使用 MSP430F133 單片機(jī)改造老式測(cè)量?jī)x表

概述

在核污染的環(huán)境評(píng)測(cè)中，最常用的儀表是X、γ 輻射空氣吸收劑量率儀。在這類儀表中，使用的測(cè)量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)的方法，在這類方法中使用光電倍增管或使用計(jì)數(shù)管對(duì)核輻射脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測(cè)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(shù)量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如（圖一）所示。

圖一

存在的問(wèn)題

在廠家多年生產(chǎn)這種類型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)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(shù)較大，而且電容的品質(zhì)對(duì)儀表參數(shù)影響甚大，因此為了得到較穩(wěn)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(shù)。這時(shí)，電阻的阻值將高達(dá)1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應(yīng)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(cè)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(shù)大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數(shù)中，起關(guān)鍵作用的參數(shù)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(shì)必要提高電路的放大倍數(shù)。這時(shí)若設(shè)計(jì)的放大器倍數(shù)過(guò)大，將會(huì)產(chǎn)生兩種后果：a）過(guò)大的放大倍數(shù)，將影響放大器的穩(wěn)定性。b)使用電路設(shè)計(jì)上的限制，有時(shí)電路的放大倍數(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[3] 在儀器的構(gòu)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(shù)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(shè)計(jì)中加入了復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線性，使一般的電路補(bǔ)償方式難以達(dá)到理想的效果。

解決方案

根據(jù)以上存在的問(wèn)題以及對(duì)儀表性能提高的要求，在對(duì)原有儀表進(jìn)行較仔細(xì)地分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前儀表設(shè)計(jì)、改進(jìn)的潮流方向以及單片機(jī)系統(tǒng)在儀表中的廣泛應(yīng)用。我們對(duì)儀表在設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)儀表電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。引入了模擬 + 數(shù)字放大技術(shù)；數(shù)字本底調(diào)整技術(shù)和溫度數(shù)字校正技術(shù)。應(yīng)用上述原理設(shè)計(jì)出的儀器經(jīng)廠家生產(chǎn)和用戶試用，基本上達(dá)到了生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使用性能穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述如下：

一. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

在考慮應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)儀表系統(tǒng)時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）傳感器信號(hào)的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號(hào)的輸入、調(diào)理和放大的功能。同時(shí)在電路的設(shè)計(jì)中還要兼顧放大倍數(shù)與放大器的穩(wěn)定性這兩方面的問(wèn)題。（2）信號(hào)的變換，為了能將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。（3）數(shù)字放大和本底調(diào)整控制電路，在這一部分的電路設(shè)計(jì)中，考慮到原有儀表的結(jié)構(gòu)和用戶使用中的一般習(xí)慣，在這一部分的調(diào)整中仍然采用了使用電位器的模擬調(diào)整技術(shù)，只不過(guò)是將調(diào)整的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字校正處理。（4）顯示輸出電路，根據(jù)用戶要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號(hào)必須為模擬信號(hào)，所以這里采用了數(shù)字PWM輸出技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出。整個(gè)儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如（圖二）所示。由上述電路系統(tǒng)圖可以看出，在整個(gè)電路在對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程中，需要完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節(jié)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)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(guó)的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機(jī)。

圖二