堆中子活化自動(dòng)輻照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2008-03-27
作者:沈 立1,2, 倪邦發(fā)2, 王平
摘 要:針對反應(yīng)堆中子活化分析中樣品輻照控制存在的問題,設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)輻照控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以P89C669單片機(jī)為核心,通過控制氣動(dòng)裝置傳輸待輻照的樣品進(jìn)出反應(yīng)堆,配合光電檢測" title="光電檢測">光電檢測模塊,以精確控制樣品的輻照參數(shù);并且通過串行接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)樣品輻照測量一體化控制。經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
關(guān)鍵詞: P89C669 光電檢測模塊 串行通信" title="串行通信">串行通信 自動(dòng)輻照
反應(yīng)堆中子活化分析(ReNAA)是一種非常重要的核分析技術(shù),在微量和恒量元素分析中占有重要地位[1]。在ReNAA中,利用反應(yīng)堆中子轟擊待分析的樣品是關(guān)鍵的一步。因此,待分析樣品在反應(yīng)堆中輻照傳送系統(tǒng)也成了相關(guān)人員研究的重點(diǎn)[2]。為了進(jìn)一步提高活化分析的安全性、準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)樣品輻照、冷卻、測量一體化控制,以及為了分析更短壽命核素,從實(shí)用化、低成本的角度出發(fā),設(shè)計(jì)和建造了一套新型的基于P89C669單片機(jī)的反應(yīng)堆中子活化自動(dòng)輻照控制裝置,實(shí)現(xiàn)了堆中子輻照測量的自動(dòng)控制。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
系統(tǒng)采用PHILIPS單片機(jī)P89C669作為核心。P89C669是基于PHILIPS半導(dǎo)體新51MX內(nèi)核的首類Flash微控制器的代表。51MX(存儲(chǔ)器擴(kuò)展)內(nèi)核是一種加速的80C51結(jié)構(gòu),與51系列兼容,指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)的80C51器件(時(shí)鐘晶振最高達(dá)24MHz)的兩倍。除標(biāo)準(zhǔn)51系列功能外,該芯片具備如下主要特點(diǎn):96KB的Flash 程序存儲(chǔ)器(支持并行編程、在系統(tǒng)編程ISP、在應(yīng)用編程IAP)、2KB的數(shù)據(jù)SRAM、1個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)、2個(gè)增強(qiáng)型UART等[3]。
系統(tǒng)框圖如圖1所示,由氣動(dòng)裝置、光電檢測、人機(jī)接口等幾個(gè)模塊組成。其中,氣動(dòng)裝置用于輸送樣品進(jìn)出反應(yīng)堆;光電檢測模塊用于檢測樣品進(jìn)、出反應(yīng)堆的狀態(tài)。其工作過程為:計(jì)算機(jī)或單片機(jī)輸入輻照參數(shù),啟動(dòng)氣動(dòng)裝置的控制閥門,送樣品進(jìn)入反應(yīng)堆,當(dāng)在管道內(nèi)快速運(yùn)行的樣品通過安裝在反應(yīng)堆水平孔道入口處的傳感器時(shí),傳感器模塊檢測輸出一個(gè)低電平信號觸發(fā)單片機(jī)外部中斷" title="外部中斷">外部中斷,使定時(shí)器開始樣品輻照倒計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間到,打開控制樣品離開反應(yīng)堆的閥門,使氣流換向閥門工作,樣品出堆。當(dāng)樣品離開反應(yīng)堆時(shí),單片機(jī)開始對該樣品的冷卻時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí),直到該樣品開始γ能譜測量,同時(shí)間隔一段時(shí)間送下一個(gè)樣品進(jìn)入反應(yīng)堆照射。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行主控制,自動(dòng)保存樣品進(jìn)入反應(yīng)堆和離開反應(yīng)堆的時(shí)刻以及冷卻時(shí)間。
1.1 氣動(dòng)裝置控制模塊
