手持式汞含量检测仪器电路控制系统的设计与实现

李 辉

（中核建中核燃料元件有限公司江南分公司质量技术部，四川 宜宾644000）

0 引言

X射线用于元素分析，是一种新的分析技术，但在经过二十多年的探索以后，现在已比较成熟，已广泛应用于冶金、地质、有色等各个领域。项目组通过对车间产生大量含汞废旧金属背景进行了调研和讨论，确定了检测仪器直读、智能小型化、便携式目标，研制了Ux-920型含汞废物XRF检测仪器样机,为无害化处理结果提供检测手段，最终确定无害化衡量标准。

1 手持式XRF仪器主要组成部分

XRF检测仪器原理示意图如图1所示。X射线发生器产生的X荧光经滤光器后照射试样，试样中汞原子的内壳层（K、L或M壳层）电子被激发逐出原子而引起壳层电子跃迁，并发射出该元素的特征X射线（荧光），经准直器后，由探测器进行检测，得到汞原子的特征X射线能谱，从而确定试样汞的含量。

图1 XRF检测仪器原理示意图

2 手持式XRF仪器控制板的电源控制电路设计

2.1 电源芯片具体信号分析

2.1.1 5V转3.3V电源芯片选择

本设计中，选择的电源芯片是NCP1529，该芯片可以将5V的电压转成单片机工作所需要的3.3V电压，最大输出电流为1A，完全可以满足单片机工作需求，同时，该芯片体积小，适合高度集成的电路板，有效节省PCB资源，而且该芯片为开关电源，转换效率很高，这样就避免了线性电源发热严重需要加装散热器的问题。

2.1.2 隔离电源选择

该系统中，由于用到了很多的模拟电路，同时要求探测器有很高的稳定性和准确度，所以最好的办法就是数字电源和模拟电源分开，数字地和模拟地分开，数字地和模拟地的分离可以选择磁珠或者电感线圈来实现，但数字电源和模拟电源的分离就必须使用专门的隔离电源，这样可以有效地减少数字电路部分和模拟电路部分之间的相互串扰，在本设计中，选择的隔离电源是B0505S,用来将数字5V和模拟5V电源隔离开，然后数字5V和模拟5V就可以分别产生电路工作所需要的数字3.3V和模拟3.3V电压。

2.1.3 12V转5V电源芯片选择

由于电池输出的是12V电压，而很多元器件都需要的是5V的工作电压，因此还需要一个将12V转5V的芯片，在这里选择的也是开关电源LM2576,该电源理论转换效率很高，而且很重要的一点就是它自身有一个开关控制信号，可以通过判断该控制信号的高低电平来控制电源芯片是否工作，这样就可以大大的节省能耗，延长电池必要的工作时间以及使用寿命等。

2.2 电源控制电路设计基本思路

由于电池电量有限，为了尽可能地保证电池的利用效率，需要对电池电量的使用做一个很好地管控，当系统某部分电路需要使用电池做电源驱动的时候就启动电池与该部分电路对应的接口，使能电压控制，否则就切断电路与电池的联系，把功耗降到最低。

2.3 电源原理图

2.3.1 USB供电端口

图2 USB供电端口图

USB供电端口见图2，电压从端口1出来以后，经过一个滤波电感和500MA保险丝，再通过二极管IN4001将电压降低大概0.7V以后再连接到系统供电线路中。

2.3.2 电池供电端口

图3 电池供电端口图

电池供电端口见图3，通过一个两PIN的端子分别连接电池的正极和负极，通过2A的自恢复保险丝来实现对电池的短路保护。

3 手持式XRF仪器步进电机驱动电路设计

THB6128驱动电路原理见图4，除了基本的上电配置电路以外，在这里使用了一个四路的光耦，用来匹配单片机控制信号和电机驱动信号的电压，由于STM32只能输出3.3V电压，而控制步进电机驱动芯片工作需要5V的输入电压，通过光耦隔离可以轻易地实现这一点。

4 手持式XRF仪器核心处理器STM32电路设计

4.1 芯片说明

该单片机自身内部集成了多通道、高精度的AD,DA可以用来检测外部输入的模拟量以及输出一定范围的模拟电压，同时该芯片有内部集成的USB通信功能，可以和上位机实现速度较快的USB传输，相对于串口而言，可以有效提高数据传输的速率和准确性。

4.2 电路原理图

图4 THB6128电路图

STM32电路见图5，该电路中，使用了一个REF2925来给单片机内部的AD,DA等模拟量提供2.5V基准电压，也就是说，所有AD/DA通道最大输入/输出为2.5V。

5 电路实验测试结果

5.1 代码创建与固件生成

软件设计在基于MCU的电路设计过程中占有重要位置。手持式XRF检测仪的硬件代码结构如图6所示，主要包括三个部分，即应用层，接口层和硬件抽象层。

5.2 电路实验与功能验证

图6 代码组织结构图

通过测试验证，电路主板能很好地实现既定的功能，其中，高压电源的控制为本实验最关键的部分，对其控制的精度及稳定性直接影响高压电源的使用寿命及仪器测试结果的准确与稳定性。图7为DA输出的控制电压与高压电源输出管压与管流对应的分布图，可以看出符合设计要求的。

图7 高压电源控制与响应分布图

6 结论

手持式XRF仪器控制电路系统中以低功耗的32位芯片实现对手持式XRF仪器的电源管理、高压电源的管流管压控制、温度监测、滤光片控制及其它数据采集与处理，使光管与控测器有效配合，从而实现了XRF仪器控制电路系统的智能小型化，也达到了XRF仪器便携、高效、准确直读检测车间产生的含汞废旧金属汞含量的目的。

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