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基于PC平台的辐射测量数据采集系统的设计和开发
简介
基于PC的数据采集是用GM探测器和PIC系列的可编程微控制器16F876来设计和开发的。这个模块是由标准堪培拉计数器校的。它具有反应快速和低功耗的特点，用作伽马射线的测量以持续监控来自于自然或人为来源的放射性对站点安全和人身健康带来的威胁。本系统使用简单，无需额外的硬件，并且允许数据的选择。所收集的数据很容易经并行端口上传到PC。这个“C”语言程序的开发是为了控制整个系统的功能，采用PCWH编译器。
关键词 - gamma;射线，微控制器
I 绪论
发射和传播能量以在波的形式通过空间或材料介质，比如，红细胞放射被称为辐射。早在20世纪，在研究和医学中使用放射源发生发生事故中，人们就发现电离辐射会对人体的活器官造成危害。电离辐射，和放射性物质对环境造成的影响是长久的，辐射造成的风险只能限制而不能消除。自生命诞生之时，人类、动物和之物都收到天然辐射。不论是在私人或公共部门，人们都在使用封闭或开放的放射性物质和电离辐射源。而人体活组织吸收了辐射能量会造成物理和化学反应，最终导致生物学上的变化。
因此检测辐射剂量是非常重要的，而且需要灵敏准确的装置来检测它。当务之急是找到检测的方法。M.S. Islam et.al介绍了1988年设计的对危险区域辐射监测便携式辐射测量仪。这个系统是缓慢的，在基于晶体管设计的。为了更好地检测辐射，性能更好的装置就在1989开发出来在M.S. Islam et.al，这个装置的操作速度是更好，但它是晶体管和集成电路模块的组合。数据记录协同使用安德森电流回路效应来测量厚膜氧化镍辐射传感器受伽马射线照射的影响，发表于K. Arshad et.al。在2011年又一有吸引力的辐射测量装置被开发出来发表于M.A.A.Mashud et.al。在这个装置中所有的晶体管和集成电路被替换使用可编程微控制器。这个系统是通过装置来显示的，但是其本质上是复杂的，涉及到较难的制造工艺。
现在，我们已经设计了一种有吸引力的方法：使用单片机的基于PC的数据采集系统，研究人员和工人可以通过计算机显示器监视辐射水平的状态。
论文的其余部分安排如下：系统的设计思想是第二节。第三节描述了计算机程序的流程图。之后，在第四节介绍了仿真结果，最后我们得出我们在最后一节的结论。
II设计思想
系统分为四个主要部分：低电压电源，高电压电源，检测器和微控制器单元。在这个单元中，交变电压（220V）通过降压变压器的降压，输出9V电压进一步馈送到四个二极管1N 4001（桥式整流器），整流后输出9V直流使用滤波电容来使之无波纹。大多数组件需要5V直流输入。为此，LM7805（三端稳压器）将9V DC转换到5V DC。所有需要5V的部连接到IC7805的输出。并且作为一个电源电压输入到20管脚的PIC16F876微控制器。系统框图和开发的系统的完整电路图分别显示在图1和图2。
图1：显示系统的框图。 图2：开发的系统完整电路图
- 低电压供电部分
低压电源电路由变压器X1，D1，D2，D3，D4，C1，C2和IC1组成。该IC1的输出为 5V直流电压。电容器C2两端IC1的输出端连接，以消除高频噪声。
- 高电压供电部分
几乎所有辐射检测器的工作都需要外部的高电压。常用的gamma;射线探测器GM管需要约250V-1500V直流工作电压。在本设计中使用的检测器需要575伏直流电压。
- 探测器
探测器工作特性
检测器：ZP1321卤素淬柜台[8]
剂量率范围：3times;10-3〜102 mGy/h
启动电压：380V
高原阈值电压：500V
坪长：150V
推荐电源电压：575V
背景：12次/分钟
死区时间：55mu;S
在25ᵒC寿命：5times;10^10计
- 微控制器（PIC 16F876）
这个强大的（200纳秒指令执行），并易于程序（只有35条指令），基于闪存的CMOS 的8位微控制器将强大的可编程接口控制器（PIC）架构集成到一个28引脚封装，与PIC16C5X，PIC12CXXX和PIC16C7X设备兼容。 PIC的控制台命令处理程序（CCP）可以捕获/比较/脉宽模块还可以检测上升沿或下降沿每四年或16个脉冲。 PIC16F876拥有256字节电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）数据存储器，自编程，5通道的10位模数（A / D）转换器，2个额外的定时器，2个采集/比较/ PWM的功能，同步串行端口可以配置为3线串行外设接口（SPI）或2线内部集成电路（IIC）总线和通用异步收发器（USART）。所有这些特性使其非常适用于汽车，工业电器和消费电子应用的先进水平A / D使用。
