基于单片机的X-γ射线检测报警系统的研究

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 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。

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。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。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x64行。由于STC89C58RD+单片机配有UA RT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/300μA。

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。

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：0.1～999 μSv/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