（精密仪器及机械专业论文）β射线粉尘浓度测量系统设计.pdf

中文摘要 大气环境的质量鉴定和工业生产线上的粉尘应用，都促使粉尘浓度测量技术 蓬勃发展。目前，国内外出现的测量方法多种多样，技术特点和应用环境也不尽 相同。 本文的目的在于设计一套实用、新颖的粉尘浓度监测仪器，集自动采集尘样、 检测射线强度、处理数据、反馈结果于一体，并能实现在线测量。仪器以p 射线 吸附技术为基础：1 3 射线通过介质层时，射线强度的衰减与介质层的质量厚度相 关，并遵从指数衰减规律。 本文的主要工作包括以下几部分： 1 分析比较了各种粉尘浓度监测技术的优缺点，以d 射线吸收理论作为粉尘 浓度监测系统的设计依据，完成了以a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心的粉尘浓度 测量系统的结构设计； 2 介绍了1 3 射线吸收法粉尘浓度测量原理，明确了测量过程中关一i i , 的三个参 量：，l 。，l 和q 。针对系统的测量要求，结合a r m 处理器的特点，合理地选择 传感器、电源、电机等系统外设，构建整个系统框架，设计机械结构和执行机构； 分析了影响系统测量精度的各种因素及相应的解决措施； 3 完成了基于a r m 处理器的各控制单元的硬件设计，主要包括：液晶和触 摸屏人机交互单元、吸附滤纸传送控制单元、射线强度探测单元、气体采样恒流 系统、适配器开合控制单元等；在保证测量要求的前提下，最大限度地进行系统 结构优化，减小系统成本； 4 针对系统各功能模块的硬件设计，完成系统软件开发，实现信号的采集、 处理和计算结果的反馈，充分考虑了控制过程中的诸多细节问题，保证了仪器控 制、运转的精确性和可靠性。 关键词：粉尘浓度监测1 3 射线吸附技术a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 盖革计 ，数管气体恒流采样系统 a bs t r a c t d u s tc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n gh a sd e v e l o p e dm o r ea n dm o r e p r o m p t l ya n dp l a y e d as i g n i f i c a n t p a r t i n m a n y c o n d i t i o n s ，s u c ha st h e a p p l i c a t i o no fp o w d e ri n i n d u s t r y - p r o d u c t - l i n ea n dt h ei d e n t i f i c a t i o no fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t y a tp r e s e n t ，t h e r e a r eal o to fd i f f e r e n tk i n d so fm e a s u r i n gm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d ，w h i c hh a v e v a r i o u sf e a t u r e sa n da p p l i c a t i o nr a n g e s t h et h e s i sa i m sa tp r o v i d i n gap r a c t i c a la n dn o v e ld u s tc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n g i n s t r u m e n t ，w h i c hc a na u t o m a t i c a l l yr e a l i z ed u s t s a m p l i n g ，r a d i a t i o ni n t e n s i t y m e a s u r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，r e s u l t sf e e d b a c ka n dp a r a m e t e r ss e t t i n g ，e t c b e s i d e s ，t h e s y s t e mw i l lb ea b l et or u nc o n t i n u o u s l yo n l i n e