基于单片机的有害射线监测器毕业论文设计.docx

1、基于单片机的有害射线监测器毕业论文设计基于单片机的有害射线监测器毕业论文设计第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 环境监测的概念及其发展一、环境监测的概念环境监测是环境科学的一个重要分支，是环境科学的工具、手段。“监测”从广义上讲，是为了追踪污染物种类、浓度的变化在一定时期内对污染进行重复测定；从狭义上讲，是为了判断是否达到标准或评价环境管理和控制环境系统的效果，对污染物进行定期测定。所以，环境监测是间断或者连续地测定环境中污染物的种类、浓度、观察分析其变化和对环境影响的过程。随着工农业的发展，环境污染问题不断出现，使环境监测内涵扩大了。除现有污染物的监测外，还应有生物的、生态的监测，还应有

2、其他的监测，所以，环境监测又可以表示为用科学的方法监测和测定代表环境质量及发展变化趋势的各种数据的全过程。环境监测的全过程是发现问题，按标准制定监测方案，采集样品，处理样品，按标准分析方法进行分析测试，数据处理，按有关规定进行综合评价，提出环境保护意见等等1。二、环境监测的发展环境污染虽然自古就有，但环境科学作为一门学科是在二十世纪50年代才开始发展起来的，最初危害较大的环境污染事件主要是由于化学毒物所造成的，因此，对环境样品进行化学分析以确定其组成和含量的环境分析就产生了。由于环境污染物通常处于痕量级(ppm、ppb)甚至更低，并且基体复杂，流动性变异性大，又涉及空间分布及变化，所以对分析的

3、灵敏度、准确度、分辨率和分析速度等提出了很高要求。因此，环境分析实际上是分析化学的发展。这一阶段称之为污染监测阶段或被动监测阶段。到了70年代，随着科学的发展，人们逐渐认识到影响环境质量的因素不仅是化学因素，还有物理因素，例如噪声、光、热、电磁辐射、放射性等。所以用生物(动物、植物)的生态、群落、受害症状等的变化作为判断环境质量的标准更为确切可靠。此外，某一化学毒物的含量仅是影响环境质量的因素之一，环境中各种污染物之间、污染物与其他物质、其他因素之间还存在着相加和拮抗作用。所以环境分析只是环境监测的一部分。环境监测的手段除了化学的、还有物理的、生物的等等。同时，从点污染的监测发展到面污染及其区

4、域性的监测，这一阶段称之为环境监测阶段，也称为主动监测或目的的监测阶段。监测手段和监测范围的扩大，虽然能够说明区域性的环境质量，但由于受采样手段、采样频率、采样数量、分析速度、数据处理速度等限制，仍不能及时地监视环境质量变化，预测变化趋势，更不能根据监测结果发布采取应急措施的指令。80年代初，发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段，监测仪器用电子计算机遥控，数据用有线或无线传输的方式送到监测中心控制室，经电子计算机处理，可自动打印成指定的表格，画成污染态势、浓度分布。可以在极短时间内观察到空气、水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指

5、令、通告并采取保护措施。这一阶段称为污染防治监测阶段或自动监测阶段。目前，环境监测技术的发展主要集中在：(1) 以现场人工采样和实验室分析为主向多参数网络在线、多功能自动化监测方向发展；(2) 环境样品预处理技术由手工单样品处理向在线自动化和批量化处理方向发展；(3) 由较窄领域的局部监测、单纯的地面环境监测向全方位领域监测和与遥感环境监测相结合的方向发展；(4) 野外和现场环境监测仪器将向便携式、小型化方向发展；(5) 环境监测仪器向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展；(6) 环境监测方法的综合性、灵敏性和多功能性日益增强，方法检测限越来越低。1.1.2 我国环境监测

6、的现状我国从70年代开始逐步建立了中央、省、地市、县区的四级监测机构，制定了各种监测管理制度。由环保部门和其他部门的有关单位开发研制了100多种环境标准物质为实验室质控提供了保证。开展了优化布点，统一监测的方法，进行技术培训，实行分析人员上岗合格证制，创建和评选了国家和省级优质实验室，编辑出版了质量保证手册，从而保证了监测工作质量，达到监测数据的准确性、精密性、代表性、可比性、完整性的QA目标。基本形成了从监测点位优化、样品的采集与输送，实验室分析到数据处理、报告的综合编写等全过程的监测质量保证体系。我国制定并颁布实施了环境监测技术规范及有关的技术管理规定，使环境监测技术管理走上了规范化的轨道

