（信号与信息处理专业论文）微机核子称的研制.pdf

摘要 微机核子秤的研制 作者简介：蔡顺燕，女，1 9 8 1 年7 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学庹 先国教授、任家富教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 随着计算机与自动化技术水平的发展，自动测量与控制在工业领域中得到了 广泛的应用，从最原始的定量翻斗到机械式和半机械式的电子秤，自动化程度有 了很大提高。电子秤的精度虽然可以达到很高的水平，但其传感器比较娇气，机 械结构复杂，对操作维护人员的技术水平要求高，而核子秤的出现克服了许多电 子秤固有的缺点。核子秤是一种新型的散装物料在线计量装置，是核技术与微机 技术相结合而成的高技术产品。相对于电子秤而言，核子秤的优点在于：非接触 测量，不受输送机振动、跑偏、张力变化、惯性力、大块物料冲击等因素的影响； 动态测量精度高，长期稳定性好；结构简单，操作维修方便，安装与维修时可以 不拆改原有的输送装置，也可不停产；环境适应性强，可在高温、高粉尘、强振 动的恶劣环境中工作；适用范围广，除皮带传送机外，还可用于螺旋、链板、斗 式及双管绞刀等多种输送机的在线计量。正是因为核子秤的这些优点，使核子秤 得到了迅速发展。核子秤不仅可以作为单纯的计量仪表，而且可以参与生产过程 的控制，为提高工业产品质量、降低能耗、材耗、提高自动化程度作出了贡献。 本设计“微机核子秤”的研制是国家“8 6 3 计划项目资助课题中的一个部分。 其研究内容是自行开发出一套完整的微机核子秤软硬件系统；从气体电离室测得 的电流信号范围在1 0 j 2 1 0 。9 a 之间，本设计采用i 转换模块作为前置放大器， 将此电流信号转换为电压信号，采用斩波运放作为主放大器，有效克服了温度漂 移问题，将此信号差分后送入a d 转换器。用基准源为差分电路和a d 转换器 提供参考电压。单片机经s p i 接口读取a d 转换后的数据，然后经串口将数据送 入计算机进行处理，研制一套适合气体电离室的恒温控制系统：利用蒙特卡罗方 法模拟出最佳秤体高度并设计安装该核子秤。通过良好的人机交互界面实现实时 称量、监测通过皮带上物料的总量和瞬时流量，并以此量作为水泥配料的依据。 该系统还具有调零、数字滤波、自动计算及结果判定、中间计算参数显示、各种 参数报警等功能。最后对仪器进行了性能测试，整机性能可靠，应用前景良好。 关键词：核子秤r s 4 8 5蒙特卡罗 v c + + 成都理工大学硕士学位论文 ar e s e a r c ho fn u c l e a rw e j g h s c a l e i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：c a i s h 咖y a n ，f e m a l e ，b 0 加i nju l yo f19 81 ，w a s 伊a n t e dt h em 嬲t e r 。 舶mc h e n g d uu n i v e r s 时o f 航h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rt u o x i a n 。g u o a b s t r c t w j t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n l p u t e ra n da u t o m a t i ct e c h n ol o g y ，a u t om e a s u r ea n d c o l l t r o lh a v e b e e nu s e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r i a l t r a n s 佗r 。 c o m b i n i n gn u c l e a r t e c h n o l o g yw i t he l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，n u c i e a rw e i g h - s c a l ei san e w m e a s u r ed e v i c eu s e di nb u l km a t e r i e lo n1 m e n o to n l yc a nn u c l e a rw e i g h s c a l eb e w i d e l yu s e di no n l i n es t r a pt r a n s p o n a t i o n ，b u ti ta l s 0c 锄b eu s e di nt h et r a n s p o r t a t i o n m a c h i n e s 聃，h e r ee l e c t m n i cw e i 曲s c a l ec a n tb eu s e d a st h ee n v i r o n m e mo ff i e i d w o r ki sb a da n dt h e r ei ss t r o n gi m e r 危r e n c e ，t h ep r e c i s e n e s s ，s t a b