摘 要：蓋革計(jì)數(shù)器可以檢測(cè)各種物質(zhì)及周圍環(huán)境的放射性，廣泛用于工業(yè),、科研,、醫(yī)療,、裝修家居環(huán)境等的放射性輻射檢測(cè)，本文研究的蓋革計(jì)數(shù)器采用AT89C52單片機(jī)為控制核心,，對(duì)蓋革管輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù),，并實(shí)時(shí)快速計(jì)算出輻射值，最后顯示在液晶顯示屏上,。相比于傳統(tǒng)蓋革計(jì)數(shù)器,，具有靈敏度高、檢測(cè)迅速,、顯示直觀,、小巧便攜的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī),；蓋革計(jì)數(shù)管

0 引言

傳統(tǒng)便攜式輻射測(cè)試儀多采用小型蓋革計(jì)數(shù)管,，靈敏度低，測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng),，測(cè)量數(shù)據(jù)沒有數(shù)顯裝置,、只有聲音指示。本文研究了一種基于AT89C52的數(shù)顯蓋革計(jì)數(shù)器,，對(duì)蓋革管輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù),，并實(shí)時(shí)快速計(jì)算出輻射值，最后顯示在液晶顯示屏上,。具有靈敏度高,、檢測(cè)迅速、顯示直觀,、小巧便攜的特點(diǎn),。

1 蓋革管的工作原理

蓋革計(jì)數(shù)器又叫氣體電離探測(cè)器，是由H.蓋革和P.米勒在1928年發(fā)明的,。它是一種專門探測(cè)電離輻射(包括α粒子,、β粒子、γ射線)強(qiáng)度的計(jì)數(shù)儀器,。

蓋革計(jì)數(shù)器是根據(jù)射線對(duì)氣體的電離性質(zhì)設(shè)計(jì)而成的,，最常用的是金屬絲計(jì)數(shù)器。蓋革管的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示,，用一根兩端用絕緣物質(zhì)密閉的金屬圓管作為陰極,，沿管的軸線安裝一根金屬絲電極作為陽極，相互絕緣的密閉在一個(gè)玻璃泡內(nèi),，里面充入惰性氣體和微量溴等鹵族氣體,，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上400V電壓（電壓略低于管內(nèi)氣體的擊穿電壓）。在通常狀態(tài)下，管內(nèi)氣體不放電,；而當(dāng)某種射線的高速粒子進(jìn)入管內(nèi)時(shí),，能夠使管內(nèi)氣體電離，產(chǎn)生的電子在電壓作用下飛向金屬絲陽極,。些電子沿途又電離氣體的其它原子,，釋放出更多的電子。不到1微秒的時(shí)間越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子,，終于使管內(nèi)氣體成為導(dǎo)電體,，在金屬絲與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象，從而輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào),。電流經(jīng)過放大后,，計(jì)數(shù)器自動(dòng)地記錄下每個(gè)粒子飛入管內(nèi)時(shí)的放電，由此可檢測(cè)出粒子的數(shù)目,。

圖1-1 蓋革管示意圖

2 蓋革計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

圖2-1 蓋革計(jì)數(shù)器框圖

2.1 系統(tǒng)框圖

蓋革計(jì)數(shù)器系統(tǒng)由蓋革計(jì)數(shù)管,、單片機(jī)、電源電路,、放大緩沖電路及液晶顯示部分組成,，如圖2-1所示。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

控測(cè)器：大接收面積帶能量補(bǔ)償高平坦坪區(qū)蓋革計(jì)數(shù)管（存命1*10^9次）,，可測(cè)量X射線,，γ射線和β射線。

測(cè)量范圍: 0.01～100μSv/h,，0～60000CPM

能量響應(yīng)范圍：50KeV-3MeV

相對(duì)基本誤差：≤±6%

顯示數(shù)據(jù)：脈沖數(shù)CPM,，輻射輕度μSv/h

顯示精度:0.001uSv/h

計(jì)量本底輻射計(jì)數(shù)率110次/分鐘

靈敏度：250CPM/uSv/h(對(duì)于鈷60）

儀表體積（包括探頭) :L300×W90×H60㎜

重量:小于0.3kg

2.3 元件選型

2.3.1 電源電路

電源可選擇單節(jié)鋰電池或者三節(jié)5號(hào)電池，輸入電壓在3V-4.5V可維持正常工作,。蓋革計(jì)數(shù)管需要400V的工作電壓，單片機(jī)需要5V工作電壓,，所以電池電壓通過逆變電路升壓并進(jìn)行穩(wěn)壓,，輸出400V電壓給蓋革計(jì)數(shù)管供電，輸出5V電壓給單片機(jī)供電,。

2.3.2 蓋革計(jì)數(shù)管

蓋革計(jì)數(shù)管采用新型J408-β/γ型,，可同時(shí)測(cè)量X、β,、γ三種射線,，體積小巧，可以同時(shí)兼顧高靈敏度和便攜性,，J408直徑18mm,，長(zhǎng)度220mm，工作電壓400V，工作溫度-40℃~ +55℃,，本底計(jì)數(shù)110CPM,，靈敏度可達(dá)380cps/uR/s。

