使用 MSP430F133 單片機改造老式測量儀表

概述

在核污染的環境評測中，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數的方法，在這類方法中使用光電倍增管或使用計數管對核輻射脈沖計數，通過計數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。這類儀表的系統結構如（圖一）所示。

圖一

存在的問題

在廠家多年生產這種類型儀表的生產實踐中，發現使用該方法生產的儀表，存在以下的問題：

[1] 在積分放大電路中由于積分常數較大，而且電容的品質對儀表參數影響甚大，因此為了得到較穩定的積分電路性能，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。這時，電阻的阻值將高達1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應用大大地提高了儀表生產的工藝難度和使用時受環境影響的程度。

[2] 作為影響儀表性能的關鍵探測部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數大大地影響整個儀器的性能。在影響探頭的諸多參數中，起關鍵作用的參數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，將會使儀器的本底降不下來，從而使成為不合格產品。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。這時若設計的放大器倍數過大，將會產生兩種后果：a）過大的放大倍數，將影響放大器的穩定性。b)使用電路設計上的限制，有時電路的放大倍數難以達到設計要求。

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

解決方案

根據以上存在的問題以及對儀表性能提高的要求，在對原有儀表進行較仔細地分析的基礎上，根據目前儀表設計、改進的潮流方向以及單片機系統在儀表中的廣泛應用。我們對儀表在設計理念和方法上進行了大膽的創新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機對儀表電路結構進行了重新設計。引入了模擬 + 數字放大技術；數字本底調整技術和溫度數字校正技術。應用上述原理設計出的儀器經廠家生產和用戶試用，基本上達到了生產工藝簡單，使用性能穩定的設計目的。整個系統的結構描述如下：

一. 系統結構：

在考慮應用單片機設計儀表系統時，必須解決好以下幾個方面的問題：（1）傳感器信號的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號的輸入、調理和放大的功能。同時在電路的設計中還要兼顧放大倍數與放大器的穩定性這兩方面的問題。（2）信號的變換，為了能將信號輸入單片機進行信號的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號變換為數字信號。（3）數字放大和本底調整控制電路，在這一部分的電路設計中，考慮到原有儀表的結構和用戶使用中的一般習慣，在這一部分的調整中仍然采用了使用電位器的模擬調整技術，只不過是將調整的模擬信號經A/D轉換后輸入到單片機中進行數字校正處理。（4）顯示輸出電路，根據用戶要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號必須為模擬信號，所以這里采用了數字PWM輸出技術，將數字信號轉變為模擬信號輸出。整個儀表系統的結構圖如（圖二）所示。由上述電路系統圖可以看出，在整個電路在對信號的處理過程中，需要完成A/D轉換，數字處理和模擬輸出這幾個環節。為了使整個系統的穩定性達到較高的水平，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公司生產的MSP430F133單片機。

圖二