i l j t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h em e a s u r e m e n to fn u c l e a rw e i g h s c a l e n e e d s i j l l p r o v i n 易 t h u sak i n do f m i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h s c a l e w n hg o o dt i m e l n e s s ，s t r d n ga n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ，a n da b u n d a n t 如n c t i o n si su 略e n t l yd e m a n d e d t h i sp r o j e c ta d o p t e da d v a n c e d n u c l e a re l e c t r o n i c s 、d e t e c t i o nt e c h n o l o g y 、 s i g n a lp r o c e s s i n ga n ds i g n a lt r a n s f r r e d t e c h n o l o g yt od e v e l o pam e a s u r e m e n td e v i c ew i t hh i g hp r e c i s e n e s sa n ds t a b i l t ya s w e l la l ss i m p l eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h ed e v i c eu s e sj 玎8 9 c 5l ，c o n l b i n i n gw t ht h ea d v a n c e di vt r a n s f e r 、d i 仃e r e n t i a l a m p i i f i e r ，d o u b l e e n d e di n p u ta d c 嬲t h es 培n a ls a m p l ea n dt 啪s f e ru n i t u s em c u c o m b i n e dw i t ht e m p e r a t u r et 啪s d u c e r 、c a l e f a c t i o ns t r m g 嬲t h eg a si o n 泣a t i o n s c o i l s t a n tt e m p e r a t u r es e t ；t r a l l s m i tt h ed a t ad h c t l yt op ct h r o u 曲r s 4 8 5 硒t h e c o m m u n i c a t i o nu n i t ；a n dm a k ep r o g r 舢su n d e rt h ev c + + e n v i r o 姗e n tt or e a l 讫et h e 、v o r ki n c l u d i n gc o n t r o l ，c o m p u t a t i o n ，d e m o n s t r a t i o n ，e t c b yu s m gm o n t e c a r l 0t 0 m a k es i m u l a t i o n 旬rt h eo p t i m u mh e i g h t ，d e s 追nas e to fc o n v e n i e n ta n ds u i t a b l e o u t l o o l ( sw i t hb e a u t i 血la p p e a r a n c e a f i e rf i n i s h i i l g t h ei n s t a l l m e n t 粕dt h e d e m a r c a t i o no f 仰c i e a rw e i g h t s c a l e ，w eh a v ec 枷e do u tt h ep e r f o 邢a n c et e s t 。 1 1 1 r o u g hp r c v i o u sw o r l ( ，t h en u c l e a rw e i g h s c a l es y s t e m h a sb e e ns u c c e s s 如l l y d e v e l o p e d t h es y s t e mh 硒仔i e n d l ym a n _ m a c h i n ec o n t a c ts u r 伍c e ，t h eh i g hm e a l s u r m g a c c u r a c ya n di ss u i t a b l e 佑rf i e i ds u n r e yu n d e rb a de n v i r o n m e n t ，h i 曲t e r n p e r a t u r ea n d d u s t ，t h e r c 内r ei th 嬲ag o o dp r o s p e c to