t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei sb a s e do n i b - r a d i a t i o n - a b s o r p t i o n - m e t h o d ：t h ei n t e n s i t yo fdr a d i a t i o ni sw e a k e n e db yt h e t r a n s m i s s i o nt h r o u g hm a t t e ra n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oi n t e n s i t i e si s a m e a s u r eo ft h et h i c k n e s so fm a t t e r t h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t sa r ew h a tt h i sp a p e rh a ss t u d i e do n ： 1 b a s i n go nc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n td u s t c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n gm e t h o d sa sw e l la sc o m b i n gt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o ni no u r c o u n t r y , d e s i g nt h ed u s tc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n gs y s t e me m p l o y e da r mp r o c e s s o r s 3 c 4 4 b o xa st h ec o r e c o m p o n e n ta n d1 3 - r a d i a t i o n a b s o r p t i o n m e t h o da st h e m e a s u r i n gp r i n c i p l e ； 2 d i s c u s st h et h e o r yo f1 3 - r a d i a t i o n - a b s o r p t i o n m e t h o di nd e t a i l ；o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d u l e ，p u tf o r w a r dt h r e ec r i t i c a lp a r a m e t e r s ：力o ，刀a n d q ；a c c o r d i n gt ot h em e a s u r i n gr e q u i r e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa r mp r o c e s s o r , s e l e c ta p p r o p r i a t es e n s o r , p o w e rs o u r c e ， w h o l es y s t e mf r a m e w o r k ，i n c l u d i n gt h e a n ds oo n ；a n a l y z et h ef a c t o r sw h i c hc a n t h er e l e v a n ts o l u t i o n s ； m o t o ra n do t h e rd e v i c e ss oa st ob u i l dt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a c t u a t i n gm e c h a n i s m i n f l u e n c et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya sw e l la s 3 c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no f e a c hm o d u l e sb a s e do nt h ea r mp r o c e s s o r ， m a i n l yi n c l u