7、，全国监测系统可以开展水、气、渣、土壤、生物、噪声、放射性等要素200多个项目的环境质量和污染源监测，还可以承担较复杂的环境问题调查，各级监测站获奖科研项目1800多项，其中有环境背景值、工业污染源、酸雨、和农药污染调查等大型课题，更多的则是实用监测技术。内容涉及优化布点、分析方法、仪器设备、计算机应用、数据分析评价以及标准物质的开发研究等。“八五”第一年，我们就通过优化筛选建立了由200个站组成的“国家环境质量监测网”(简称“国控网”)。1992年由国家环保局会同各有关部门组建了由27个部门的54个环境监测站组成的“国家环境监测网”。根据加强流域环境管理的需要，1994年以来，分别组建了“长

8、江暨三峡生态环境监测网”、“淮河流域环境监测网”、“太湖流域环境监测网”和“近岸海域环境监测网”。这些跨行政区划的专业监测网络的建立，开始打破了单纯以行政区划分为单元的环境监测管理体制，适应了流域环境管理提供决策依据。目前，全国共有专业、行业监测站4800多个，其中环保系统2200多个监测站，行业监测站2600多个。国控的空气质量监测网站103个、酸雨监测网站113个、水质监测网站135个。此外还建有噪声监测网、辐射监测网、区域监测网等。到2005年，国控环境监测网络调整为：环境空气监测网站226个，测点数793个；酸雨监测网站239个，测点数472个；水质监测网站197个，监测断面1074个

9、；生态监测网站15个。目前，我国已制定各类国家环境标准410项，覆盖了大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等领域。已开展了环境质量监测、环境质量周报、日报、预报监测；污染源监测、污染事故应急监测、污染物总量控制监测、污染源解析监测，环境污染治理工程效果监测等等。需监测的污染因子达百余种。1.2 环境放射性监测1.2.1 基础知识自然界的各种物质都是由元素组成的，而组成元素的基本单位是原子。某些元素的原子核不稳定，内部能够自发地改变核结构，从一种核变成为另一种核，并放射出带电的或者不带电的粒子(、)或射线()，这种性质称为放射性衰变，简称放射性。常见的衰变有、和电子俘获四种形式。含有不稳

10、定原子核的元素称为放射性元素，不稳定的核称为放射性原子核由不稳定的原子核在衰变过程中释放出的肉眼看不见的粒子流，就称之为放射线。如射线、射线、射线等。含有放射性元素的物质就称为放射性物质。在自然条件下，大气、水体和土壤等物质中都会含有微量的放射性物质，尤其在当今世界，原子能工业迅速发展，核武器爆炸、核事故屡有发生，放射性物质在医学、国防、科研、民用等领域的应用不断扩大，有可能使环境中的放射性水平高于天然本底值或超过规定标准，构成放射性污染，危害人体和生物。1.2.2 环境中放射性的来源和危害一、天然放射性的来源(1) 宇宙射线及其引生的放射性核素：宇宙射线是一种从宇宙空间射到地面来的射线，由初

11、级宇宙射线和次级宇宙射线组成。由宇宙射线与大气层、土壤、水中的核素发生反应产生的放射性核素约有20余种。(2) 天然系列放射性核素：多数天然放射性核素在地球起源时就存在于地壳之中，经过天长日久的地质年代，母体和子体之间已达到放射性平衡，从而建立了放射性核素的系列。(3) 自然界中单独存在的核素：这类核素约有20种，它们的特点是具有极长的半衰期，它们的另一个特点是强度极弱，只有采用极灵敏的检测技术才能发现它们。二、人为放射性污染的来源引起环境放射性污染的主要来源是生产和应用放射性物质的单位所排出的放射性废物，以及核武器爆炸、核事故等产生的放射性物质。(1) 核试验及航天事故：包括大气层核试验、地

12、下核爆炸冒顶事故及外层空间核动力航具事故等。其核裂变产物包括200多种放射性核素，还有核爆炸过程中产生的中子与大气、土壤、建筑材料中的核素发生核反应形成的中子活化合物，以及剩余未起反应的核素。(2) 核工业：包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等。它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的三废排放物；特别是发生事故时，将会有大量放射性物质泄漏到环境中去，造成严重污染事故。(3) 工农业、医学、科研等部门的排放废物：这些部门使用放射性核素日益广泛，其排放废物也是主要的人为污染源之一。(4) 放射性矿的开采和利用：在稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中，其三废排放物中含有铀、钍、氡等放射性核素