f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：n u c l e a rw e i g h - s c a l e ，r s 4 8 5 ，v c + + ，m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 甭_ 7 墟 溯年歹月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翁恤篮 学位论文作者导师签名： 厂爱毛阂 如g 年 j 月加日 第1 章引言 1 1 研究意义 第1 章引言 随着计算机与自动化技术水平的发展，自动测量与控制在工业领域中得到了 广泛的应用，从最原始的定量翻斗到机械式和半机械式的电子秤，自动化程度有 了很大提高【1 j 。电子秤的精度虽然可以达到很高的水平，但其传感器比较娇气， 机械结构复杂，对操作维护人员的技术水平要求高，而核子秤的出现克服了许多 电子秤固有的缺点。核子秤是一种新型的散装物料在线计量装置，是核技术与微 机技术相结合而成的高技术产品。相对于电子秤而言，核子秤的优点在于：非接 触测量，不受输送机振动、跑偏、张力变化、惯性力、大块物料冲击等因素的影 响；动态测量精度高，长期稳定性好；结构简单，操作维修方便，安装与维修时 可以不拆改原有的输送装置，也可不停产；环境适应性强，可在高温、高粉尘、 强振动的恶劣环境中工作；适用范围广，除皮带传送机外，还可用于螺旋、链板、 斗式及双管绞刀等多种输送机的在线计量。正是因为核子秤的这些优点，使核子 秤得到了迅速发展。核子秤不仅可以作为单纯的计量仪表，而且可以参与生产过 程的控制，为提高工业产品质量、降低能耗、材耗、提高自动化程度作出了贡献。 计算机技术的飞速发展为开发核子秤的应用提供了更加强有力的手段。但是 由于现场工作环境恶劣，干扰大，核子秤的计量精度、稳定性、可靠性亟待进一 步提高，急需一种实时性好、抗干扰能力强，功能丰富、可靠性高的微机核子秤 系统。 1 2 研究现状 对于固体物料连续计量设备，上世纪5 0 、6 0 年代是以机械式皮带秤为主。 6 0 年代末电子皮带秤开始使用，随后迅速占领了整个市场，全面取代了机械式 皮带秤。从1 9 8 4 年起，首都钢铁公司、内蒙古包头第一热电厂、上海吴泾化工 厂引进了美国伽瑞( k a y r a y ) 公司的核子皮带秤后，电子皮带秤一统天下的局面 被冲破了。核子秤以较快的速度发展，不仅国外核子秤的生产厂商争先恐后来华 推销产品，国内有关大专院校、科研院所、工厂也蜂拥而上，相继研制生产各类 核子秤。从七十年代核子秤的出现，到八十年代后期的大发展阶段，核子秤大量 涌进企业，主要用在料位检测、密度检测、厚度检测上，即所谓的“老三计”。 核子秤不但作为单机控制和配料使用，甚至可作为结算计量用【2 】。 随着核电子学和计算机技术的迅速发展，核子秤系统的性能也不断提高。国 成都理工大学硕士学位论文 外公司生产的核子秤整体性能较高，但昂贵的价格使得国内众多用户望而却步， 难以广泛应用。在国内，通过十几年来科研人员和工矿企业技术人员的共同努力， 核子秤的研制有了很大进步。1 9 8 6 年，黑龙江技术物理研究所采用闪烁探测器、 1 3 7 c s 源研制的核子秤通过了鉴定，但是没有形成批量生产。1 9 8 5 年初清华大学 核能技术研究院应用核技术研究室开始充气电离室型核子秤的研究工作。电离室 型核子秤于1 9 8 8 年通过技术签定。目前该种类型的核子秤在全国的销售量已经 超过2 0 0 0 台，这个销售量远远满足不了全国工业生产中对核子秤的需求。据美 国k a y - 一凡w 公司驻京办事处和农业部银龙公司预测，国内共需各种动态秤1 5 万2 0 万台，核子秤占1 3 以上。可见我国核子秤的潜在市场非常大1 1 j 。另一方 面，在工业现场实际应用中，核子秤的计量精度、稳定性、可靠性可以通过现代 的先进的电子技术进一步提高，使其实时性好、抗干扰能力强，功能丰富、可靠 性高。 1 - 3 研究内容 本设计“微机核子秤的研制是国家“8 6 3 ”计划项目资助课题中的一个部分。 其研究内容是自行开发出一套完整的微机核子秤软硬件系统；研制一套适合气体 电离室的恒温控制系统；利用蒙特卡罗方法模拟出最佳秤体高度并设计安装该核 子秤。通过良好的人机交互界面实现实时称量、监测通过皮带上物料的总量和瞬 时流量，并以此量作为水泥配料的依据。该系统还具有调零、数字滤波、自动计 算及结果判定、中间计算参数显示、各种参数报警等功能。 1 4 研究成果 经过近一年的研究工作，取得了以下成果： ( 1 ) 初步设计并完成了一套功能较完善的微机核子秤系统。 ( 2 ) 用v c + + 完成了对数据的处理和显示。 ( 3 ) 对该核子秤硬件系统做了性能评价和初步应用，满足了核子秤的一般 精度要求。 2 第2 章核子秤工作原理及系统方案 第2 章核子秤工作原理及系统方案 2 1 核子秤的工作原理 核子秤是用于测量输送机内连续通过的散装固体物料的流量及累计量的一 种计量设备。它利用核辐射测量装置获得某一时刻输送机内单位长度上的物料重 量( 通常称该量为负载或负荷) ，利用测速装置直接或间接地测到物料的运动速 度，将此两路信号进行处理从而给出物料的流量及累计量。 