d i n g ：t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eu s i n gl c da n dt s p , t h ef i l t e rt r a n s f e r c o n t r o l l i n gu n i t ，t h er a d i a t i o ni n t e n s i t yd e t e c t i n gu n i t ，t h ec o n s t a n ta i rf l o ws a m p l i n g s y s t e m ，t h ea d a p t e rm o t i o nc o n t r o l l i n gu n i ta n ds oo n ；m a k et h em a x i m u me f f o r tt o o p t i m i z e t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dr e d u c et h ec o s t o nc o n d i t i o nt h a ta l lt h e m e a s u r e m e n ti n d e x e sa r er e a l i z e d ； l 08 5 v c c 低电平 03 v 。然而，处理器s 3 c 4 4 b o x 的i 0 1 3 工作电压为0 33 v ，所咀必须加上逻辑电 平转换电路。这里选用7 4 l v c l 2 5 ，将输入的5 v 高电平转化为33 v 输出，同时因为 内部三态缓冲门作用，可以减少外部信号对控制扳的干扰。 1 荏 图387 4 l v c l 2 5 逻辑图 札 第三章系统硬件设计 表3 - 37 4 l v c l 2 5 功能表 设计原理图如下，因为系统只使用到s i g a 、s i g b 两路信号，所以用四口接线 端子与编码器相连。s i g a 、s i g b 信号经逻辑电平转换后接入s 3 c 4 4 b o x 处理器的 p g l 、p e 4 接口，其中p 6 1 通过编程配置为外部中断，对编码器a 通道信号进行响应， 而p e 4 贝i 对b 通道信号进行查询，起到双重保障的效果。 p 8 4 3 2 l e a c o d e r p 1 l 4 3 2 l l t oh v e 5 g n d 弋面d 5 0 3 3 适配器控制单元 图3 - 9 编码器电路原理图 适配器控制单元框图如图3 10 所示： 图3 - l0 适配器控制单元框图 3 3 1 直流电机驱动 适配器控制单元需要通过控制滤纸压紧平台的升降来实现适配器的开合，这 第三章系统硬件设计 里采用直流电机和传动机构实现。直流电机调速性能好( 平滑性高) 、体积小、 效率高，同时伴随着电力电子技术的发展，出现了用电子器件实现换向的无刷直 流电机，其无电刷装置、不会摩擦产生火花的特点使得直流电机得到更为广泛的 应用【5 3 1 。 为提高系统效率、降低功耗，功放驱动电路采用基于双极型h 桥型脉宽调 制方式( p w m ) 的集成电路l 2 9 8 。l 2 9 8 内部包含两个h 桥的高电压大电流桥 式驱动器，接收标准t t l 逻辑电平信号，可驱动4 6 v 、2 a 以下的电机，工作温 度范围从2 5 到1 3 0 1 54 | 。其内部的一个h 桥原理图如图3 1 1 所示：e n a 是控 制使能端，控制o u t i 和o u t 2 之间电机的停转，i n l 、i n 2 脚接入控制电平， 控制o u t l 和o u t 2 之间电机的转向。当使能端e n a 有效，i n l 为低电平i n 2 为高电平时，三极管2 和3 导通，l 和4 截止，电机反转。当1 n 1 和i n 2 电平相 同时，电机停转。表3 4 是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。 图3 1 1h 桥原理图 表3 - 4 电机运行逻辑关系 结合电机运行的逻辑关系，可以通过r w m 输出来控制直流电机的转速。 s 3 c 4 4 b o x 本身具有5 个p w m 输出1 2 1 ，可以直接输出控制信号到l 2 9 8 ，而无需 另加电路，原理图如图3 1 2 所示。系统选用工作在中断模式下的定时器3 作为 产生p w m 的定时器，通过编程设定i o 口p e 6 作为定时器3 输出p w m 的端口， 接入l 2 9 8 的e n a 端1 2 1 。根据定时器3 输出适度频率的p w m 波形来控制直流电 第三章系统硬件设计 机的转速，从而使压紧平台的升降动作稳定可靠。