成都理工大學(xué) 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

一種Android系統(tǒng)的智能手機(jī)γ個(gè)人劑量儀

成都理工大學(xué) 左 卓 柳炳琦 肖婷婷

【摘要】介紹了一種基于Android系統(tǒng)的個(gè)人輻射劑量儀，該劑量儀與其他輻射檢測儀比具有相對低的功耗、更好的攜帶性、可以連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)。主要用到的器件有G-M 計(jì)數(shù)管、ATmega8 單片機(jī)、FBT06藍(lán)牙模塊和一部Android智能手機(jī)，主要闡述了電源模塊和數(shù)據(jù)交換的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案，將設(shè)計(jì)的電源模塊輸出信號作為接下來電路中ATmega8單片機(jī)和TL062還有GFHV-201P高壓模塊的工作電壓，最后劑量儀數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)實(shí)時(shí)交換。設(shè)計(jì)的劑量儀和開發(fā)的App應(yīng)用程序，可組成范圍性環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的放射性劑量值，能夠讓公眾在發(fā)生突發(fā)核事故或周圍核醫(yī)療設(shè)施發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)獲取輻射信息。

【關(guān)鍵詞】輻射劑量儀；G-M計(jì)數(shù)管；Android；FBT06

隨著我國核電事業(yè)的飛速發(fā)展和深入應(yīng)用，像2014年5月發(fā)生的二級放射源遺漏的核事故和醫(yī)療設(shè)備放射性污染的潛在危險(xiǎn)也在增加，對核電廠、核突發(fā)事故、以及核設(shè)施周圍環(huán)境中的放射性物質(zhì)進(jìn)行檢測已引起廣大群眾的關(guān)注。在核電站周圍工作的人員或者生活的群眾，可能會受到γ射線輻射，這就需要一個(gè)能隨時(shí)隨地的對環(huán)境中的放射性有一個(gè)探測設(shè)備，研制Android個(gè)人輻射劑量儀就解決了這樣的問題［1］。由于該設(shè)備巧妙地將核輻射探測器和人們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降氖謾C(jī)充電寶結(jié)合起來，并且通過無線藍(lán)牙通信系統(tǒng)將測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到普及度非常高的Android手機(jī)上面，用戶只需要下載本文設(shè)計(jì)的輻射監(jiān)測App應(yīng)用程序，可以通過這樣一個(gè)系統(tǒng)獲得環(huán)境輻射程度的數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)對策，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)放射性污染并有可能防止污染轉(zhuǎn)移［2］。本文介紹的輻射劑量儀主要有實(shí)時(shí)監(jiān)測、制作簡單、價(jià)格低廉、操作方便、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1.核輻射測量的原理和方法

由于元素的核衰變是由原子核自發(fā)產(chǎn)生的，并且通過學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)知道，原子核的能量能級結(jié)構(gòu)等都是量子體系，因此能級躍遷產(chǎn)生射線的這個(gè)過程存在著不確定度，且每個(gè)原子核發(fā)生衰變的時(shí)間是不確定的，概率又都是一樣的，所以核衰變是一個(gè)量子躍遷過程，故對衰變產(chǎn)生的粒子進(jìn)行探測服從量子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由于放射性核素發(fā)生衰變的準(zhǔn)確時(shí)間是沒有辦法測量的，所以只能將所有的單次衰變看做一個(gè)整體，通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出其衰變規(guī)律。

放射性活度是放射性強(qiáng)度的基本單位，表示單位時(shí)間內(nèi)參與衰變的原子核數(shù)目。單位為貝可勒爾，符號為 A（t），通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到的放射性活度的計(jì)算公式為［3］：

由上面的公式可以推得如下公式：

在這個(gè)公式中，N（0）表示的是在元素開始衰變前的原子核的總數(shù)目，N（t）表示經(jīng)過t時(shí)間的衰變以后此時(shí)剩余的原子核數(shù)目，雖然每一個(gè)原子核的衰變之間沒有任何的相互關(guān)聯(lián)，但是通過大量的粒子數(shù)據(jù)進(jìn)過統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)粒子數(shù)目足夠大的時(shí)候會出現(xiàn)上面所述的呈指數(shù)規(guī)律的關(guān)系。

