基于单片机的数显盖革计数器的研究与实现

2014-02-24吴晓燕李合菊赵守彬李云霞莱芜职业技术学院山东莱芜271100

电子测试 2014年23期

吴晓燕,李合菊,赵守彬,李云霞（莱芜职业技术学院，山东莱芜，271100）

基于单片机的数显盖革计数器的研究与实现

吴晓燕,李合菊,赵守彬,李云霞
（莱芜职业技术学院，山东莱芜，271100）

盖革计数器可以检测各种物质及周围环境的放射性，广泛用于工业、科研、医疗、装修家居环境等的放射性辐射检测，本文研究的盖革计数器采用AT89C52单片机为控制核心，对盖革管输出信号进行检测计数，并实时快速计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。相比于传统盖革计数器，具有灵敏度高、检测迅速、显示直观、小巧便携的特点。

单片机；盖革计数管

0 引言

传统便携式辐射测试仪多采用小型盖革计数管，灵敏度低，测试时间过长，测量数据没有数显装置、只有声音指示。本文研究了一种基于AT89C52的数显盖革计数器，对盖革管输出信号进行检测计数，并实时快速计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。具有灵敏度高、检测迅速、显示直观、小巧便携的特点。

1 盖革管的工作原理

盖革计数器又叫气体电离探测器，是由H.盖革和P.米勒在1928年发明的。它是一种专门探测电离辐射(包括α粒子、β粒子、γ射线)强度的计数仪器。

盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计而成的，最常用的是金属丝计数器。盖革管的结构如图1-1所示，用一根两端用绝缘物质密闭的金属圆管作为阴极，沿管的轴线安装一根金属丝电极作为阳极，相互绝缘的密闭在一个玻璃泡内，里面充入惰性气体和微量溴等卤族气体，并在金属管壁和金属丝电极之间加上400V电压（电压略低于管内气体的击穿电压）。在通常状态下，管内气体不放电；而当某种射线的高速粒子进入管内时，能够使管内气体电离，产生的电子在电压作用下飞向金属丝阳极。些电子沿途又电离气体的其它原子，释放出更多的电子。不到1微秒的时间越来越多的电子再接连电离越来越多的气体原子，终于使管内气体成为导电体，在金属丝与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。电流经过放大后，计数器自动地记录下每个粒子飞入管内时的放电，由此可检测出粒子的数目。

图1-1 盖革管示意图

2 盖革计数器的设计

图2-1 盖革计数器框图

2.1 系统框图

盖革计数器系统由盖革计数管、单片机、电源电路、放大缓冲电路及液晶显示部分组成，如图2-1所示。

2.2 设计参数

控测器：大接收面积带能量补偿高平坦坪区盖革计数管（存命1*10^9次），可测量X射线，γ射线和β射线。

测量范围: 0.01～100μSv/h，0～60000CPM

能量响应范围：50KeV-3MeV

相对基本误差：≤±6%

显示数据：脉冲数CPM，辐射轻度μSv/h

显示精度:0.001uSv/h

计量本底辐射计数率110次/分钟

灵敏度：250CPM/uSv/h(对于钴60）

仪表体积（包括探头) :L300×W90×H60㎜

重量:小于0.3kg

2.3 元件选型

2.3.1 电源电路

电源可选择单节锂电池或者三节5号电池，输入电压在3V-4.5V可维持正常工作。盖革计数管需要400V的工作电压，单片机需要5V工作电压，所以电池电压通过逆变电路升压并进行稳压，输出400V电压给盖革计数管供电，输出5V电压给单片机供电。

2.3.2 盖革计数管

盖革计数管采用新型J408-β/γ型，可同时测量X、β、γ三种射线，体积小巧，可以同时兼顾高灵敏度和便携性，J408直径18mm，长度220mm，工作电压400V，工作温度-40℃~ +55℃，本底计数110CPM，灵敏度可达380cps/uR/s。

2.3.3 单片机部分

单片机的选择在整个系统设计中至关重要，本文选择AT89C52作为主控芯片，AT89C52是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，它内含8KB的可反复檫写(大于1000次）的程序存储器，和256字节随机存取数据存储器（RAM）。器件兼容标准MCS-51指令系统，配置通用的8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C52单片机功能强大，在电子行业、控制领域中有着广泛的应用。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在硬件组成、引脚排列、指令系统和工作特点等方面兼容。它的工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；最高工作频率为24MHz。其主要工作特性有：