而i o 口p e 7 设定为通用输出 口，连接l 2 9 8 的i n l 并通过反相器连接i n 2 。通过接入反相器，i n l 和i n 2 就 不会同时处于高电平和低电平，即通过p e 7 一路信号的输出电平决定电机的转 向，这样使得系统的控制信号得到减少，在一定程度上简化了系统。但与此同时， 也不能通过控制i n i 和i n 2 电平相同而使电机停止转动了，电机的停止操作可以 通过调制脉冲宽度为0 及占空比为0 ，或者关闭定时器的使能位实现。另外，为 保证l 2 9 8 驱动芯片正常工作，在其与直流电机之间加入两对续流二极管用以将 电机中反向电动势产生的电流分流到地或电源正极，以免反向电动势对驱动芯片 产生损害。 图3 1 2 直流电机驱动原理图 3 3 2 光电开关行程控制 光电开关是采用光电转换原理控制电路通断，使输出信号产生逻辑翻转的一 类电器。与传统的机械行程开关相比，光电开关具有无触点控制、无机械碰撞、 能识别色标、响应速度快，控制精度高等特点，故在工业自控设备中应用得极其 广泛【5 5 】。 ( 心( ” 图3 - 1 3 光电开关对比图 组成光电开关的光电耦合器( 简称光耦) 可分为反射型和遮蔽型两种。在反 射型光耦的探头中，发光二极管和光敏三极管封装在同端面上，见图3 1 3 ( a ) 。 当有物体靠近探头时，由发光管射出的红外光束被反射到三极管的受光面，光耦 纠刭么碜纠引纠阳彭阮吲 第三章系统硬件设计 被响应，输出信号产生逻辑翻转。遮蔽型光耦的探头如图3 - 1 3 ( b ) 所示。发光二 极管和光敏三极管分别封装在u 形塑料支架的两侧。通电后，发光管射出的光 束恰好射八光敏管的受光面。当有薄形物体进入u 形支架槽内使光线被遮蔽时 传感器即输出逻辑翻转电平”“。反射型光耦安装灵活、用途较广，而遮蔽型光耦 探测精度略高一筹。 本系统选用瑞光电子的r g l 3 5 直射式红外光电传感器( 即遮蔽型光电开 关) ，外形图如图3 - 1 4 ( 左) 所示，将其装配在滤纸适配器的上半部分，而在适 配器下半部分的对应位置安置薄片凸件，用以在适配器闭合到合适位置的同时， 遮挡住光电开关的光路。r g l 3 5 为四线输出型，内部等效电路如图3 - 1 4 ( 右) 所示，由高发射功率的砷化镓红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。 圈3 1 4 。= = 3 一c ：= ：o r g i3 5 光电开关 w 2 v d d 3 3 一 一。p c 】s ! ：i 。 m t “矿”“盂 1 0 k n p n 图3 - 15 光电开关检铡原理圈 为提高光电开关的输出驱动能力，特设计实用放大电路如图3 一l5 ( 左) 所示。 通电以后，光敏管受到发光管的光照，其c 、e 极问呈低阻状态，使v i 导通， v 一集电极呈低电平，v ：截止。当物体插入光耦槽内使光线被避蔽时，vc 截止， v ：导通，使v ：发射极输出高电平，输出信号产生逻辑翻转。因为光电开关的电 气特性需要加2 4 v 电源，这样o u t 输出端的高电平也达到2 4 v ，为了使a r m 处理器i o 口能够检测光电开关输出电平的翻转，同样需要加电平转换电路。如 图3 一l5 ( 右) 所示，通过一个起反相器作用的三极营和光电耦台器连接到p c 】5 。 第三章系统硬件设计 光耦输入端和输出端隔离，无失真地实现信号耦合，同时避免了继电器等类似开 关器件切换时的火花及其他干扰，利于粉尘监测系统应用于特殊危险场合。通过 光耦的电位隔离和电平转换，p c i 5 端口的电平翻转即反映了光电开关的动作。 3 4 辐射计数单元 辐射计数单元框图如图3 16 所示： 3 4 1p 射线源的选择 图3 一1 6 辐射计数单元框图 由第二章关于d 射线吸收法的理论介绍及相关分析可知，为保障测量结果的 精度和检测灵敏度，以及避免经常更换射线源，应选择半衰期很长同时具有适度 的放射强度的射线源。c 1 4 源是理想的选择，其半衰期为5 7 3 0 年，放射能量e 。 为0 1 5 6 m e v ，放射性活度选为3 5 m b q 。使用此种射线源，安全耐用，对人体 无害，不属于防治放射线规定的“放射性同位素”。由于其半衰期为5 7 3 0 年，在 粉尘吸附前后( 间隔3 0 分钟) 及相当长时间的d 射线测量中，可以认为d 源的 强度基本不变。所以与辐射强度相关的质量吸收系数。的数值，一般每半年用 标准质量的参考物校准一次即可【卯】。 图3 1 7 辐射源容器剖面图 虽然c 1 4 源安全无害，但其封装结构仍有一定要求。