由射线与物质的相互作用我们知道，一定强度的) ，射线在穿透输送机及输送 机上的物料时其强度会减弱，物料越多，减弱得越厉害，核辐射探测器接收到 的) ，射线强度也越弱，核辐射探测器输出的电信号越小；反之，物料越少，穿透 的射线越多，核辐射探测器接收到的射线强度越强，核辐射探测器输出的电信号 就越大，核辐射探测器输出的电信号幅度值随y 射线强度成正比变化。通常我们 认为，测量时输送机对射线的减弱是恒定的，所以，核辐射探测器输出的电信号 的变化就反映了输送机上物料多少的变化。 放射源发出的，射线的强度能被物料吸收而衰减，且衰减程度与皮带单位长 度上的物料质量有关，其数学表达式为： ，= ) ，o p h 袖 式中b 为物料的宽度，m 一皮带单位长度上物料的质量。一待测物料的质量 吸收系数，y 一探测器接收到的射线强度。皮带空载时探测器接收到的射线强 度。对于一个确定装置，。，b ，均为定值，只要测得射线强度，即可求出皮带 单位长度上的物料量m ，再与速度装置测得的单位时间运行长度相乘，可得皮带运 行物料的瞬时流量，瞬时流量对时间进行累加，便可得出总累计量。通过射线传 感器测得衰减前和衰减后的射线强度及) ，并将它们分别转换为电压值砜和 u ，同时将p 换为系数k ，再加上一个修正常数c ，得瞬时流量的表达式 优唰川n ) + c ( 1 ) 从而，有累计量可表示为：y 朋；肌出为本系统主要运算处理公式，式 中s 为速度装置测得的瞬时长度常数c 作为修正物料含水量变化的影响系数 k 可从仪表标定中得到i 引。 3 成都理：r ：大学硕士学位论文 2 2 系统方案设计 核子秤由放射源及屏蔽铅室、核辐射探测器及前端线路、主机和测速机构四 部分组成。 本次设计完成的微机核子秤是应用先进的核探测技术、电子技术、信息处理、 信息传输技术，研制开发出高精度、高稳定性、操作维护简单的计量装置。该 仪器采用单片机a t 8 9 c 5 1 ，结合高精度的i 转换器、差分放大器、双极性输入 的a d c 作为前级的数据采集和转换单元；采用串口作为通信单元；应用单片机 结合温度传感器、加热线作为探测器的恒温装置；采集的数据直接上传p c 机， 并在基于v c + + 的环境下编程实现控制、计算、显示等工作。核子秤由主机部分 和秤体部分组成，如下图所示： 图2 1 系统构成示意图 由上图可以看出，放射源和铅室放在秤体支架上，从电离室输出的信号直接 传入信号调理箱，连同皮带的速度信号经信号调理箱后送入核子秤微机系统，将 物料质量在显示器上进行显示，并可将结果打印。系统总体设计框图如下图所示： 4 第2 章核子秤j l ：作原理及系统方案 图2 2 系统总体设计框图 本系统采用的是高灵敏度、高稳定性高压气体电离室探测器，用恒温控制系 统把探测器的温度控制在恒定状态，探测器把y 射线能量转换成弱电流信号，再 经数据采集模块对信号进行处理。数据经过m c u 接收后经串口直接上传计算机， 基于v c + + 开发环境编程实现数据处理并显示打印。可方便地设定和修改参数， 统计生产总量，同产量和生产速度，产品的合格率，反馈系统又可自动修f 生产 参数，便于自动生产和管理。具有结构简单、寿命长、精度高、抗机械损伤等特 点。 5 成都理 ：大学硕士学位论文 3 1 源的选择 第3 章源和探测器的选择 常用的放射源有：1 3 7 c s ，6 0 c o 和2 4 1 a m 等，由于质量吸收系数m 与待测物 的原子序数z 和) ，射线能量h v 密切相关，因此，对不同待测物厚度应采用不同 的辐射源【4 1 ，根据文献资料报道的对不同辐射源相适应的待测物的厚度的范围， 本设计中选用1 3 7 c s 。下表为原子能院能够提供的c s 1 3 7 源的规格。 表3 1 原子能院提供的c s 1 3 7 源的规格 c s g 1 0 05 m c i c s g 1 0 11 0 m c i c s g 1 0 22 0 m c i 中8 1 0c s g 一1 0 3 3 0 m c i c s g 1 0 45 0 m c i c s g 1 0 51 0 0m c i 铯1 3 7 辐射源 c s g 1 0 62 0 0m c i c s g 2 0 1 1 0 0 0 m c i 巾1 0 1 3 c s g 2 0 32 0 0 0m c i c s g 2 0 43 0 0 0 m c j m1 2 1 6 c s g 2 0 54 0 0 0m c i c s g 3 0 15 0 0 0 m c i 1 4 2 0 c s g 3 0 26 0 0 0m c i 选择c s g 1 0 5 型号，1 0 0 毫居，活度为1 0 1 0 9 b q ，半衰期为3 0 年，测量 质量范围为1 0 7 0 9 c m 2 ，制造时将1 3 7 c s 封装在不锈钢圆柱内，再整体装入特制 的铅罐中，铅罐开准直孔作为准直器，铅罐的厚度取7 c m ，可以防止) ，射线不会泄 漏出来。辐射源的开关由旋转塞控制，开关旋到“关”的位置，) ，射线几乎全部 被铅罐吸收，开关旋到“开”的位置，) ，射线通过准直孔射出。形成一个4 2 度 角的扇面，铅罐重约4 2 k g i 4 。 6 第3 章源和探测器的选择 3 2 探测器的选择 卜一- m m 叫 图3 1 辐射源部件示意图 核信号的探测是基于射线与物质的相互作用。) ，射线是通过射线在探测器物 质中产生的光电效应、康普顿效应或电子对效应这三种主要过程而产生次级电 子，然后通过像带电粒子一样的过程来对) ，射线进行探测的。