13、，将造成所在局部地区的污染。三、放射性污染的危害放射性核素可通过呼吸道吸入、消化道摄入、皮肤或黏膜侵入三种途径进入人体并在体内蓄积。人体一次或短期内接受大剂量照射，将引起急性辐射损伤，如核爆炸、核反应堆事故等造成的损伤。放射性物质对人类的危害主要是辐射损伤，所谓辐射损伤是是有射线引发人体组织发生有害化学反应引起的。辐射引起的电子激发作用和电离作用使机体分子不稳定和破坏，导致蛋白质分子键断裂和畸变，破坏对人类新陈代谢有重要意义的酶。因此，辐射不仅可以扰乱和破坏机体细胞、组织的正常代谢活动，而且可以直接破坏细胞和组织的结构，对人体产生躯体损伤效应(如白血病、恶性肿瘤、生育力降低、寿命缩短等)和遗传

14、损伤效应(如流产、遗传性死亡和先天畸形等)。1.2.3 监测对象及方法一、放射性监测的对象及内容放射性监测按照监测对象可分为：现场监测，即对放射性物质生产或应用单位内部工作区域所作的监测；个人剂量监测，即对放射性专业工作人员或公众作内照射和外照射的剂量监测；环境监测，即对放射性生产和应用单位外部环境，包括空气、水体、土壤、生物、固体废物等所作的监测。对放射性核素具体测量的内容有：放射源强度，半衰期，射线种类及能量；环境和人体中放射性物质含量、放射性强度、空间照射量或电离辐射剂量。二、放射性监测方法环境放射性监测方法有定期监测和连续监测。定期监测的一般步骤是采样、样品预处理、样品总放射性或放射性

15、核素的测定；连续监测是在现场安装放射性自动监测仪器，实现采样、预处理和测定自动化。对环境样品进行放射性测量和对非放射性环境样品监测过程一样，也是经过样品采集、样品预处理和选择适宜方法、仪器测定三个过程。(1) 样品的采集：对于放射性监测的环境样品来说，有累积采样和瞬间采样两种方式。(2) 样品预处理：样品预处理的目的是浓集对象核素、去除干扰核素和将样品的物理形态转换成易于进行放射性检测的形态。常用的样品预处理的方法有蜕变法、共沉淀法、灰化法、电化学法、离子交换法、溶剂萃取法等。(3) 环境中放射性监测：水样的总放射性活度测定；水样中总放射性活度测量；土壤中总、放射性活度的测量；氚的放射性监测；

16、各种形态I的放射性监测。(4) 个人外照射剂量的测定：个人剂量是佩带在身体适当部位，用来测量个人外照射剂量的仪器，有轻便、小型、容易使用和价格低廉等特点。1.3 本设计的任务、内容和要求本设计采用MSP430单片机对工作环境中的射线进行检测的装置设计。其中包括了系统硬件设计和软件设计。首先要查阅相关资料，学习MSP430单片机的软硬件知识，设计硬件电路，然后学习C语言的相关知识，用C语言编制数据采集(计数器)、数码显示、键盘、参数设定、数据通讯(RS232)等应用程序，最后在IAR为MSP430设计的仿真工具上进行调试运行，完成设计。第2章 放射性检测仪器原理2.1 放射性检测仪器基本原理放射

17、性检测仪器种类很多，实际工作中，需根据监测目的、试样形态、射线类型、强度及能量等因素进行选择。对放射性物质的活度或剂量进行测定时需要专用的放射性检测仪器，表2-1中列举了各种常用的放射性检测器。放射性检测的基本原理是：利用射线与物质间的相互作用，这种作用包括电离、发光、热效应、化学效应和能产生次级粒子的核反应等。最常用的检测器有三类，即电离型检测器、闪烁检测器和半导体检测器。表2-1 各种常用的放射性检测器及其应用射线种类检测器特点射线闪烁检测器正比计数管半导体检测器电流电离室核乳胶检测灵敏度低，探测面积大检测效率高，技术要求高本底小，灵敏度高，探测面积小测较大放射形活度可记录单个粒，研究其径

