使用 MSP430F133 單片機(jī)改造老式測量儀表

概述

在核污染的環(huán)境評(píng)測中，最常用的儀表是X、γ 輻射空氣吸收劑量率儀。在這類儀表中，使用的測量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)的方法，在這類方法中使用光電倍增管或使用計(jì)數(shù)管對(duì)核輻射脈沖計(jì)數(shù)，通過計(jì)數(shù)量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測量的輻射脈沖進(jìn)行積分、放大后顯示輸出。在后一種方法中，由于綜合考慮了反映核輻射能量脈沖的數(shù)量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如（圖一）所示。

圖一

存在的問題

在廠家多年生產(chǎn)這種類型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)使用該方法生產(chǎn)的儀表，存在以下的問題：

[1] 在積分放大電路中由于積分常數(shù)較大，而且電容的品質(zhì)對(duì)儀表參數(shù)影響甚大，因此為了得到較穩(wěn)定的積分電路性能，電容的容量不能用的太大，所以在輸入積分電路中只能用提高電阻的阻值的方法來增加積分常數(shù)。這時(shí)，電阻的阻值將高達(dá)1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應(yīng)用大大地提高了儀表生產(chǎn)的工藝難度和使用時(shí)受環(huán)境影響的程度。

[2] 作為影響儀表性能的關(guān)鍵探測部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數(shù)大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數(shù)中，起關(guān)鍵作用的參數(shù)為光電倍增管的暗流和蘭光靈敏度。若光電倍增管的暗流過大，將會(huì)使儀器的本底降不下來，從而使成為不合格產(chǎn)品。若光電倍增管的蘭光靈敏度太低，勢必要提高電路的放大倍數(shù)。這時(shí)若設(shè)計(jì)的放大器倍數(shù)過大，將會(huì)產(chǎn)生兩種后果：a）過大的放大倍數(shù)，將影響放大器的穩(wěn)定性。b)使用電路設(shè)計(jì)上的限制，有時(shí)電路的放大倍數(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[3] 在儀器的構(gòu)成的諸多元素中，光電倍增管、儀器中的放大電路等都會(huì)在溫度變化的影響下產(chǎn)生參數(shù)的變化，使儀表產(chǎn)生一定的溫度漂移，從而使儀表在溫度變化的影響下，產(chǎn)生精度上的變化。這一點(diǎn)雖然在電路設(shè)計(jì)中加入了復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線性，使一般的電路補(bǔ)償方式難以達(dá)到理想的效果。

解決方案

根據(jù)以上存在的問題以及對(duì)儀表性能提高的要求，在對(duì)原有儀表進(jìn)行較仔細(xì)地分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前儀表設(shè)計(jì)、改進(jìn)的潮流方向以及單片機(jī)系統(tǒng)在儀表中的廣泛應(yīng)用。我們對(duì)儀表在設(shè)計(jì)理念和方法上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機(jī)對(duì)儀表電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。引入了模擬 + 數(shù)字放大技術(shù)；數(shù)字本底調(diào)整技術(shù)和溫度數(shù)字校正技術(shù)。應(yīng)用上述原理設(shè)計(jì)出的儀器經(jīng)廠家生產(chǎn)和用戶試用，基本上達(dá)到了生產(chǎn)工藝簡單，使用性能穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述如下：

一. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

在考慮應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)儀表系統(tǒng)時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問題：（1）傳感器信號(hào)的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號(hào)的輸入、調(diào)理和放大的功能。同時(shí)在電路的設(shè)計(jì)中還要兼顧放大倍數(shù)與放大器的穩(wěn)定性這兩方面的問題。（2）信號(hào)的變換，為了能將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。（3）數(shù)字放大和本底調(diào)整控制電路，在這一部分的電路設(shè)計(jì)中，考慮到原有儀表的結(jié)構(gòu)和用戶使用中的一般習(xí)慣，在這一部分的調(diào)整中仍然采用了使用電位器的模擬調(diào)整技術(shù)，只不過是將調(diào)整的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字校正處理。（4）顯示輸出電路，根據(jù)用戶要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號(hào)必須為模擬信號(hào)，所以這里采用了數(shù)字PWM輸出技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出。整個(gè)儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如（圖二）所示。由上述電路系統(tǒng)圖可以看出，在整個(gè)電路在對(duì)信號(hào)的處理過程中，需要完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節(jié)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到較高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的選型上，采用美國的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機(jī)。

圖二