在核子秤中，探头 ( 包括探测器、高压以及前置放大器) 实际上是一个光( 子) 电转换器，也可以 说是信号采集系统中的传感器，作用是将光子的能量转变成幅度与光子能量成正 比的电信号。目前，根据不同的测量任务，使用较多的探测器主要有气体电离室、 正比计数管、闪烁探测器、半导体探测器等，表3 2 中列出了各探测器的性能比 较： 表3 2 探测器性能比较 电离室正比计数管闪烁探测器l ，- 导体探测器 能堵电荷转3 1 0 4电子离比电离室3 0 0 光电子 3 1 0 5 电子空穴对 换系数 子对m e v人a 倍 m e vm e v l 卉l 有能量分辨 0 7 1 4 0 1 0 2 7 ( 1 m e v ) 电流持续时间u s m s0 1 1 u s1 1 0 0 n s 儿n s 儿十剑一、二 电源电压几白儿千伏几百到儿千伏 儿白到一、二千伏 千伏 下面对闪烁探测器中的n a i 闪烁计数器和气体电离室作一具体介绍： 1 、n a i 闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体、光导和光电倍增管组成。) ，能谱测量中使用最多的是 7 丁善上 成都理工大学硕士学位论文 n a i 无机闪烁体。当y 射线进入闪烁计数器后，通过光电效应、康普顿效应、电 子对效应等相互作用将其全部或部分能量转移给次级电子。这些次级电子使闪烁 体产生荧光辐射，这些荧光通过光导被收集到光电倍增管的光阴极上后，使光阴 极发射光电子。光电子在光电倍增管上所加高压电场的作用下，向光电倍增管的 阳极移动，并在各打拿极之间不断地被倍增，使电子的数目增加几个量级。经过 倍增的电子流在阳极负载上产生电信号，然后经核电子学电路放大后送入计算机 进一步处删5 1 。 2 、气体电离室 气体电离室是探测器中最简单，问世最早的一种探测器。它的基本组成部分 由两个电极，密封外壳和电极引出的绝缘子，里面充有工作的气体( 氩或其它惰 性气体) 。当气体电离室接收到被衰减的) ，射线时，长圆柱型铅筒内充的氩气在 高压电场作用下，产生电离，生成正负离子，离子的数目同射线强度成j 下比。由 于高压作用，输出电极上就有与y 射线强度成诈比的微弱电流信号输出。一个探 测系统的基本回路如图： 一。多】舯 图3 2 气体电禹室电路图 探测器有高压电源，以便在探测器内形成电场，使射线与探测器中的介质作 用后所产生的电子离子对能在介质中作飘移运动。探测器本身有分布电容c o ， 探测器外回路可以接一个负载电阻r a ，感应电流流过时在上面形成电压，连接导 线存在分布电容c 7 ，后续要接前置放大器与主放大器等，对输出回路有直接影响 的是前置放大器的输入电阻与输入电容r j 、c i 。在探测器与前置放大器之间加隔 直流电容c h ，一般对脉冲( 交流) 信号没有影响l5 1 ，或者不接r a ，直接输出电离 电流，由后接电路处理。 从以上可看出，气体电离室结构简单，长期工作稳定性好，寿命长，使 8 第3 章源和探测器的选择 用中无须维修，能在恶劣环境下稳定工作。除具备一般的探测器特性外，还具有 适合于作计量器具所要求的特性。又因为它是长而大体积的电离室，适合于皮带 输送物料时的均匀探测，因此，本设计中选用的是气体电离室作为本系统的探测 器。 9 成都理工大学硕十学位论文 第4 章硬件设计与实现 4 1 恒温控制系统设计 环境温度变化对电离室将引起很大的计数误差。核子秤作为物料称重计量器 具，其最重要的技术参数就是计量精度。提高和保证核子秤的计量精度是核子秤 研究、生产、安装和使用中的核心技术问题。在本系统设计中采用一定算法精确 控制温度的变化，使气体电离室在恒温状态下工作，下面是恒温控制系统框图： 4 1 1 加热装置 图4 1 恒温控制系统框图 考虑到加热装置要求具有不导电、绝缘性好、y 射线穿透性强等特点，我 们采用电热毯的发热线作为恒温控制的发热源。该发热线功率为1 1 0 w ，长度为 3 5 米，将其均匀缠绕在气体电离室壁，然后在发热线外缠绕玻纤，通过固态继 电器来控制发热线对气体电离室的加热，使探测器的温度维持在恒定状态。缠绕 上发热线和玻纤的探测器的实物图如下所示： 图4 2 加热装置图 1 0 f 引扩罗；罄一一一豫鳜瓣黪 第4 章硬件设计与实现 4 1 2 温度传感器 d s l 8 8 2 0 是d a l l a s 公司生产的单总线集成数字传感器，其主要的特点是： 温度测量范围为5 5 + 1 2 5 ；可编程为9 位1 2 位a d c 转换精度，测温分 辨率可达0 0 6 2 5 ，被测温度用符号扩展为1 6 位数字量方式串行输出；其工作 电源既可在远端输入，也可采用寄生电源方式产生；多个d s l 8 8 2 0 可以并联在 三根或两根线上，c p u 只需用一根口线就能与这些器件通信，占用较少的端口 资源。以上特点使它能适合于远距离多点温度测量系统。 本设计中将d s l 8 8 2 0 固定在气体电离室壁。我们通过实验测得，d s l 8 8 2 0 传感器的温度值与采用点温度计同时得出的温度读数相差0 5 度。恒温控制部 分的原理图如下： 图4 3 恒温控制模块图 如上图所示：我们选用a t 8 9 c 5 1 作为恒温系统的主控制器，单片机p 1 口经上 拉电阻后与j p 6 ，j p 7 ，j p 8 相连，可接三个d s l 8 8 2 0 。