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使用单片机改造老式测量仪表

2011-08-23 11:39
龙凰
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  概述

 

  在核污染的环境评测中,最常用的仪表是X、γ 辐射空气吸收剂量率仪。在这类仪表中,使用的测量原理主要有以下两种:一种方法是使用脉冲计数的方法,在这类方法中使用光电倍增管或使用计数管对核辐射脉冲计数,通过计数量的多少反映核辐射剂量的大小。另一种方法是将测量的辐射脉冲进行积分、放大后显示输出。在后一种方法中,由于综合考虑了反映核辐射能量脉冲的数量和幅值,所以较好地反映了核辐射的剂量和剂量率。这类仪表的系统结构如(图一)所示。

 

  仪表的系统结构

   图一

 

  存在的问题

 

  在厂家多年生产这种类型仪表的生产实践中,发现使用该方法生产的仪表,存在以下的问题:

  [1] 在积分放大电路中由于积分常数较大,而且电容的品质对仪表参数影响甚大,因此为了得到较稳定的积分电路性能,电容的容量不能用的太大,所以在输入积分电路中只能用提高电阻的阻值的方法来增加积分常数。这时,电阻的阻值将高达1011欧姆。如此高的阻值在电路中的应用大大地提高了仪表生产的工艺难度和使用时受环境影响的程度。

  [2] 作为影响仪表性能的关键探测部件-探头中,使用的主要传感部件为光电倍增管。它的性能参数大大地影响整个仪器的性能。在影响探头的诸多参数中,起关键作用的参数为光电倍增管的暗流和兰光灵敏度。若光电倍增管的暗流过大,将会使仪器的本底降不下来,从而使成为不合格产品。若光电倍增管的兰光灵敏度太低,势必要提高电路的放大倍数。这时若设计的放大器倍数过大,将会产生两种后果:a)过大的放大倍数,将影响放大器的稳定性。b)使用电路设计上的限制,有时电路的放大倍数难以达到设计要求。

  [3] 在仪器的构成的诸多元素中,光电倍增管、仪器中的放大电路等都会在温度变化的影响下产生参数的变化,使仪表产生一定的温度漂移,从而使仪表在温度变化的影响下,产生精度上的变化。这一点虽然在电路设计中加入了复杂的温度补偿电路,但是,由于影响因素的多样性和非线性,使一般的电路补偿方式难以达到理想的效果。

 

  解决方案

 

  根据以上存在的问题以及对仪表性能提高的要求,在对原有仪表进行较仔细地分析的基础上,根据目前仪表设计、改进的潮流方向以及单片机系统在仪表中的广泛应用。我们对仪表在设计理念和方法上进行了大胆的创新。使用德州仪器公司的MPS430F133单片机对仪表电路结构进行了重新设计。引入了模拟 + 数字放大技术;数字本底调整技术和温度数字校正技术。应用上述原理设计出的仪器经厂家生产和用户试用,基本上达到了生产工艺简单,使用性能稳定的设计目的。整个系统的结构描述如下:

  一。 系统结构:

  在考虑应用单片机设计仪表系统时,必须解决好以下几个方面的问题:(1)传感器信号的输入和处理电路。这部分电路需要满足信号的输入、调理和放大的功能。同时在电路的设计中还要兼顾放大倍数与放大器的稳定性这两方面的问题。(2)信号的变换,为了能将信号输入单片机进行信号的处理和输出,必须将输入放大器输出的模拟信号变换为数字信号。(3)数字放大和本底调整控制电路,在这一部分的电路设计中,考虑到原有仪表的结构和用户使用中的一般习惯,在这一部分的调整中仍然采用了使用电位器的模拟调整技术,只不过是将调整的模拟信号经A/D转换后输入到单片机中进行数字校正处理。(4)显示输出电路,根据用户要求,仪表的输出采用指针式表头输出。由于表头的输入信号必须为模拟信号,所以这里采用了数字PWM输出技术,将数字信号转变为模拟信号输出。整个仪表系统的结构图如(图二)所示。由上述电路系统图可以看出,在整个电路在对信号的处理过程中,需要完成A/D转换,数字处理和模拟输出这几个环节。为了使整个系统的稳定性达到较高的水平,希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的选型上,采用美国的TI公司生产的MSP430F133单片机。

  仪表系统的结构图

  图二

  二。 MSP430F133单片机选型依据

  MSP430F133系列单片机是德州仪器公司生产的一组具有超低功耗的、具有16位RISC结构,16位CPU寄存器和常数寄存器的微控制器。而MSP430F133是这个系列中的一款带有8KB Flash Memory、256B RAM;有12位的带有内部参考电压、采样保持和自动扫描功能的A/D转换器,以及硬件中的PWM输出端口。它的超低功耗设计(仅微安级工作电流)正好满足了便携式仪器使用电池供电的特点。它所具有的片内A/D转换器,具有精度较高和速度快的特点,基本上满足了实时采样的要求。它所具有的16位PWM输出端口使输出表头的指示更加平滑稳定。另外它内部所带有的硬件乘法器使单片机的运算性能大大的加强。满足了数字仪器复杂、快速运算的要求。另外使用在单片机内部嵌入的温度传感器,我们可以根据它测出的环境温度和系统的温度特性,对整个仪器系统进行精确的温度数字校正,使系统在环境温度产生较大变化时仍能可靠、稳定地工作。

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