18、迹、射程射线正比计数管盖革计数管闪烁检测器半导体检测器检测效率高，装置体积大检测效率高，装置体积大检测效率低，本底小探测面积小，装置体积小射线闪烁检测器半导体检测器检测效率高，能量分辨能力强能量分辨能力强，装置体积小2.2 电离型检测器电离型检测器是利用射线通过气体介质时使气体发生电离的原理制成的探测器。应用气体电离原理的检测器又可分为电流电离室、正比计数管和盖革计数管(GM管)三种。电流电离室是测量由电离作用而产生的电离电流，适用于测量强放射性；正比计数管和盖革计数管则是测量由每一入射粒子引起电离作用而产生的脉冲式电压变化，从而对入射粒子逐个计数，它适合于测量弱放射性。以上三种检测器之所以有

19、不同的工作状态和不同的功能，主要是由于对它们所施加的工作电压不同，从而引起电离过程不同。现将三种电离型检测器分别介绍如下。2.2.1 电流电离室电流电离室通常用来研究带电粒子所引起的总电离效应，也就是测量辐射强度及其随时间的变化；还可以制造成能监测个人吸收剂量的剂量仪。由于这种类型的检测器对任何电离都有响应，所以在甄别射线类型方面，它是无能为力的。由于电离电流十分微弱(通常在A左右或更小)，所以电流电离室还要同高倍数的电流放大器配合使用。2.2.2 正比计数管正比计数管检测器广泛用于粒子和粒子的计数，优点是工作性能稳定、本底响应低。正比计数管给出的脉冲幅度正比于初级致电离粒子所消耗的能量，所以

20、还可以用于能谱测量，但条件是初级粒子必须把其全部能量损耗在计数管的气体之内。由于这个原因，正比计数管大多用于低能射线的能谱测量和鉴定放射性核素用的射线的能谱测量。一般的正比计数管由一圆柱金属筒内安上一条金属丝构成，筒内充甲烷(或氩)和碳氢化合物的气体，充气压力和大气压一样。两极间电压约为15005000V，在此电压下，能使由电离产生的电子在收集电极近处高速加速，并在前进途中进一步发生连续性的次级电离，使电流的放大倍数达到左右。由于输出脉冲的大小正比于入射粒子的初始电离能，所以把这类检测器定名为正比计数管。2.2.3 盖革(GM)计数管盖革计数管也称盖革谬勒计数管，是目前应用最为广泛的放射性检测

21、器，它被普遍地用于检测射线和射线强度。该计数器对进入其灵敏区域的粒子的有效计数率接近于100%；它的另一个工作特点是，对不同射线都给出大小相同的脉冲，因此不能用于区别不同的射线。在辐射监测仪器中，可将它做成携带式的辐射指示仪或放射性污染监测仪。常见的盖革计数管为一密闭的玻璃管(长约12cm，直径约2.5cm)，中间一条细丝作为阳极，玻璃管内壁涂一层导电物质或另外放进一金属圆筒作为阴极，盖革计数管内充约相当于1/5atm(约20kPa)的惰性气体氩，当气体受辐照电离后，在工作电压下产生微弱电流，再将其放大倍。管中还充有少量猝灭气体(如乙醇、二乙醚、溴等)，其电离势比氩气低，作用是防止计数管在一次

22、放电后发生连续放电。盖革管的充气气压小于1/4atm (约25kPa)，工作电压从几百伏特至1500伏特。它的工作特点是：不管入射粒子引起初级电离的离子数有多少，经过气体放大后，最后到达阳极的电子数都一样，所以输出脉冲高度也一样。图2-1所示是盖革计数管用于测量射线强度的整套示意图。图2-1 盖革计数馆系统示意图为减小本底计数和达到防护目的，一般将计数管放在铅或生铁制成的屏蔽室中，其他部件装配在一个仪器外壳内，合称定标器。2.3 闪烁检测器闪烁检测器是利用射线与物质作用发生闪光的仪器。它具有一个闪烁体，当射线进入其中是产生闪光，然后用光电倍增管将闪光讯号放大、记录下来。闪烁检测器以其高灵敏度和