在本次設(shè)計(jì)中采用的探測原理是用的G-M計(jì)數(shù)管作為探測儀器，所以利用公式 （1-4），記錄到G-M計(jì)數(shù)管每秒輸出脈沖個(gè)數(shù)，然后運(yùn)用這個(gè)公式計(jì)算得到所測量的輻射劑量值，在公式里面N表示單位時(shí)間里脈沖的個(gè)數(shù)，D表示劑量， t是所采用的G-M計(jì)數(shù)管的探測死時(shí)間，K為G-M計(jì)數(shù)管的探測靈敏度。

2.輻射劑量儀整體設(shè)計(jì)

為了能夠達(dá)到要求，本設(shè)計(jì)較為新穎之處是，將人們生活中時(shí)常用到并現(xiàn)在以相對普及的便攜手機(jī)充電器相互結(jié)合。設(shè)計(jì)通過3.8V鋰電池供電，通過充放電芯片系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多次長時(shí)間使用，在不需要進(jìn)行核輻射測量時(shí)可以作為一般的手機(jī)充電寶使用。在開啟輻射探測功能后，通過GFHV-201P高壓模塊將電源輸出的5V穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換到380V，供給G-M計(jì)數(shù)管兩端的工作電壓。電源模塊的設(shè)計(jì)突出了功耗低、體積小的特點(diǎn)，重復(fù)利用的特點(diǎn)。其全局設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 核輻射劑量儀整體設(shè)計(jì)示意圖

該劑量儀能和智能手機(jī)相結(jié)合，只需要使用者下載一個(gè)輻射檢測App到手機(jī)上即可，打開探測設(shè)備后，可以實(shí)時(shí)得到相應(yīng)的輻射劑量數(shù)據(jù)，可以及時(shí)作出反應(yīng)。此劑量儀體積小、功耗低、操作簡單。適合應(yīng)用于可能存在核輻射的工作單位，在旅行時(shí)可能存在高放射性的地方，及在發(fā)生核事故、地質(zhì)災(zāi)害等重要情況時(shí)，公眾能首先通過自己手中的輻射檢測設(shè)備對自身所處環(huán)境的放射性有一個(gè)清楚地了解。

2.1 控制模塊

本設(shè)計(jì)所采用的控制芯片使用的是ATmega8A，有更低的功耗、更強(qiáng)的處理能力和內(nèi)部集成設(shè)備。

在這里衡量功耗大小用單位W/MIPS即（瓦特/百萬指令每秒），這個(gè)單位是對比功耗與性能之間關(guān)系的專用單位。設(shè)計(jì)中采用的ATmega8芯片在完全工作時(shí)的功耗只有3.6mA/MIPS，在休眠模式的時(shí)候只有1mA/MIPS，在掉電模式時(shí)候只有0.1uA/MIPS的耗電量。由于ATmega8A采用的是RISC內(nèi)核，所以這個(gè)芯片的130條指令中大多數(shù)的執(zhí)行時(shí)間能夠在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。所以再處理能力上有大大的提高，同時(shí)處理時(shí)間的縮短對輻射測量的準(zhǔn)確性提高起到了良好的作用。主控模塊的部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主控模塊部分電路圖

2.2 信號采集模塊

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，信號采集模塊有G-M計(jì)數(shù)管，高壓電源轉(zhuǎn)換模塊，最后還有輸出信號甄別整形電路。給G-M計(jì)數(shù)管施加380V的直流高壓，使其開始對空氣中的射線粒子進(jìn)行探測，它的輸出是0到5V之間的類高斯尖峰脈沖波形，為了方便用單片機(jī)對結(jié)果的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，需要利用甄別成形電路把G-M管的輸出波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換［4］，使原來的尖峰脈沖稱為高低電平變換的矩形脈沖。然后將脈沖輸入到ATmega8單片機(jī)中，提供給單片機(jī)計(jì)數(shù)信號［5］。