在本设计中，j p 6 连接温度 传感器输入，其中j p 5 连接继电器的控制端。在单片机中设定电离室正常工作时 的温度，当从d s l 8 8 2 0 温度传感器中检测到温度低于设定温度时，单片机发出信 号使固态继电器连通，对绕制在电离室外壁的发热线加热，使电离室内部温度升 高，当达到设定温度时，单片机控制发出信号使继电器断开，停止加热。单片机 系统内部采用乒乓控制算法，实现对温度的精密控制。 成都理工大学硕士学位论文 4 2 数据采集模块设计 从气体电离室测得的电流信号范围在1 0 d 2 1 0 9 a 之问，本设计采用i v 转 换模块作为前置放大器，将此电流信号转换为电压信号，采用斩波运放作为主放 大器，有效克服了温度漂移问题，将此信号差分后送入a d 转换器。用基准源为 差分电路和a d 转换器提供参考电压。单片机经s p i 接口读取a d 转换后的数据， 然后经串口将数据送入计算机进行处理，数据采集模块原理框图和实物图如下所 示。 4 2 1 i v 转换 图4 4 数据采集模块原理框图 谤 。出 图4 5 数据采集模块实物图 l v 转换是整个数据采集的前置放大部分，由于电离电流信号在1 0 m 。1 0 9 a 范围内，需将此信号放大并转换为电压信号，以便后级电路进一步处理。l v 转 换工作原理电路如下图所示： 1 2 鼠蝴，一 ，一锰飞 一 第4 章硬件设计与实现 图4 6i 转换工作原理图 在理想运放条件下，输入电阻r i = ，因而i f ：i s ，故输出电压：u 。2 一f s 尺，。 由于此信号微弱，易受外界干扰，因此选用抗干扰能力强、转换精度高的静电计 专用芯片a d 5 4 9 做i v 转换器。加工好的i v 转换模块实物图如下所示： 4 2 2 主放大电路 图4 7l 转换实物图 本设计选用i c l 7 6 5 0 斩波稳零运放作为主放大器，i c l 7 6 5 0 是利用动态校零 技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有高输入阻抗和低输出 阻抗，低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力【7 1 。 i c ”6 5 0 采用1 4 脚双列直插式和8 脚金属壳两种封装彤式。图4 8 是最常用的 1 4 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的功能说明如下： c e x t b ：外接电容c e x t b ； c e x t a ：外接电容c e x t a ； 一i n ：反相输入端； + i n ：同相输入端； v 一： 负电源端； c r e t n ：c e x t a 和c e x t b 的公共端； o u t c l 蝴p ：箝位端； 1 3 成都理工大学硕士学位论文 o u t p u t ：输出端； v + ：正电源端； i n t c l k o u t ：时钟输出端； e x t c l k i n ： 时钟输入端； i n 班x t ：时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。当选 择外部时钟时，该端接负电源端( v 一) ，并在时钟输入端( e x tc l k i n ) 引入外部时钟信号。当该端开路或接v + 时，电路将使用内部时钟去控制其 它电路的工作【8 】【9 1 。 ee ) ( t b ，、 u e x t a n c ( g u a r d ) i n p u t + l n p u t n c f g u a r d ) v 图4 8i c l 7 6 5 0 引脚图 i n l ，e x t e x t ，c l kl n i n t c l ko u t 纷 o u t p u t c l a m p c r 盯n 如图4 9 所示：为了平衡i 转换给后级电路带来的失调电压，加入了调零电 路。运放采用反相放大方式，通过调节r 1 3 电阻的大小来调节该放大电路的增益。 为了保证放大器电源的稳定，在i c l 7 6 5 0 的电源端加入了电感及电容，抑制了电 源噪声。 幻3 图4 9l c l 7 6 5 0 放大电路原理图 1 4 第4 章硬f ，l ：设计与实现 4 2 3 差分信号产生 因为a d 转换芯片a d 7 7 1 5 的信号输入为差分方式。故在输入到a d 之前需 要将信号转换成差分信号，我们采用a d 8 1 3 8 来完成差分的转换。差分转换电路 图如图4 1 0 所示，信号从r 9 输入，从a d 8 1 3 8 的4 脚和5 脚输出的信号即是差 分信号【1 0 】。 a 4 2 4a d 转换 图4 1 0 差分转换电路图 a d 7 7 1 5 是美国a d l 公司生产的1 6 位型模数转换器。它具有0 0 0 1 5 的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出 更新速度可编程等特点。适用于单通道低速小信号的采样应用。其功能框图如图 4 1 1 所示： a l n f a i n l i a g n d d 6 n 0 图4 1 1a d 7 7 1 5 功能框图 1 5 m c l k 圳 m c l k o u t 葡需 成都理r t 大学硕士学位论文 其引脚功能为： s c l k ：串行时钟，逻辑输入； m c l n ：器件的主时钟信号。