特点
bull;高性能RISC CPU
bull;只有35条指令学习
bull;所有的指令都是除了程序分支单周期（为1mu;s）
bull;运行速度：DC - 20MHz的时钟输入
bull;8千字节闪存程序存储器
bull;368字节RAM数据存储器
bull;256字节EEPROM数据存储器
bull;在线串行编程
外设特性
bull;两个8位定时器/计数器（TMR0，TMR2）带有8位可编程预分频器
bull;一个16位定时器/计数器（TMR1）
bull;两个采集，比较和PWM模块
bull;10位，5通道模拟 - 数字转换器
bull;同步串行端口（SSP）与SPI（主模式）和I2C（主/从）
bull;通用同步异步收发器有9位地址检测
bull;两个模拟比较器
bull;看门狗定时器（WDT）有独立的RC振荡器。
单片机特性
bull;100,000次擦除/写入循环增强型闪存程序存储器
bull;百万擦/写周期数据EEPROM存储器典型
bull;节能睡眠模式
bull;可编程代码保护
bull;可选振荡器
bull;在软件控制下的再编程
CMOS技术
bull;低功耗，高速CMOS FLASH技术
bull;全静态设计
bull;低功耗
bull;22 I/ O引脚独立方向控制
bull;28引脚DIP
- 端子正电压稳压器
所述LM78XX系列的三端正调节是在封装在（晶体管轮廓）TO-220封装中的，其通常用于晶体管，可控硅整流器与几个固定输出电压的集成电路，使得它们能应用广泛的使用中。每种类型都有内部限流，热停机和安全工作区的保护，使它基本上是难以损坏的。如果提供足够的散热，它们输出电流可以超过1A。虽然主要是设计为固定的电压调节器，这些设备能够与外部组件配合用于获得调节电压和电流。
特点
bull;输出电流高达1A
bull;输出电压5，6，8，9，10，12，15，18，24
bull;热过载保护
bull;短路保护
bull;输出晶体管安全工作区保护
- 并行打印机端口
并行端口用于本设计的接口。该端口允许高达9位的输入或12位的输出在任一时间，因此需要最少的外部电路，来实现许多简单的任务。它通常发现我们电脑后面的D型25针母连接器。管脚结构示于图3。
原始的IBM-PC的并行打印机端口共通过3个连续的8位端口在处理器的I / O空间来访问12个数字输出和5个数字输入。经由8个输出管脚访问数据端口，5个输入引脚（1被反相）访问状态端口， 4输出管脚（三级倒）访问控制端口，剩下的8个引脚接地。
图3：并行打印机端口引脚配置
还可以有一个D型25针阳连接器。这是一个并行LTP1端口，是一种完全不兼容的端口。
对于并行打印机接口最常用的标准是Centronics并行接口标准，是开发成为公司的名字命名。并口打印机类型通常有一个36针接口连接器。大多数的打印机使用的握手。此握手使用I / O和封装通常不会实现。它是利用软件控制[14]在标准的并行端口来实现。了“的Centronics”协议的简化框图中示出图4。
图4：时序波形数据字符的传输
数据首先由并行端口引脚2至7提供，主机然后检查是否打印机忙即忙线应该是低的。然后程序置位选通信号，等待至少1us，然后置1选通信号。数据通常由打印机/在DQS的上升沿外设读取。外围设备指示它是经由忙线忙于处理数据。一旦打印机已经接受数据时，它通过关于该nAck线5us的一个负脉冲确认的字节。
许多经常主机忽略nAck线，以节省时间。在扩展功能端口，一个并口快速模式采用，它可以让硬件做所有的程序员的握手。所有的程序员要做的是将数据写入I / O端口。硬件将检查是否所述外围设备是否忙，产生选通信号。这种模式一般也不检查nAck线。
III系统软件
软件被分成不同的子例程和主例程。为了开发系统我们已经使用了两种编程语言。
微控制器编程的流程图描述在图5，其示出了模拟输入信号和数字输出信号的相互作用。编译器PCWHD用于开发单片机程序。汇编语言是用来沟通使用简码指令的微控制器的媒介。简码指令是由字母建议的指令的操作的组合。汇编语言是特定于给定的微控制器。由于单片机只能理解机器代码指令，单片机编程之前用汇编语言编写的程序必须被翻译成机器语言。