本模塊是樣品進(jìn)出反應(yīng)堆的核心。采用壓力可調(diào)的空氣壓縮機(jī)作為氣源,4kg/cm2的壓力作為樣品(樣品是裝在一個(gè)特制的小盒子里面,稱為“跑兔”)在傳送管道中來回傳送的動(dòng)力,氣源送氣和氣流換向由電磁閥來實(shí)現(xiàn),然后通過聚乙烯管通向反應(yīng)堆堆芯。為了實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)輻照完成一系列的機(jī)械動(dòng)作,設(shè)計(jì)了六個(gè)電磁閥,使之通過按照一定的氣流送氣和換向使“跑兔”排隊(duì)進(jìn)、出反應(yīng)堆。六個(gè)電磁閥用單片機(jī)控制,單個(gè)電磁閥控制電路如圖2所示。單片機(jī)選通譯碼器74LS138的Y1~Y6,用于控制繼電器的工作狀態(tài),例如當(dāng)選通Y3時(shí),信號經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器7407和光電隔離器TLP521-2來控制繼電器, 繼而控制電磁閥,實(shí)現(xiàn)氣流換向。此控制電路中的光耦隔離增加了系統(tǒng)的抗干擾性能,也起到保護(hù)作用。
1.2 光電檢測模塊
光電傳感器" title="光電傳感器">光電傳感器是采用光電元件作為檢測的元件,首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓?,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,體積小[4]。
在本系統(tǒng)中,準(zhǔn)確檢測到在管道中來回跑動(dòng)的“跑兔”是控制的基礎(chǔ)。根據(jù)反應(yīng)堆樣品輻照的特殊性,所設(shè)計(jì)的“跑兔”是長為4cm、外徑為1.8cm的不透明的使用聚酰亞胺材料制成的圓柱形盒;管道是內(nèi)直徑為2.0cm的聚乙烯管道,為半透明;“跑兔”在管道中運(yùn)行的最大速度約為30m/s。因此可以計(jì)算出傳感器至少需要1.33ms的響應(yīng)時(shí)間,才能檢測到在管道中運(yùn)行的“跑兔”??紤]多種因素,選用了韓國Autonics公司生產(chǎn)的型號為BUD-30S的光電傳感器,此傳感器探測距離為30mm,可探測直徑不小于1.5mm的不透明物體,響應(yīng)時(shí)間最大為1ms,并且靈敏度可以調(diào)整。BUD-30S的控制輸出線路如圖3所示。
在實(shí)際中,使用了四個(gè)光電檢測,其中一個(gè)安裝在反應(yīng)堆水平孔道入口,用單片機(jī)外部中斷0檢測,用于判斷“跑兔”是進(jìn)堆還是離堆;另外三個(gè)分別安裝在傳送管道各關(guān)鍵位置,單片機(jī)用查詢方式檢測“跑兔”在管道中運(yùn)行的狀態(tài)。安裝在反應(yīng)堆水平孔道入口的傳感器檢測電路如圖4所示。
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1.3 人機(jī)接口設(shè)備
單片機(jī)的外圍接口設(shè)備主要包括鍵盤、LCD、串口" title="串口">串口電路等。鍵盤采用標(biāo)準(zhǔn)4×4鍵盤,分別表示0~9(數(shù)字鍵)、F1~F3 (功能鍵)和F4~F6(閥門組合鍵),與點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊VP2001配合實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話,用戶通過界面的提示實(shí)現(xiàn)輻照參數(shù)設(shè)置、輻照時(shí)間和冷卻時(shí)間動(dòng)態(tài)顯示、“跑兔”位置查詢等功能。VP2001與單片機(jī)采用直接連接的硬件方法, 即將液晶顯示模塊的接口作為存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備直接掛在計(jì)算機(jī)總線上,計(jì)算機(jī)以訪問存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的方式控制液晶顯示模塊的工作。
與PC機(jī)通信采用RS-232串口通信。微機(jī)串口通常采用RS-232電平,而單片機(jī)串口是TTL或CMOS電平,二者不兼容。所以,接口必須做電平轉(zhuǎn)換處理。在此,采用的是MAXIM公司的MAX232。單片機(jī)串行口的TXD、RXD 和GND經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后分別與微機(jī)的RXD、TXD和SG端相連。
2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要由主程序模塊、外部中斷模塊、串行通信程序等部分組成。在此主要介紹外部中斷模塊和計(jì)算機(jī)串口控制軟件的設(shè)計(jì)。
2.1外部中斷程序設(shè)計(jì)
外部中斷0程序用于判斷“跑兔”是進(jìn)入反應(yīng)堆還是離開反應(yīng)堆,再根據(jù)這個(gè)判斷啟動(dòng)相應(yīng)的定時(shí)控制程序。其流程圖如圖5所示。