可由晶振提供，也可由与c m o s 兼容的时 钟驱动，此时m c l k0 u t 引脚悬空。无论采用哪一种时钟，其频率必须是1 m h z 或2 4 5 7 6 m h z ； m c l k o u t ：当器件的主时钟信号由晶振提供时，此引脚与m c l ki n 引脚 和晶振两引脚相连。如果m c u ( i n 为外部时钟引脚，m c u ( o u t 引脚能提供 一个反向的时钟信号，供外电路使用； c s ：片选信号，逻辑低有效； r e s e t ：逻辑输入，低电平有效。有效时，可将片内的控制逻辑、接口逻辑、 校准系数、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态； a i n + ，舢n 一：模拟输入，分别为片内可编程增益放大器差动模拟输入的 正负端； r e fi n ( + ) ：参考输入，a d 7 7 1 5 参考差动输入的正端，该端电位必须大于 r e fi n ( 一) 。r e fl n ( + ) 可连接在a v d d 与a g n d 之间； r e fi n ( 一) ：参考输入，a d 7 7 1 5 参考差动输入的负端，r e fi n ( 一) 可连接 在a v d d 和a g n d 之间，但r e fl n ( 一) 必须小于r e fi n ( + ) ； a g n d ：模拟地。正确操作时，其它引脚的电压相对a g n d 应不低于一3 0 m v ； d r d y ：逻辑输出。低电平表明来自a d 7 7 1 5 数据寄存器新的输出字是有的。 当完成全部1 6 位的读操作时，此引脚变成高电平。在输出更新期间，如果没有 数据被读出，此引脚将持续5 0 0 倍t c l ki n 时钟周期，然后返回高电平。当d r d y 为高时，能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当避免从数据寄存器中 读数。数据更新结束后，d r d y 将再次返回低电平； d o u t ：从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端。此输出移位 寄存器可含有来自设定寄存器、通讯寄存器或数据寄存器的信息，具体是哪一个 寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位； d i n ：写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端。此数据是移到设定 寄存器还是通讯寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位； d v d d ：数字电源。正常情况是+ 3 v 或+ 5 v ； d g n d ：数字地。 a d 7 7 1 5 片内有四个寄存器：通讯寄存器、设定寄存器、测试寄存器和数据 寄存器。由于a d 7 7 1 5 是一模数转换器，因此不太适用多路信号频繁切换的 场合，只有在一路信号每周期都使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。 在低速采样应用中，a d 7 7 1 5 的性能最佳。当采用5 0 的更新速度进行采样时， a d 7 7 1 5 对5 0 h z 的工频有抑制作用，采样的效果很好。读数据时采用平均值数字 1 6 第4 章硬件设计与实现 滤波，使a d 转换效果进一步得以改善，即加入所谓的后置滤波器。a d 7 7 1 5 以 其优良的性能价格比和较高的分辨率，在小信号的采样中得到很好的应用，在热 电偶、热电阻测温的应用方面取得了令人满意的效果【1 1 l 【1 2 1 。 a d 7 7 1 5 的硬件连接图如图4 1 2 所示，在m c l ki n 和m c l ko u t 之间外 接一个2 4 5 7 6 m h z 的晶振。从a d 8 1 3 8 送来的两路差分信号进行滤波后送入 a d 7 7 1 5 的7 ，8 端。m c l 4 0 3 从2 脚输出的参考信号经c 3 8 ，c 2 0 滤波后送入 a d 7 7 1 5 的9 端，为a d 7 7 1 5 提供参考电压。s c l k ，d i n ，d o u t ，d r d y 分 别接单片机的p 0 口，以s p i 方式将数字信号送入单片机。 4 2 5 基准源 图4 1 2a d 7 7 1 5 电路图 由于a d 7 7 1 5 采用双极性输入方式，故经i c ”6 5 0 放大后的信号用a d 8 1 3 8 产生两路差分信号后再送入a d 7 7 1 5 。同时a d 7 7 1 5 也需要一个2 5 v 的参考电压， 且a d 7 7 1 5 对2 5 v 基准电压的要求比较高，故我们选择了带激光校准的精密的 基准电压源m c l 4 0 3 同时为a d 8 1 3 8 和a d 7 7 1 5 提供2 5 v 的参考电压。m c l 4 0 3 是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂带隙基准电压源，其硬件连接图如 图4 1 3 所示。 