2.3.3 單片機(jī)部分

單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,，本文選擇AT89C52作為主控芯片,，AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī),，它內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫(大于1000次）的程序存儲(chǔ)器,，和256字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),，配置通用的8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元,。AT89C52單片機(jī)功能強(qiáng)大，在電子行業(yè),、控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,。

AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在硬件組成,、引腳排列,、指令系統(tǒng)和工作特點(diǎn)等方面兼容。它的工作電源電壓為5（1+0.2）V,，且典型值為5V,；最高工作頻率為24MHz。其主要工作特性有：

（1）32根可編程I/O口線,；

圖1-3 蓋革計(jì)數(shù)器系統(tǒng)硬件電路

（2）串行口是一個(gè)全雙工的可編程串行通信口,；

（3）具有3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；

（4）中斷系統(tǒng)是具有6個(gè)中斷矢量,、8個(gè)中斷源,、2個(gè)級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；

（5）具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR,；

（6）具有可編程的3級(jí)程序鎖定位,；

(7)低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能,；

(8)有PDIP,、PQFP、TQFP 等封裝形式,，可適應(yīng)不同產(chǎn)品需求,。

3 硬件電路

硬件電路圖如圖1-3所示，由3-5V電池供電,，其電壓通過逆變電路升壓為400V后給蓋革管供壓,。蓋革管陽極串聯(lián)5-10M的限流電阻接400V電壓，以防蓋革管損壞，陰極在受到輻射后會(huì)輸出約10V左右高電平脈沖,，脈寬約2ms,，經(jīng)濾波放大后送入CD4049反響緩沖器進(jìn)行整形，以利于準(zhǔn)確的讓單片機(jī)識(shí)別有效脈沖,，減小干擾,，增加測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

脈沖通過INT1引腳進(jìn)入AT89C52單片機(jī)后,，單片機(jī)對(duì)蓋革管輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算出輻射值,，最后顯示在液晶顯示屏上。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)每1分鐘為采樣頻率,，顯示近一分鐘的脈沖數(shù)CPM,，同時(shí)通過單片機(jī)計(jì)算輻射強(qiáng)度，一并顯示在1602液晶屏上,。打開電源后,，單片機(jī)開始工作，因開機(jī)第一分鐘沒有測(cè)量數(shù)據(jù),，此時(shí)單片機(jī)顯示開機(jī)信息,，可以自定義，如歡迎信息,、儀器工作參數(shù)等,，此時(shí)數(shù)蓋革計(jì)數(shù)管加電工作，受輻射后輸出脈沖,，通過單片機(jī)中斷INT1對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，每一次脈沖計(jì)數(shù)加1，同時(shí)蜂鳴器發(fā)生一次,，實(shí)時(shí)提醒輻射強(qiáng)度,，計(jì)時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)一分鐘，一分鐘內(nèi)計(jì)數(shù)重復(fù)累加,，滿足一分鐘后,，單片機(jī)對(duì)脈沖次數(shù)按照公式進(jìn)行計(jì)算近一分鐘的輻射強(qiáng)度，公式內(nèi)設(shè)置變量A,，可以根據(jù)不同蓋革計(jì)數(shù)管個(gè)體差異靈敏度,，方便調(diào)試,，以保證測(cè)量精度,，后更新液晶屏現(xiàn)實(shí)，將計(jì)算的輻射強(qiáng)度和近一分鐘的脈沖數(shù)值直觀的顯示值在液晶屏上,。完成一分鐘測(cè)量后,，計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器清零，重新開始計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)，進(jìn)行下一分鐘的測(cè)量,。

5 儀表調(diào)試

由于每個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管存在個(gè)體差異,，本設(shè)計(jì)采用了型號(hào)J408的蓋革管，靈敏度為380cps/uR/s,，儀表要通過鈷60放射源進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn),，輻射單位倫琴（R）為照射量單位，表示的是存在的輻射量,，不等于生物組織的吸收情況,，西弗(又譯希沃特,英文縮寫Sv)是一個(gè)國(guó)際單位制導(dǎo)出單位,用來衡量輻射對(duì)生物組織的傷害，在儀器中用常用uSv/h（微西弗每小時(shí)）來衡量當(dāng)前環(huán)境的輻射強(qiáng)度,，1uR=0.01uSv,，那么380cps/uR/ s=380*60cpm/0.01uSv/(1/3600)h=1.67*380cpm/uSv/h，如前所述,，軟件設(shè)計(jì)為每一分鐘采集蓋革管脈沖數(shù)即CPM,，設(shè)定實(shí)時(shí)采集脈沖數(shù)為K，則輻射強(qiáng)度為K/（1.67*380）uSv/h,，軟件設(shè)計(jì)中設(shè)定變量A=1/（1.67*380）,，精度調(diào)試時(shí)，根據(jù)靈敏度更改變量A,，可以方便的調(diào)試儀器精度,，無需調(diào)整其他參數(shù)既可以讓儀器高精度運(yùn)行，實(shí)際測(cè)試使用良好,，自然環(huán)境本底計(jì)數(shù)在120CPM左右,，各地本底輻射值有差異，測(cè)量中如需計(jì)算輻射源的絕對(duì)輻射值,，可以先測(cè)量本底輻射再減去本底輻射值,。