128列x64行。由于STC89C58RD+單片機配有UA RT接口，它的接口符合TTL標準，可與計算機串行接口進(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)行轉換，設計選用了MAX232芯片進(jìn)行電平轉換。

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 軟件設計

3.1 主程序

C語(yǔ)言同傳統的單片機編程語(yǔ)言匯編語(yǔ)言一樣，也允許直接訪(fǎng)問(wèn)計單片機內部的地址，同時(shí)在編程設計時(shí)，C語(yǔ)言程序設計的自由度較大，語(yǔ)法限制不太嚴格。所以在設計中我們選擇了C語(yǔ)言作為本設計的編程語(yǔ)言，采用模塊化結構設計。主程序流程圖如圖2所示。

3.2 計數程序設計

在一定的能量范圍內，蓋革管的計數率與射線(xiàn)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;η為計數率。

蓋革管對X、γ射線(xiàn)的吸收劑量率與電脈沖頻率成正比，比例系數K可通過(guò)標準源來(lái)度量。由于蓋革管發(fā)出的脈沖計數與輻射劑量率成正比，因此，只要準確測量脈沖計數個(gè)數，再乘以一定大小的比例系數，就可以得到環(huán)境劑量率。軟件設計的核心內容就是要測量在一定時(shí)間內，單片機的T0引腳測量到的由蓋革管輸出脈沖的平均計數。

3.3 按鍵處理子程序設計

系統設計了4個(gè)按鍵：功能鍵、上、下以及確認鍵，按下功能鍵可進(jìn)入菜單，用“上”和“下”選擇所需的菜單項，確認鍵來(lái)確認。設計利用軟件掃描的方式檢查是否有按鍵按下。

3.4 通訊模塊設計

單片機的串行口與上位機的串行口連接實(shí)現檢測數據的上報、采集。波特率9 600 b/s，1位起始位，8位數據位，無(wú)校驗位，1位停止位。

3.5 上位機軟件設計

我們利用VB編制了X-γ射線(xiàn)檢測報警系統數據采集上位機軟件，采用了MSCOMM、Timer等控件，系統串口連接到PC機的COM1端口，實(shí)現了成功的連接和數據傳輸。

4 性能指標

適用范圍：可測量50 keV～1.25 meV的X、γ射線(xiàn)

劑量率測量范圍：0.1～999 μSv/h

取樣時(shí)間：5 s

劑量率報警閾值：0.5～100 μSv/h(可調)

測量相對誤差小于±10%

5 系統試驗

5.1 試驗方法

X-γ射線(xiàn)檢測報警系統的主要功能就是檢測核輻射信號的強度，也就是劑量率。測量核輻射信號的強度的方法通常是由核輻射傳感器將射線(xiàn)轉換為脈沖信號，再對核輻射傳感器輸出的脈沖進(jìn)行計數測量，然后把測得的計數率轉化為核輻射劑量率值。在仿真實(shí)驗中，設置由信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬傳感器輸出的脈沖信號，通過(guò)測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號來(lái)模擬測量核輻射信號。進(jìn)行現場(chǎng)標準輻射源對比試驗時(shí)將制作好的兩臺相同的設備送到核安全電氣設備鑒定檢測中心，檢測標準輻射源，得到實(shí)際結果進(jìn)行分析。

5.2 試驗結果

在仿真試驗中，利用信號發(fā)生器為系統輸入20 Hz的方波，X-γ射線(xiàn)檢測報警系統在5秒內計數100次，與設計預期完全相符。在標準源測試試驗中，利用兩臺相同的設備(設

備1和設備2)先測量普通環(huán)境下的輻射劑量率，然后再分別檢測3種劑量為0.958 μSv/h、9.58μSv/h、99.14μSv/h的標準輻射源，分組記錄計數值，將設備1的計數列為A組，將設備2的計數列為B組，得到以下表1的數據。

分析表中的誤差，最大相對誤差為9.4%，小于設計預期的10%，也符合《環(huán)境地表輻射劑量率測定規范》(GB/T14583—1993)和《輻射防護儀器誤差規定》(EJT 822—1994)對測量相對誤差的要求。

6 結論

結合當前X—γ射線(xiàn)檢測報警系統的需求，文中提出了一種便攜、經(jīng)濟的基于單片機的X-γ射線(xiàn)檢測報警系統的設計方案，利用單片機作為控制運算器，提高了系統集成度，減小了體積，同時(shí)硬件的模塊化設計便于維修和替換，經(jīng)試驗和實(shí)際使用表明，該系統能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)檢測要求，是一款經(jīng)濟、便攜的X-γ射線(xiàn)檢測報警系統，可以對輻射進(jìn)行早期預警，有效的預防核輻射擴散帶來(lái)的潛在危害。