2.2 計(jì)算機(jī)串口程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)串行通信程序包括兩方面:P89C669單片機(jī)的通信程序和PC機(jī)的通信程序。計(jì)算機(jī)作為自動(dòng)控制的終端,要向單片機(jī)傳送輻照參數(shù)以及樣品λ能譜測量的消息等;單片機(jī)則要向計(jì)算機(jī)傳輸樣品在輻照過程中的信息,包括樣品的進(jìn)堆時(shí)刻、出堆時(shí)刻、樣品編號、樣品的冷卻時(shí)間等。在編寫程序之前,約定其通信協(xié)議如下:串行通信波特率為9600bps;PC機(jī)用串口1,P89C669用串口0(第1個(gè)串口);雙方均采用串行口方式1,1位停止位,8位數(shù)據(jù)位,無校驗(yàn)位;數(shù)據(jù)的通信采用累加和校驗(yàn)的方法,每傳送一組數(shù)據(jù),校驗(yàn)一次累加和是否正確,正確則回送00H,否則回送FFH;通信中,數(shù)據(jù)接收采用中斷方式,發(fā)送采用查詢方式。
利用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ň帉慞C機(jī)串口程序, 使用Visual C++6.0編程工具,用一個(gè)CSerialPort 類封裝了串口操作的相關(guān)函數(shù)和方法。CserialPort類是Remon Spekreijse 寫的一個(gè)串口類,是一個(gè)簡單而強(qiáng)大的多線程串口編程工具[5]。程序編寫步驟如下:
(1)首先利用MFC AppWizard(exe)建立一個(gè)MFC應(yīng)用程序。
(2)然后添加類文件。將SerialPort.h 和SerialPort.cpp 兩個(gè)類文件復(fù)制到工程文件夾中,用Project-Add to Project-Files命令將上述兩個(gè)文件加入工程。并在NAADlg. h中將頭文件SerialPort.h 說明: #include“SerialPort.h”。
(3)進(jìn)行串口初始化。調(diào)用初始化函數(shù)InitPort( )和串口通信監(jiān)測線程函數(shù)StartMonitoring( )。
(4)通過串口發(fā)送字符調(diào)用函數(shù)WriteToPort( )。
(5)在NAADlg.cpp中人工加入函數(shù),實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收。人工增加串口消息響應(yīng)函數(shù): NAACOMM (WPARAM ch,LPARAM port),每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個(gè)字符時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) WM_COMM_RXCHAR 消息,所以可以添加WM_COMM_RXCHAR消息(串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個(gè)字符)的響應(yīng)函數(shù):NAACOMM(WPARAM ch,LPARAM port),讀入接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)特點(diǎn)及結(jié)論
3.1 特點(diǎn)
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,安全可靠,工作人員可以遠(yuǎn)離帶有輻射的樣品,在計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行控制,避免了放射性,同時(shí)也可在樣品操作室用鍵盤配合LCD進(jìn)行控制和處理。計(jì)算機(jī)串口軟件控制運(yùn)行界面如圖6所示。
3.2 結(jié)論
輻照控制系統(tǒng)采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成二級控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對樣品輻照參數(shù)的精確控制,實(shí)現(xiàn)了一體化的操作,克服了此類系統(tǒng)一般必須現(xiàn)場手動(dòng)操作等確定的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過測試,能與高分辨率的一體化譜儀聯(lián)合進(jìn)行樣品的自動(dòng)輻照測量,并且運(yùn)行基本穩(wěn)定可靠,能滿足實(shí)際堆中子活化核素分析的要求。
參考文獻(xiàn)
1丁大釗,葉春堂,趙克祥.中子物理學(xué)·原理方法與應(yīng)用[M].北京:原子能出版社,2001
2 申新卯,朱善根,張樹莘.堆中子活化分析用的自動(dòng)輻照裝置[J].第一次全國活化分析會(huì)議資料選編.北京:原子能出版社,1981:249~153
3 PHILIPS公司.P89C669_manual_en.http://www.philips.com, 2003
4 何 勇.光電傳感器及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004
5 龔建偉,熊光明. Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2004