基于单片机的X-γ射线检测报警系统的研究

王艳娜，周欣悦，崔凌云

（1.沧州医学高等专科学校 河北 沧州 061001；2.沧州职业技术学院 河北 沧州 061001；3.河北工程技术高等专科学校 河北 沧州 061001）

核技术在给社会带来巨大利益的同时，也影响着我们的健康与我们的生存环境，经常带来人员伤亡与环境污染等事故。在工业生产、医疗检测及科学试验过程中同位素与射线装置辐射屏蔽的不完全，使工作人员或多或少地会受到一定的辐射影响。在核技术为我们的生产和生活提供极大的便利同时，我们应该考虑的是如何合理、安全的使用核技术，监测环境辐射剂量率，保护人民的健康。因此，研制一种便携的、稳定的、高性能的用于环境的X-γ射线检测报警系统是非常具有意义的[1-2]。

1 系统组成及原理

1.1 系统组成

X-γ射线检测报警系统硬件组成包含了电源电路、显示模块、按键电路、报警电路、探测器、串行口通讯电路组成。如图1所示，结合当前X-γ射线检测报警系统具有的便携，人机交互界面友好等优点，引入了一些适应这些趋势的软件设计方法，技术指标也由软件实现。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

1.2 工作原理

X-γ射线检测报警系统的工作原理是：采用盖革管对环境X、γ射线进行探测，通常状态下，盖革管内气体不放电，而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在金属丝电极与管壁之间产生快速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号，探测器把探测到的X、γ射线经光电耦合器转换成单片机可以识别的脉冲信号送到单片机[3]。单片机的定时器设定计数时间，计数器记录在一定长度的时间内，输入的脉冲个数。单片机通过一定的统计方法将脉冲个数转换成剂量值，将剂量率显示在液晶屏幕上或通过通讯接口送入计算机，还可与设置的报警参数比较，超出预设参数，控制报警电路进行报警。

2 硬件电路设计

2.1 探测器电路

系统选择了J304型X、γ计数管，它可以测量50 kev～1.5 mev的X、γ射线，灵敏度为350 cps/uSv。探测器信号接入光电耦合器用于控制发光二极管，光电耦合器光电晶体管部分输出信号送入单片机计数器，这样就起到了信号转换和电气隔离的作用。

2.2 单片机系统

单片机控制系统由单片机、液晶显示、按键电路和串行接口电路组成。

单片机选择的是宏晶科技公司推出的新一代的高速、低功耗、超强抗干扰的STC89C51RC/RD+，它的指令代码完全兼容传统8051单片机，内部拥有16K字节的EEPROM，同时内部还集成MAX810专用复位电路[4]。显示模块选择了FT12864汉字图形点阵液晶显示模块，该模块内置8 192个中文汉字、128个字符可达128列×64行。由于STC89C58RD+单片机配有UART接口，它的接口符合TTL标准，可与计算机串行接口进行通讯。这两个接口在通讯的时候，需要将端口的电平进行转换，设计选用了MAX232芯片进行电平转换。

2.3 电源电路

考虑到便携性，供电电源采用锂电池供电，供电电路输出为+5 V/1 A、+12 V/130 mA、600～1200 V/300 μA。

3 软件设计

3.1 主程序

C语言同传统的单片机编程语言汇编语言一样，也允许直接访问计单片机内部的地址，同时在编程设计时，C语言程序设计的自由度较大，语法限制不太严格。所以在设计中我们选择了C语言作为本设计的编程语言，采用模块化结构设计。主程序流程图如图2所示。

3.2 计数程序设计

在一定的能量范围内，盖革管的计数率与射线吸收剂量率有如下关系：

Dose=K·η

式中Dose为剂量率；K为比例系数；η为计数率。

盖革管对X、γ射线的吸收剂量率与电脉冲频率成正比，比例系数K可通过标准源来度量。由于盖革管发出的脉冲计数与辐射剂量率成正比，因此，只要准确测量脉冲计数个数，再乘以一定大小的比例系数，就可以得到环境剂量率。软件设计的核心内容就是要测量在一定时间内，单片机的T0引脚测量到的由盖革管输出脉冲的平均计数。

3.3 按键处理子程序设计

系统设计了4个按键：功能键、上、下以及确认键，按下功能键可进入菜单，用“上”和“下”选择所需的菜单项，确认键来确认。设计利用软件扫描的方式检查是否有按键按下。

图2 主程序流程图Fig.2 Flow chart of the main program design

3.4 通讯模块设计

单片机的串行口与上位机的串行口连接实现检测数据的上报、采集。波特率9 600 b/s，1位起始位，8位数据位，无校验位，1位停止位。

3.5 上位机软件设计

我们利用VB编制了X－γ射线检测报警系统数据采集上位机软件，采用了MSCOMM、Timer等控件，系统串口连接到PC机的COM1端口，实现了成功的连接和数据传输。

4 性能指标

适用范围：可测量50 keV～1.25 meV的X、γ射线

剂量率测量范围：0.1～999μSv/h

取样时间：5 s

剂量率报警阈值：0.5～100 μSv/h（可调）

测量相对误差小于±10%

5 系统试验

5.1 试验方法

X－γ射线检测报警系统的主要功能就是检测核辐射信号的强度，也就是剂量率。测量核辐射信号的强度的方法通常是由核辐射传感器将射线转换为脉冲信号，再对核辐射传感器输出的脉冲进行计数测量，然后把测得的计数率转化为核辐射剂量率值。在仿真实验中，设置由信号发生器产生模拟传感器输出的脉冲信号，通过测量信号发生器产生的脉冲信号来模拟测量核辐射信号[5－6]。进行现场标准辐射源对比试验时将制作好的两台相同的设备送到核安全电气设备鉴定检测中心，检测标准辐射源，得到实际结果进行分析。

5.2 试验结果

在仿真试验中，利用信号发生器为系统输入20 Hz的方波，X-γ射线检测报警系统在5秒内计数100次，与设计预期完全相符。在标准源测试试验中，利用两台相同的设备（设备1和设备2）先测量普通环境下的辐射剂量率，然后再分别检测 3种剂量为 0.958μSv/h、9.58μSv/h、99.14μSv/h的标准辐射源，分组记录计数值，将设备1的计数列为A组，将设备2的计数列为B组，得到以下表1的数据。

表1 试验数据结果Tab.1 Test result

分析表中的误差，最大相对误差为9.4%，小于设计预期的10%，也符合 《环境地表辐射剂量率测定规范》（GB/T 14583-1993）和《辐射防护仪器误差规定》（EJT 822-1994）对测量相对误差的要求。

6 结 论

结合当前X-γ射线检测报警系统的需求，文中提出了一种便携、经济的基于单片机的X-γ射线检测报警系统的设计方案，利用单片机作为控制运算器，提高了系统集成度，减小了体积，同时硬件的模块化设计便于维修和替换，经试验和实际使用表明，该系统能够满足现场检测要求，是一款经济、便携的X-γ射线检测报警系统，可以对辐射进行早期预警，有效的预防核辐射扩散带来的潜在危害。

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