图5：单片机程序流程图
软件活动是与成功的开发和计算机的操作相关的，而且软件是用来驱动计算机的。在计算机指令的通信中使用的语言被称为编程语言。计算机有自己的语言，并与计算机的任何通信必须在其语言或翻译成这种语言。在本节中，我们已经使用的编程语言“C”来开发PC软件，inportb和outportb。两个命令用于其中。
该PC接收通过并行打印机端口的数字数据。起初，PC会通过并口单片机输出通道的确认，然后存储数据。在PC分析的数字数据，并转换为用于显示的对应的十进制值。所开发的流程图显示在图6的“Turbo C”编译器用于开发用户友好的C语言程序。
图6：PC程序流程图
IV.结果与讨论
系统设计和开发已成功，因为它的性能强劲。该系统采用一个本地的，低成本的PIC16F876微控制器。为了避免复杂的比较器和A / D转换电路中，我们使用的微控制器的内部比较器和A / D转换器。此外，内部频率成功地避免外部振荡器电路。 从而整个系统功能取决于所开发的软件。电路设计是简单和紧凑的。
低电压电源装置是专为高度稳定的输出偏置微控制器。在本设计中，我们已经改变从198V的输入交流电压248V，但产量为5V直流保持不变。这个单元的输出波形图7所示。
图7：低电压电源的输出
高电压电源单元被设计来偏置检测器电路。在这个设计中，我们已经生产从6V直流电池 575V直流。这个单元的输出波形示于图。从图8中观察到的输出电压保持在对于输入变化575V直流恒定从6V到3.2V。
图8：高压模块的输出
检测器就可以以两种方式偏压。一个是共阳极配置，另一种是公共阴极配置。公共阳极配置的输出波形示于图9和共用阴极结构是图10。
从图9，它表明，负饱和电压是非常高的。如果使用这样的结构，该装置可以在一定的时间损坏由于电压的某些变化。
从图10，它表明，正饱和电压的幅度是小的。这种不断变化的电压不能损坏设备。因此，在我们的设计中，我们使用了共阴极配置。
图9：共阳极配置的输出波形 图9：共阴极配置的输出波形
当一个辐射粒子进入检测器，跨越电阻器R2形成的电压是正的。该正电压通过限流电阻器R3施加到微控制器的输入端口。这个电压信号是在微控制器的模拟输入。
微控制器将这个模拟电压信号转换成数字或二进制数据。PCWH编译器用于微控制器编程。微控制器通过并行端口直接连接PC。
著名的，便携式的和公认的编程语言“turboC”被用于设计计算机软件。结果显示在电脑屏幕上。对信息的结果可以记录或保存为一个数据文件。
所设计的数据采集系统与在表1中所示的函数发生器的仪器通过测试比较，结果令人满意。该系统使用来自SSDL辐射源校准。CANBERA函数发生器和开发的系统之间的线性比较研究在图11中描绘。
表1：函数发生器和开发的系统比较
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函数发生器 TTi, Model- TG215 |
开发的系统 |
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5Hz |
5 Hz |
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10 Hz |
10 Hz |
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15 Hz |
15 Hz |
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30 Hz |
30 Hz |
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50 Hz |
50 Hz |
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100 Hz |
100 Hz |
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150 Hz |
150 Hz |
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