射线源的结构应使射线 从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少或消除对人 第三章系统硬件设计 体的危害。d 辐射源一般做成圆筒状，图3 一1 7 所示为其剖面图，射线出口处装有 耐辐射薄膜，以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染；其它方 向采用铅及专用器材进行封装。 3 4 2 盖革计数管特性及使用 盖革计数管( g m 计数管) ，是以h 盖革和p 弥勒名字命名的气体电离探测 器。g m 管的结构类型很多，常见的有圆柱形和钟罩形两种，它们都是由同轴 圆柱形电极构成。图3 1 8 ( 左) 是其结构示意图，中心的金属丝为阳极，管内壁 圆筒状的金属套为阴极，管内充有一定量的混合气体( 通常为惰性气体及少量的 猝灭气体) 。钟罩形的入射窗在管底部，一般用薄的云母片做成；圆筒形的入射 窗就是玻璃管壁【5 8 1 。测量时，根据射线的性质和测量环境来确定选择哪种类型的 管子。对于d 射线，用钟罩形的管子来探测。g - m 管具有灵敏度高、脉冲幅度 大、稳定性好、使用方便、成本低廉、制作工艺要求和测量电路简单等优点。 f 三! = 三玛 阴饭飞羔= = 三= ：三= 现饭 ( - ) 翻往蟹 ( b ) 神琢爱 计数攀 图3 1 8 盖革计数管 钦 g m 管工作时，在直流高压电源的作用下，管内的卤素气体在受到放射线 的照射时，便电离成离子，这些离子在外加电场作用下向电极移动产生电脉冲， 此脉冲经放大整形输入到控制器，实现对粒子数的计数。同时，因为猝灭气体的 作用避免引起连续雪崩，保证一个入射粒子只引起一个脉冲，而脉冲幅度的大小 由高压电源电压和电阻r 决定，与入射粒子的能量和带电量无关。关于工作电 压的选择则涉及到g m 管坪曲线特性，坪曲线是指在强度不变的放射源照射下， 计数管测量计数率随工作电压交化的曲线。如图3 1 8 ( 右) 所示，曲线存在一段 随外加电压变化而变化较小的坪区，一般工作电压选在离坪区起始点1 3 一1 2 坪长处即可，这样，g m 管放电的规模保持在较小值附近，并且计数稳定性好， 猝灭气体消耗率也低。正是由于g m 管坪曲线存在较长的坪区，保证了计数率 受高压波动的影响很小，使得计数管用的高压电源各方面要求是最低的，虽然电 第三章系统硬件设计 压高达千伏，但电流要求很小，稳定性可以很差 5 7 】。然而因为制作工艺等的问题， 哪怕是同一型号的计数管，实际最佳工作电压也不尽相同，所以使用时需要事先 实测坪曲线，根据不同情况合理选择工作电压。 表3 - 5j i 4 1 a b 型计数管参数表 最大推荐工作 最小最小死时 型号 外径总长起始 坪区坪斜 工作 间 本底 温度寿命探测 ( m m )( m m ) 电压电压 ( c l a m ) 范围 ( 次) 对象 ( ( v ) ”。 ( ) ! ! 兰! 坚巳一翌一垒q 1 2 0 0 一垫q 主! 三q q! i q 至生一- 一4 0 一- 5 0 一o ：一旦臣 1 3 0 0 vv d d 5 0 g n d 图3 1 9g m 管电路图 系统选用北京核仪器厂生产的j 1 4 1 a l b 型钟罩形云母窗有机计数管，主要参 数如表3 5 所示。根据计数管参数，设计电路原理图如图3 1 9 所示，因为从阳 极提取信号输出脉冲幅度过大，所以采用从阴极输出信号的方法1 59 | 。如图所示， 1 3 0 0 v 电压正极通过r 2 加到g m 管的阳极，从连接阴极的电阻r 3 上提取脉冲 信号。g m 管受射线照射计数时，可以认为是瞬时导通状况，则可以估计脉冲 ，n 五， 幅度为：1 3 0 0 i 考2 6 ( 矿) 。随后用电压跟随器提取信号，接入三极管 l u 坦十z u 反相电路实现电平转换。这里之所以转换成0 - 5 v 电平输出信号s i gg m ，是因 为涉及到分板的问题。为减少电磁干扰，提高系统工作稳定性，将1 3 0 0 v 高压 电路制成独立的一块p c b 小板，与a r m 主控制板隔离，两者之间的走线关系 如图3 2 0 所示。因为高压板上运放等器件工作电压的要求，同时为减少板间走 线的数量，所以从控制板只接入5 v 电源( 选用5 v 单电源供电运放构建跟随器) 。 因而信号s i gg m 转换后的高电平为5 v ，在接入a r m 控制板后为了能够使i o 口检测，需要进一步电平转换，接入图3 - 9 所示7 4 l v c l 2 5 的a 3 输入端，转换 为o 3 3 v 逻辑电平，由p g 0 ( 配置为外部中断) 进行检测。为了节省系统功耗， 型 陟班 嘶一 啦删 。