基于單片機的X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的研究

核技術在給社會帶來巨大利益的同時，也影響著我們的健康與我們的生存環(huán)境，經(jīng)常帶來人員傷亡與環(huán)境污染等事故。在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測及科學試驗過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受到一定的輻射影響。在核技術為我們的生產(chǎn)和生活提供極大的便利同時，我們應該考慮的是如何合理、安全的使用核技術，監(jiān)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(wěn)定的、高性能的用于環(huán)境的X-γ射線檢測報警系統(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射線檢測報警系統(tǒng)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射線檢測報警系統(tǒng)具有的便攜，人機交互界面友好等優(yōu)點，引入了一些適應這些趨勢的軟件設計方法，技術指標也由軟件實現(xiàn)。

1.2 工作原理

X-γ射線檢測報警系統(tǒng)的工作原理是：采用蓋革管對環(huán)境X、γ射線進行探測，通常狀態(tài)下，蓋革管內(nèi)氣體不放電，而當有高速粒子射入管內(nèi)時，粒子的能量使管內(nèi)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(xiàn)象，從而輸出一個脈沖電流信號，探測器把探測到的X、γ射線經(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。單片機的定時器設定計數(shù)時間，計數(shù)器記錄在一定長度的時間內(nèi)，輸入的脈沖個數(shù)。單片機通過一定的統(tǒng)計方法將脈沖個數(shù)轉換成劑量值，將劑量率顯示在液晶屏幕上或通過通訊接口送入計算機，還可與設置的報警參數(shù)比較，超出預設參數(shù)，控制報警電路進行報警。

2 硬件電路設計

2.1 探測器電路

系統(tǒng)選擇了J304型X、γ計數(shù)管，它可以測量50 kev～1.5 mev的X、γ射線，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(shù)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(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)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(tǒng)8051單片機，內(nèi)部擁有16K字節(jié)的EEPROM，同時內(nèi)部還集成MAX810專用復位電路。顯示模塊選擇了FT12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊，該模塊內(nèi)置8 192個中文漢字、128個字符可達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行通訊。這兩個接口在通訊的時候，需要將端口的電平進行轉換，設計選用了MAX232芯片進行電平轉換。

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

3.2 計數(shù)程序設計

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

Dose=K·η

式中Dose為劑量率;K為比例系數(shù);η為計數(shù)率。

蓋革管對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可通過標準源來度量。由于蓋革管發(fā)出的脈沖計數(shù)與輻射劑量率成正比，因此，只要準確測量脈沖計數(shù)個數(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。軟件設計的核心內(nèi)容就是要測量在一定時間內(nèi)，單片機的T0引腳測量到的由蓋革管輸出脈沖的平均計數(shù)。

3.3 按鍵處理子程序設計

系統(tǒng)設計了4個按鍵：功能鍵、上、下以及確認鍵，按下功能鍵可進入菜單，用“上”和“下”選擇所需的菜單項，確認鍵來確認。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現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的上報、采集。波特率9 600 b/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。

3.5 上位機軟件設計

我們利用VB編制了X-γ射線檢測報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上位機軟件，采用了MSCOMM、Timer等控件，系統(tǒng)串口連接到PC機的COM1端口，實現(xiàn)了成功的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

4 性能指標

適用范圍：可測量50 keV～1.25 meV的X、γ射線

劑量率測量范圍：0.1～999 μSv/h

取樣時間：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(tǒng)試驗

5.1 試驗方法

X-γ射線檢測報警系統(tǒng)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轉換為脈沖信號，再對核輻射傳感器輸出的脈沖進行計數(shù)測量，然后把測得的計數(shù)率轉化為核輻射劑量率值。在仿真實驗中，設置由信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬傳感器輸出的脈沖信號，通過測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號來模擬測量核輻射信號。進行現(xiàn)場標準輻射源對比試驗時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，得到實際結果進行分析。

5.2 試驗結果

在仿真試驗中，利用信號發(fā)生器為系統(tǒng)輸入20 Hz的方波，X-γ射線檢測報警系統(tǒng)在5秒內(nèi)計數(shù)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(shù)值，將設備1的計數(shù)列為A組，將設備2的計數(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(guī)范》(GB/T14583—1993)和《輻射防護儀器誤差規(guī)定》(EJT 822—1994)對測量相對誤差的要求。

6 結論

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