1 7 成都理工大学硕士学位论文 4 2 6 单片机控制部分 a + 5 v ：= ：- 图4 1 3 基准源电路图 数据采集系统采用5 1 单片机为核心，并将采集转换后的电压信号在l c d 上 显示出来。同时通过r s 4 8 5 接口把数据传输到p c 机上， a t 8 9 c 5 1 是美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能c m o s8 位单片机，片 内含有4 kb y t e 的反复可擦写的只读存储器( e p r o m ) 和1 2 8 b y t e 随机存储器，芯 片采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，完全兼容m c s 一5 1 指 令系统，片内置8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，可灵活适用于各种控制场合。 它能完成以下标准功能：4 k 字节的f l a s h 存储器，1 2 8 字节内部r a m ，3 2 个i o 口线，两个1 6 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信 口，片内振荡器及时钟电路【1 3 】。单片机内部结构为： 1 、c p u 系统内含8 位运算器，数据和代码可分别寻址达6 4 k 空间；支持位 操作和位寻址。 2 、复位和时钟电路 支持0 2 4 m 时钟输入，外部复位引脚r e s e t 加外加电路可实现上电复位和 手动复位。 3 、中断系统 a t 8 9 c 5 1 内部含有5 个中断源：i n t o ，i n t l ，定时器t 0 旧1 ，串行口中断。 4 、定时、计数器 内含两个1 6 位定时计数器t o ，t 1 。 5 、并行口 有4 个并行i o 端口：p 0 p 3 。 在本设计中，采用a t 8 9 c 5 1 单片机完成数据的采集。单片机的p 1 口分别与 a d 7 7 1 5 的s c l k ，d i n ，d o u t ，d r d y 相接，通过软件编程实现数据的采集。 采集后的数据经滤波处理后传入p c 机，并将该电压值实时的在l c d 上显示。 单片机的i n t 0 、i n t l 分别连接调零和测量两个铵健。p 0 口接上拉电阻后与l c d 1 8 第4 章便件设计与实现 的数据端连接。单片机系统原理图如下图所示： 4 2 7 数据通信 图4 1 4 单片机系统原理图 s p i 总线是一种得到了广泛应用的串行总线，在单片机组成的智能仪器和工 业控制系统中，如果传输速度要求不高，就可以采用s p l 总线实现数据的传输， 可以增加应用系统接口器件的种类，提高应用系统的性能。a d 7 7 1 5 转换速率为 5 0 h z ，这里采用s p i 总线实现a d 7 7 1 5 与单片机通信。 大多数的系统都是把p c 机作为上位机，单片机系统作为下位机，单片机系 统须把采集的数据传输给p c 机，以便进行存储和处理。单片机与p c 机的接口 方式使用较多的是r s 2 3 2 c 和r s 4 8 5 。 r s 2 3 2 c 接口与r s 4 8 5 接口比较，其不足之处主要有以下四点： ( 1 ) 与t t l 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与t t l 电路连接。 ( 2 ) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 l 曲p s 。 ( 3 ) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种 共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 1 9 成都理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺，实际上也只能用在 5 0 米左右。 r s 4 8 5 的优点有： ( 1 ) r s 一4 8 5 的电气特性：逻辑”1 ”以两线问的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示； 逻辑”0 ”以两线间的电压差为( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降低了， 就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与丌l 电平兼容，可方便与1 t r l 电路 连接。 ( 2 ) r s 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动 器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 ( 3 ) r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米，另外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利 用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。因r s 4 8 5 接口具有良