叮 曩、，惮三一 第三章系统硬件设计 延长g m 管使用寿命，采用继电器对计数管高压电源进行控制，由p e 5 控制在 非计数期间关断高压电源。 图3 2 0 板间关系图 g m 管还具有两个关系到测量精度的重要参数：本底和死时间( 表3 - 5 ) 。 本底是指在没有放射源时，g m 管也能测得一定的计数，主要来源是周围环境 中的微量放射性物质和宇宙射线j 。实际测量的计数率必须减去相同条件下的本 底计数率才是真正的计数率。入射粒子进入g m 管引起雪崩放电后，在阳极周 围形成的正离子鞘削弱了阳极附近的电场，这时再有粒子进入也不能引起放电， 即没有脉冲输出，直到正离子鞘移出强场区，场强恢复到刚刚可以重新引起放电 的这段时间称为死时间t n 。从这之后到正离子到达阴极，脉冲幅度完全恢复的时 间称为恢复时间t 。实际上更有意义的是系统的分辨时间f ，因为任何电子线路 总有一定的触发阈，脉冲幅度必须超过触发阈时才能触动记录电路。因此， 从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到触发阈的这段时间内，进入计数管 的粒子均无法记录下来，这段时间称为系统的分辨时间。显然，t d 一 y jy 0 k + +k 抖 图4 3 滤纸传送控制流程图 第四章系统软件设计 滤纸传送控制流程图如图4 3 所示，首先进行i o 口初始化：因为c p 脉冲 采用负脉冲方式，所以一开始将c p 端1 2 1 置高；f r e e 引脚决定电机是否能有效 工作，所以一开始将该端口置低；而关于d i r 信号，因为系统存在两个步进电 机，并且电机的转向唯一固定，但电机转动受c p 脉冲决定，所以该端口按照电 机各自的转向初始化即可；p g l 配置为e i n t l ，采用上升沿触发方式，并且使能 外部中断；p e 4 设定为i o 输入口，用于查询引脚上的电平。之后，初始化k 、 k o 、f l a g 的数值，k 用于在e i n t l 中断处理程序中对脉冲数计数，l ( o 就是前文所 述的位移l 对应的脉冲数m ；而f l a g 用于表征当前步进电机是正转还是翻转， 以方便在中断处理程序中加以判断，0 表示正向，1 表示反向。随后，设置f r e e 、 d i r 信号有效，通过c p 端模拟脉冲输出驱动步进电机转动，同时每转动一个步 进角都对k 值进行查询。在e i n t l 中断处理程序中，首先判断f l a g 确定当前滤 纸移动是正向还是反向，如果是正转，则p e 4 引脚电平应当为低，否则出错， 中止电机驱动程序，并进行报警，电机反转情况类似。中断处理程序中，利用k 值完成对编码器脉冲的计数。e 1 n t l 、p e 4 对编码器s i g a 、s i g b 双通道输出的 检测，是系统正确运行的保障，防止系统故障以及机械执行机构错误等，提高了 系统的可靠性。 4 3 适配器控制模块 适配器控制模块涉及到直流电机的启停、光电开关信号的检测等。为实现适 配器的开合，需要控制直流电机的正反向转动，这里采用了略有不同的控制方法， 分为上行和下行两种，如图4 4 所示。 上行与下行过程都需要首先对i o 口以及定时器初始化：系统采用与定时器 3 对应的p e 6 作为p w m 波形输出端，所以要将p e 6 配置为定时器输出状态；p e 7 配置为i o 输出口，对直流电机驱动芯片l 2 9 8 发出方向控制信号；p c i 5 作为i o 输入1 2 ，用于检测光电开关输出电平的翻转。定时器p w m 功能初始化的具体流 程如图4 - 4 ( c ) 所示，重点是关于波形频率和占空比的设定，平台升降并不需要过 高的速度，所以用以调速的p w m 的频率和占空比要选择适度；定时器各模块初 始化结束后，通过启动定时器便可以输出满足要求的p w m 波形，在p e 7 方向信 号的作用下使直流电机按要求转动。最终通过关闭定时器使能位，禁止p w m 输 出即可以停止直流电机。 上行和下行控制过程的不同点在于直流电机的停止机制。上行过程中，因为 要对适配器闭合程度做严格的控制，所以要在压紧平台上升到要求位置的同时， 光电开关输出信号翻转，p c i 5 检测到该信号的变化之后，调用程序停止直流电 第四章系统软件设计 机。相对的，下行过程本质上只是为了给滤纸传送提供定的间隙，并不需要准 确的控制，所以既可以通过调用其它定时器进行定时控制，也可以通过软延时实 现，后者虽然时长模糊，但是节省了系统开销。 