基于单片机的连续放射性测量仪的设计与实现(单道脉冲幅度分析)

摘  要
基于单片机的放射性测量技术是用核电子学方法进行物质成分分析和放射性检测的基础。本次毕业设计在单道脉冲幅度分析器以及仪器的单片机机化等方面作了较为系统的研究，特别是对所设计的基于单片机的脉冲幅度分析系统作了较为详尽的论述。(毕业设计网 毕业设计网 www.papersay.com)
该系统在硬件上以凌阳单片机SPCE06A为控制核心，以高速低功耗的芯片MAX908作为单道脉冲幅度分析器的甄别器，以同公司生产的基本逻辑芯片组成反符合电路，以6位数码管作为系统的显示器，同时为了实现人机交互，系统采用1 8键盘。
根据初步的性能测试,系统己经达到预期的设计目标。在系统的供电方面系统可采用充电电池供电。总体来说，系统采用按键输入，能自动显示和存储测量脉冲个数，并完成数据处理工作，除此之外，系统可通过RS-232与其它计算机联机使用。软件系统采用了多种编程语言高级语言C语言和汇编混合编写，充分利用多种语言的混合编程技术以及不同语言的优点，在兼顾实时性处理的同时也能很方便地进行数据处理。
关键词： 单道脉冲幅度分析； 反符合电路； 数码管； Max908；UART 
 
ABSTRACT
Measuring technology which is based on single chip is the foundation of matter composition and radioactivity detection by way of nuclear electronic methods. The dissertation aims at developing tendency of measuring technology of Single Channel nuclear amplitude, as well as some key techniques such as the design of Single-Channel-Analyzer (SCA) and apparatus. The dissertation discusses about single channel pulse amplitude analyzer system based on MCU(Micro Control units) in detail.
The amplitude analyzer system adopts MCU SPCE06A from Linyang Company as controlling core applying high speed and low Power Compare CMOS chip MAX908 and 6 digital charactron. According to the requirements of design, and meantime the system can use battery which can be recharged to supply Power.
As a whole，the system characteristic of inputting by keyboard and store amplitude data automatically and accomplish data handling. What’s more the system can communicate with other computers by the interface of RS-232. Software system is written by various programmer languages C Language and assembles Language. The software system make full use of the advantage of multi-language mixed programming technique, which make it can do well in real time processing with all the data being handled.
Key words: single channel pulse height analyzer; anti-co incidence; charactron; Max908; UART

选题依据及研究意义
核辐射测量技术是一种综合性很强的技术，是核探测技术、电子技术、计算机技术等多学科相互交叉渗透的产物，具有现场、多元素快速分析等特点。目前己经成为一种重要的物质成分分析手段，例如，通过测定天然放射性元素在衰变过程中产生的 射线可以确定铀、钾、钍等天然放射性元素的分布;通过测量元素的特征 射线可以定性、定量分析物质成分核辐射测量技术已经不仅仅用于核研究，也在地质学、医学、环境学、生物学、化学、考古学等学科扮演着越来越重要的角色。
在核辐射测量中核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系，通过测量脉冲信号的幅度就可以知道入射射线的能量因此，脉冲幅度测量技术在核辐射测量中是一个重要的问题。

在硬件方面的设计工作是：
① 脉冲线性主放大器的设计以及调试；
② 阈值可调的幅度甄别电路及控制电路的设计以及调试；
③ 选用高速低功耗的数字芯片设计反符合电路；
④ 将MCU作为整个脉冲幅度分析以及处理的硬件平台，井对其资源进行合理的分配；
⑤ MCU与LED数码管的接口设计；
⑥ 键盘电路的设计；
⑦ 系统通信的接口设计和系统与上位机PC机通信的调试。
在软件上的开发工作量一般，具体说来就是：
① MCU脉冲计数的编程控制；
② 数码管显示的编程控制；
③ MCU与上位机的串行通信程序的编写；
④ MCU键盘扫描程序的编写。