23、高计数率的优点而被用作测量辐照强度、辐照强度、辐照强度。由于它对不同能量的射线具有很高的分辨率，所以又可做谱仪使用。通过能谱测量，鉴别放射性核素，并且在适当的条件，能够定量的分析几种放射性核素的混合物。谱图中的每一个峰与某一特定核素相对应，从峰面积又可以量度该核素的存在量。闪烁检测器的测量结果在量子统计性的限度内有一定的重复性。此外，这种仪器还能测量照射量和吸收剂量。闪烁检测器的工作原理与以下三个过程相关联：(1) 射线使某些荧光体分子激发，当分子重返低能级时，即发出光子；(2) 光电敏感物质受光后发出光电子；(3) 光电子经倍增放大后得到可测量的输出脉冲。2.4 半导体检测器半导体检测器的工

24、作原理与电离型检测器相似，但其检测元件是固态半导体。粒子射入元件后，产生电子-空穴对，从而得到可测量的脉冲电流。半导体检测器可用作测量射线、射线和射线的辐射。与前述两类检测器相比，在半导体检测元件中产生电子-空穴对所需能量要小得多。例如，对硅半导体是3.6eV，对锗半导体是2.8eV，而对NaI闪烁探测体来说，从其中发出一个光电子平均能量约3000eV。也就是说，在同样外加能量下，半导体中生成电子-空穴对数比闪烁探测器中生成的光电子数多1000倍。因此，前者输出脉冲电流大小的统计涨落比较小，对外来射线能量有很好的分辨率，适宜于做能谱分析。其缺点是由于制造工艺等方面的原因，检测灵敏区范围较小。但

25、由于其元件体积很小，较容易实现对组织中某点进行吸收剂量测定。硅半导体检测器可用于计数和测定能谱及能谱。对射线一般采用锗半导体做检测元件，因为锗原子序数较大，对射线吸收效果更好。在锗半导体单晶体中渗入Li制成锗半导体元件，具有更优越的检测性能。因渗入的锂不取代晶格中的原有原子，而是夹杂其间，从而大大增大了锗的电阻率，即在探测射线时有较大的灵敏区域。应用这类检测元件时，因为室温下锂容易逃逸，所以要在液氮下(-196)工作。2.5 本章小结本章主要叙述了放射性检测仪器的原理，并对常用的三类放射检测仪器原理及其特点进行了详细的叙述，即电离型检测器、闪烁检测器和半导体检测器。其中电离型检测器中，又重点介

26、绍了电流电离室、正比计数管、盖革(GM)计数管三种电离型检测器，针对各种不同放射性检测仪器的特点，本设计拟定采用盖革(GM)计数管作为射线数据采集的传感器。第3章 MSP430单片机原理3.1 概述3.1.1 单片机的概念及特点将中央处理器、存储器、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的计算机，即所谓的单片微型计算机，简称单片机。单片机在设计上主要突出了控制功能，调整了接口配置，在单一芯片上制成了结构完整的计算机，因此，单片机也称为微控制器(MCU)。单片机具有如下特点：(1) 小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。(2) 面向控制，能

27、针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳性价比。(3) 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作，这是其他机型无法比拟的。(4) 可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。3.1.2 MSP430系列单片机TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。它们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消

28、耗；数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。MSP430系列单片机具有丰富的片内外设，有及广阔的应用范围。MSP430系列单片机具有以下一些共同的特点。一、 低电压、超低功耗MSP430系列单片机，在1.83.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流(在0.1400uA之间)因不同的工作模式而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6us，可编制出实时性特别高的源代码；可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。二、 强大的处理能力MSP430系列单片机，为16位RISC结构，具有丰富的寻

29、址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125us。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。三、 系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。四、 丰富的片内外设MSP4

30、30系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是以下一些外围模块的不同组合：看门狗(WDT)、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、比较器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位ADC(ADC14)、端口0(P0)、端口16(P1P6)、基本定时器(Basic Timer)。其中看门狗可以使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有两个串口，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的并行端口，最多可达到68条I/

31、O口线，而且I/O口线具有中断能力；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达120段。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。五、 方便高效的开发环境目前MSP430系列有4种类型器件：OTP型、FLASH型、EPROM型和ROM型。这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是用相对应的EPROM型器件作为开发片，或使用仿真器开发成功之后再烧写掩膜芯片；而对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程

32、序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。六、工业级的产品MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40+85。3.2 MSP430单片机结构3.2.1 MSP430结构概述MSP430系列单片机基本结构如图3-1所示。图3-1 MSP430系列单片机结构从图3-1中可以看出，MSP430系列单片机的结构具有以下明显特征：(1) 16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。(2) 直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。(3) 多时钟能够降低功耗，多总线能够降低噪声。