回回 ( a ) 4 4 辐射计数模块 i o 口初始化 + 定时器初始化 + p e 7 置低 启动定时器 输出p w m 波形 延时2 s + 关闭定时器 使能位 定时器3 时钟源 频率设置 + 设置输出波形 频率 设置占空比 + 设置定时器 控制寄存器 ( b )( c ) 图4 4 适配器控制软件流程图 对应图4 2 中输出参量n o 、n 的辐射计数单元，其具体的实现流程如图4 5 所示。首先进行i o 口、定时器初始化：p e 5 配置为i o 输出口，通过继电器控 制g m 管高压电源的通断；p g 0 配置为外部中断功能，低电平触发方式，对计 数管输出脉冲进行计数；定时器的初始化用于实现定时测量，主要包括时钟源频 率设定、计数寄存器复位、比较寄存器( 决定定时时长) 赋值等1 4 引，然而最关键 的却是匹配控制方式的设定，一定要设置为定时计数器与比较寄存器数值相匹配 时，触发定时中断，同时进入停止模式。这样的话在定时中断处理程序做了一定 的分析处理之后，只要重新启动定时计数，就可以保证准确时间的定时辐射测量。 而相比，如果设定为定时中断的同时进入复位模式，则计数器在定时中断处理程 序运行的同时也在不停计数，自然就不能保证准确时间的辐射测量了，势必严重 影响测量结果精度。 i o 口、定时器初始化之后，对变量i 、e r r o r 、1 3 或n o 进行初始化，i 用于实 现1 0 个周期的辐射测量，最终求取平均值；e r r o r 则是系统是否正常的标志，初 第四章系统软件设计 值为0 ；1 1 或1 1 0 对计数管输出脉冲计数。随后，p e 5 打开盖革管高压电源，待稳 定一段时间之后开始计数。首先使能定时中断、启动定时计数器作为定时辐射测 量的前提，然后进入对变量e r r o r 、i 查询的循环状态，期间e i n t 0 对计数管脉 冲进行计数，直至定时时间到，发生中断为止。 图4 - 5 辐射计数流程图 在定时中断处理程序中，必须要对当前周期获取的测量值进行死时间校正和 去除本底处理，之后对数据有效性进行判断，如果数据有效则保留该数值，并且 进入下一轮测量；如果无效则放弃当前数值，另外不能排除系统工作出现连续不 稳定，即系统出现故障的情况，采用滑窗判别法，一般选择窗长为3 5 ，即出现 连续3 5 次数据无效，则认为仪器工作不正常，发出系统错误的报警信掣4 引。 如果只是异常个例，则在清除中断标志、清零脉冲计数变量和重启定时计数器后， 第四章系统软件设计 进入下一周期测量。如此反复，直到获取1 0 个有效测量值，求取平均值并保存 结果后，关断计数管高压电源，退出辐射测量模块，并跳转到后续的测量流程。 以上关于数据有效性判断的具体实现方法如图4 - 6 所示( 图中数值比较均指 数据差值是否在允许范围内的比较) ，这其中有个关键的变量c o ，作为有效性判 断的基准。c o 初始值为0 ，其赋值方法有两种：一种是通过参数设置模块，在测 量开始前进行赋值，这取决于事先对测量环境和测量数值的掌握；第二种是对现 场获取的测量值进行判断。第一个测量值假定为有效值暂存，之后将第二个测量 值与之比较，如果差值在设定范围内，则认为两数值都有效加以保存，并对c o 赋值作为后续测量的判断基准。如果前两个数值偏差较大，则取第三个测量值与 之比较，如果仍存在较大偏差则直接进入出错报警程序；若三者中间有两个数值 接近，则取其中之一对c o 赋值，并删除异常数据，在对周期计数变量修正之后， 进入后续测量。 图4 - 6 数据有效性判断流程图 初步探索性实验中，取若干样品进行对比实验，对辐射计数电路以及对应程 序进行功能验证，测量结果如表4 1 所示。由第二章仪器工作原理可知，粉尘质 量，7 2 与l n ( n n 。) 理论上成线性关系，由实测数据可以看出，两者基本上成比例变 化，与理论公式相吻合，可以判定系统硬件设计以及程序、算法等整体上是正确 的。但也可以看出，相同测量条件下的数据还是有些出入，考虑到前面述及的多 第四章系统软件设计 种影响因素，需要在数据处理算法、有效性判断以及执行机构控制程序上，做进 一步的优化和验证，以期提高和改善系统工作性能和测量精度。 耋兰：! 咝堕塞墼墼塑 序号 1234 56 78 9 4 5 恒流采样系统软件设计 气体恒流采样系统的软件设计借助三个变量实现反馈控制，如图4 7 所示。 接受用户设定的流量值( 否则就为默认值) ，作为控制过程中r j 。与之比较的 标准参量；r i n 接受m f c 输出电压v 2 经a d 转换后的数值；民m 则是最初接受 r 。的值，并将其通过d a 转换提供给m f c 作为设定电压v 1 ，控制过程中根据 r i 。与凡的关系进行适度的调整。如图4 7 ( 右) 为气体质量流量下降，并且依 靠m f c 自身的反馈没有弥补过来时，输出电压v 2 就会显示出下降趋势，这样， 程序