在本設(shè)計(jì)中，甄別成形電路采用TP062作為比較器，當(dāng)輸入電壓值大于比較的參考電壓時(shí)，輸出低電平，反之則輸出高電平。高壓模塊是探測器正常工作的重要部分，所以需要穩(wěn)定，可靠的設(shè)計(jì)。在參考和比較多種高壓電源以后，選擇了GFHV-201P的高壓模塊。它工作電壓在4.5-9V，輸出電壓能夠達(dá)到600V。完全滿足設(shè)計(jì)中G-M計(jì)數(shù)管正常工作時(shí)兩端380V的工作電壓。這種高壓模塊有很小的紋波，在使用過程中能較好的減少噪聲干擾等。信號采集模塊的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 信號采集模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.3 電源模塊

在設(shè)計(jì)中為了達(dá)到便攜、重復(fù)利用、成本低廉的目的，電源模塊選用了許多成本低，穩(wěn)定性好的集成芯片。如充電管理芯片TP4056、輸出控制芯片CN5136、充放電保護(hù)芯片8205A和DW01X等。

設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)。能夠更穩(wěn)定的給電池充電，讓整個(gè)過程安全使電池有更長的壽命。選擇用芯片TP4056來對整個(gè)充電過程進(jìn)行控制。當(dāng)輸入電壓被拿掉時(shí)，自動控制功能使TP4056進(jìn)入低電流狀態(tài)，此時(shí)電池的漏電流限制到2uA以下。CN5136的開關(guān)頻率可達(dá)300KHz，外部電路只需要一個(gè)肖特基整流二極管、兩個(gè)電阻、一個(gè)電感和一個(gè)電容。通過外部電阻可以設(shè)置輸出電壓最高可以到6V，輸出達(dá)到500毫安的電流。因?yàn)槠瑑?nèi)有高精度的電壓基準(zhǔn)源，芯片有高精度的輸出電壓和低溫度漂移。電源模塊如圖4 所示。

圖4 電源模塊設(shè)計(jì)電路圖

3.輻射劑量儀調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試

G-M探測器正常工作時(shí)，系統(tǒng)G-M計(jì)數(shù)器的負(fù)極輸出端測得到的信號圖形如圖5所示。

圖5 G-M計(jì)數(shù)管輸出信號圖

信號在通過預(yù)處理以后進(jìn)入甄別其中進(jìn)行脈沖波形到方波的轉(zhuǎn)換，在比較器的參考端加上了0.56V的參考電壓，當(dāng)信號端口電壓大于參考電壓設(shè)定值時(shí)，甄別器的輸出端將輸出低電平，出現(xiàn)下降沿。信號進(jìn)入單片機(jī)后單片機(jī)下降沿判斷是否計(jì)數(shù)。甄別器輸出信號波形如圖 6所示。

圖6 甄別器輸出信號

3.2 輻射劑量儀軟件調(diào)試

（1）在ATmega8單片機(jī)上，不斷調(diào)試改寫控制程序。檢查單片機(jī)是否能正常啟動，是否能夠準(zhǔn)確的調(diào)用設(shè)置藍(lán)牙通信模塊。通過手機(jī)給主控單片機(jī)發(fā)出操作指令，檢查藍(lán)牙端口能否成功發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)給已經(jīng)匹配好的手機(jī)移動平臺。

（2）檢查軟件是否能正常實(shí)現(xiàn)報(bào)警閾值的設(shè)定和測量時(shí)間的設(shè)定。檢查系統(tǒng)能否正常保存測量數(shù)據(jù)。手機(jī)終端的運(yùn)行和顯示如圖7所示。

圖7 手機(jī)運(yùn)行結(jié)果

4.結(jié)論

利用G-M探測器、ATmega8A、藍(lán)牙模塊、電源芯片等，成功設(shè)計(jì)了功耗低、易攜帶、可連續(xù)工作的個(gè)人輻射劑量儀。比較并選擇了適合本次設(shè)計(jì)的探測器，在基本的功能實(shí)現(xiàn)的情況下加入終端互聯(lián)，組建了環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。獲得的測量結(jié)果與其他輻射劑量儀測量結(jié)果一致。

參考文獻(xiàn)

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