设计特色
（1）脉冲幅度分析系统以单片机为控制核心，外围电路带有数码管显示以及键盘响应电路无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算分析等过程,系统具有低功耗、小型化、高计数率等特点。
（2）软件系统采用了多种编程语言(高级语言C语言和汇编)混合编写，充分利用多种语言的混合编程技术以及不同语言的优点，在兼顾实时性处理的同时也能很方便地进行数据处理。
（3）系统可以通过UART与笔记本微机或掌上电脑等通信，充分利用它们存储容量大、计算能力强等特点而组成测量微机工作站，完成数据采集的备份、处理和计算等工作。

设计方案
单道脉冲幅度分析器是通过测量核信号脉冲幅度来完成能量甄别的常用核仪器, 通常用于分析某个能区范围内计数的分布。早期的单道脉冲幅度分析器的甄别元件是用二极管或三极管，其优点是电路简单，但技术指标低，对脉冲的前沿的响应差，测量精度低，特别是低阈值非线性大，一般灵敏度只能做到0.3V左右。60年代初，有人用晶体管构成施密特触发器作为甄别元件，使单道脉冲幅度分析器的技术指标有了很大的提高，如灵敏度可达0.1V，阈值稳定性有所提高，并能适应较高计数率，但这种电路有较大的滞后特性，往往影响了阈值的灵敏度。
随着集成电压比较器的出现, 使得甄别电路的技术指标得到了很大的提高, 电路结构也得到了简化。集成化的电压基准器件也使得阈值电压的稳定性大大提高了。反符合电路方面也出现了各种各样的解决上下甄别器时间配合的方法。在进入单片机时代后，人们开始用单片机取代了传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，充分利用单片机具有的数据处理、数据存储以及和微机通信的能力，这时与多道幅度分析器相比, 基于单片机的脉冲幅度分析器可以测量很高的计数率。单道幅度分析器硬件部分由甄别电路、阈值调节与稳定电路、反符合逻辑电路和输出驱动电路组成。

设计整体框架
本设计的单道脉冲分析器硬件如下图2-1的结构框图所示，由探测器、前端放大器、线性脉冲幅度放大器、单道脉冲幅度成形器、单片微机系统等构成，其中单道脉冲幅度成形器由阈值调节电路、甄别电路、反符合电路等构成:单片微机系统由MCU、键盘电路、数码管等构成。
 












目    录
1  绪论 - 1 -
1.1  选题依据及研究意义 - 1 -
1.2  国内外研究历史和现状 - 1 -
1.3  设计内容 - 2 -
1.4  设计特色 - 2 -
2  设计方案 - 3 -
2.1  设计整体框架 - 3 -
2.2  探测器、脉冲线性放大电路及前置放大器 - 4 -
2.3  单道脉冲幅度分析器 - 6 -
2.4  单片微机系统 - 6 -
2.5  接口方式和标准 - 7 -
3  单道脉冲分析系统硬件设计 - 8 -
3.1  前置放大器 - 8 -
3.2  脉冲线性主放大器 - 8 -
3.2.1  分立元件构成的放大电路 - 8 -
3.2.2  集成运放构成的主放大电路 - 10 -
3.3  滤波成形电路 - 10 -
3.4  基线恢复器 - 11 -
3.5  反堆积电路 - 12 -
3.6  1/2衰减器 - 12 -
3.7  阈值电压稳定与调节研究 - 13 -
3.8  甄别电路 - 15 -
3.9  反符合电路的比较研究 - 15 -
3.9.1  反符合电路电路原理设计1 - 15 -
3.9.2  反符合电路电路原理设计2 - 16 -
3.9.3  反符合电路电路原理设计3 - 17 -
3.10  功率放大电路 - 19 -
4  单道脉冲分析系统有关软件设计 - 20 -
4.1  编程语言选择 - 20 -
4.1.1  汇编与c语言优缺点 - 20 -
4.1.2  汇编与C语言混合编程中注意的问题 - 21 -
4.2  单道脉冲幅度分析系统有关软件设计 - 21 -
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4.2.1  IO资源分配 - 22 -
4.2.2  主程序设计 - 22 -
4.2.3  中断服务程序设计 - 23 -
4.2.4  键盘扫描程序设计 - 26 -
4.2.5  数码管显示程序设计 - 26 -
结  论 - 28 -
致  谢 - 29 -
参考文献 - 30 -
附  录 - 31 -