（1）32根可编程I/O口线；

图1-3 盖革计数器系统硬件电路

（2）串行口是一个全双工的可编程串行通信口；

（3）具有3个16位可编程定时/计数器中断；

（4）中断系统是具有6个中断矢量、8个中断源、2个级优先权的中断结构；

（5）具有一个数据指针DPTR；

（6）具有可编程的3级程序锁定位；

(7)低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

(8)有PDIP、PQFP、TQFP 等封装形式，可适应不同产品需求。

3 硬件电路

硬件电路图如图1-3所示，由3-5V电池供电，其电压通过逆变电路升压为400V后给盖革管供压。盖革管阳极串联5-10M的限流电阻接400V电压，以防盖革管损坏，阴极在受到辐射后会输出约10V左右高电平脉冲，脉宽约2ms，经滤波放大后送入CD4049反响缓冲器进行整形，以利于准确的让单片机识别有效脉冲，减小干扰，增加测量稳定性和准确性。

脉冲通过INT1引脚进入AT89C52单片机后，单片机对盖革管输出信号进行检测并计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。

4 软件设计

软件设计每1分钟为采样频率，显示近一分钟的脉冲数CPM，同时通过单片机计算辐射强度，一并显示在1602液晶屏上。打开电源后，单片机开始工作，因开机第一分钟没有测量数据，此时单片机显示开机信息，可以自定义，如欢迎信息、仪器工作参数等，此时数盖革计数管加电工作，受辐射后输出脉冲，通过单片机中断INT1对脉冲进行计数，每一次脉冲计数加1，同时蜂鸣器发生一次，实时提醒辐射强度，计时器T0进行计时一分钟，一分钟内计数重复累加，满足一分钟后，单片机对脉冲次数按照公式进行计算近一分钟的辐射强度，公式内设置变量A，可以根据不同盖革计数管个体差异灵敏度，方便调试，以保证测量精度，后更新液晶屏现实，将计算的辐射强度和近一分钟的脉冲数值直观的显示值在液晶屏上。完成一分钟测量后，计数器和计数器清零，重新开始计数计时，进行下一分钟的测量。

5 仪表调试

由于每个盖革计数管存在个体差异，本设计采用了型号J408的盖革管，灵敏度为380cps/uR/s，仪表要通过钴60放射源进行标定校准，辐射单位伦琴（R）为照射量单位，表示的是存在的辐射量，不等于生物组织的吸收情况，西弗(又译希沃特,英文缩写Sv)是一个国际单位制导出单位,用来衡量辐射对生物组织的伤害，在仪器中用常用uSv/h（微西弗每小时）来衡量当前环境的辐射强度，1uR=0.01uSv，那么380cps/uR/ s=380*60cpm/0.01uSv/(1/3600)h=1.67*380cpm/uSv/h，如前所述，软件设计为每一分钟采集盖革管脉冲数即CPM，设定实时采集脉冲数为K，则辐射强度为K/（1.67*380）uSv/h，软件设计中设定变量A=1/（1.67*380），精度调试时，根据灵敏度更改变量A，可以方便的调试仪器精度，无需调整其他参数既可以让仪器高精度运行，实际测试使用良好，自然环境本底计数在120CPM左右，各地本底辐射值有差异，测量中如需计算辐射源的绝对辐射值，可以先测量本底辐射再减去本底辐射值。

[1] 陈建文.X射线探测技术[J].激光与光电子学进展.2003(1)24-29.

[2] 刘战存,李慧鹏.盖革对物理学的重要贡献[J].大学物理.2012(8)：32-37.

[3] 黄正福.盖革计数器的数字显示[J].物理实验.2000(9)：26-27.

[4] 张毅刚.单片机原理及接口技术[M].人民邮电出版社.2011：50-90.

吴晓燕（1982.12-），女，山东莱芜人，讲师，硕士，莱芜职业技术学院，专业方向：电子信息工程。

Research and Implementation of Digital Displayed Geiger Counter Based on Single Chip

Wu Xiaoyan,Li Heju,Zhao Shoubin,Li Yunxia
(Laiwu Vocational and Technical College,Laiwu,Shandong,271100)

Geiger counter is mainly used for the radiation detection in coal,ore,marble,stone collection, and the environment of decoration.This research uses AT89C52 single chip microcomputer as the control core, detecting the output tube of Geiger counter and count,calculating the radiation levels fastly in the realtime，at last displaying in the LCD screen.Compared to traditional Geiger counter，it has high sensitivity, tests rapidly,intuitive display,and is ompact and portable.

single chip;Geiger counter