基于C8051F350單片機的同位素測沙儀研制

作者　李德貴1 張廣海2 葉繁2 李蛟2 1.黃河水利委員會水文局(河南 鄭州 450004) 2.黃河水利委員會山東水文水資源局(山東 濟南 250100)

摘要：本文較為詳細地介紹了同位素測沙儀的原理、結構、組成與硬件電路，對部分軟件設計內容也作了介紹，闡述了測沙儀在黃河潼關水文站試驗應用情況及測沙儀的主要技術指標及特點，可為今后的進一步研究及應用打下基礎。

引言

　　河流含沙量測驗數據對于河流的輸沙計算、河道航運、水庫運行管理、引水灌溉、水資源開發(fā)利用等都是非常重要的，能夠正確、及時地測量出河流含沙量數值意義重大。傳統(tǒng)的河流含沙量測驗方法是采用取樣稱重法，其設備簡單，測量精度較高，但測量周期長、勞動強度比較大，實時性差。近年來，國內外科技人員一直在積極探求含沙量的在線監(jiān)測方法，如超聲法、紅外線法、激光法、振動法、同位素法等，這些方法各有其特點，但在實際應用中也都存在著一定的局限性，至今還很少有能應用于河流含沙量在線監(jiān)測的產品。利用同位素法測量河流含沙量多年前已有科技人員進行研究，該法測沙探測效率高、穩(wěn)定性好、測量范圍廣，達0.3～1000 kg/m3 ^[1]，在水流含沙量較大時測沙精度比較高。隨著科技、電子、計算機等技術的發(fā)展，為實現對河流含沙量的實時動態(tài)在線監(jiān)測，我們選241Am作為同位素放射源，用C8051F350單片機作為測沙儀的采集控制核心器件，設計了放射源的安全防護措施，研制出了新型的同位素測沙儀。

1 同位素測沙原理

　　241Am源 (即質量數為241的镅同位素放射源 ) ^[2]的半衰期是432.2年，其能量是59.53KeV，屬于低能γ射線源。同位素測沙儀就是利用γ射線穿過含沙水流時的衰減情況進行含沙量測量的，如圖1所示。圖1中放射源經過厚度為L的含沙水體后，進入γ射線探測器，水流中含沙量愈大，γ射線被泥沙吸收的愈多，進入γ射線探測器的射線就越少，經過變換，轉變成的電壓信號就會越小;反之，當水流含沙量小時，被泥沙吸收的少，最后γ射線探測器輸出的電壓信號則會相應變大。γ射線透射強度與含沙量呈一定關系變化，利用此原理即可通過測量γ射線探測器輸出電壓變化來計算出水流中的含沙量。

　　在圖1中，γ射線通過厚度為L的含沙水體時，γ射線探測器輸出電壓信號呈指數減弱，并由式(1)確定。若ρ為渾水密度，U_w為清水的輸出電壓，則含沙渾水的輸出電壓U為：

(1)

　　式中：μ_m為渾水質量吸收系數。

　　當測沙儀結構固定時，可利用渾水密度與含沙量的關系導出含沙量S的計算公式：

(2)

　　式中：k為斜率，只與純水和干沙的質量吸收系數、密度及渾水厚度有關。

　　利用式(2)中含沙量與輸出電壓的關系，繪出輸出電壓隨渾水含沙量的變化曲線，由曲線擬合出修正式(實際應用中用實測含沙量進行標定)。應用時，就可由輸出電壓推算出含沙量。

2 測沙儀結構

　　同位素測沙儀的整體結構設計成鉛魚的尾部形狀，見圖2，主要由電源及控制電路倉、放射源倉、γ射線檢測電路倉三部分組成。

　　在放射源倉內安裝 ²⁴¹Am放射源(本設計用50 mCi)，可電動及人工控制γ射線的發(fā)射與關閉。在γ射線檢測電路倉內是采用電離室檢測γ射線的，與放射源倉正對應面的γ射線檢測電路倉殼體材料采用新型鋁，對于γ射線來說相當于是個窗口，γ射線從源倉發(fā)射經過水體后進入電離室，在電離室內經γ射線檢測、信號放大、 電路變換后成直流電壓信號然后送至控制電路倉。在電源及控制電路倉內設計有 12V/8Ah鋰聚合物電池、水溫傳感器、單片機控制(含A/D轉換)、電源變換、數據傳輸接口等電路。

3 硬件電路設計

　　主要由單片機控制、測沙傳感器及檢測、水溫傳感器及檢測、接口、電源、測量工作指示等電路組成，圖3 同位素測沙儀硬件電路組成圖。

3.1 單片機控制電路

　　單片機控制采用美國Silicon Labs公司的C8051F350芯片完成，該芯片是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型 MCU，其主要功能有：51MCU內核(可達50 MIPS)全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調試接口(片內)，有8路24bit A/D，A/D轉換具有0.0015%非線性度，2路8bit D/A;8K字節(jié)FLASH程序存儲空間、768字節(jié)的內部RAM，可調增益放大器PGA(可編程達128倍)，可編程 16位計數器/定時器陣列(PCA)，片內上電復位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，內置時鐘、Watchdog、UART、SPI及SMBus接口等豐富的片上資源。

3.2 測沙傳感器及檢測電路

　　含沙量測驗是本儀器設計重點，其原理圖如圖4 所示，由前置放大和電壓跟隨器組成。運放采用美國模擬器件公司(Analog Devices)的高精度、低漂移、低功耗集成電路，由于要保證在測驗含沙量范圍內的線性及精度，所以運放的供電采用正、負12V直流電壓，輸出V1O送單片機的A/D。

3.3 水溫傳感器及檢測電路

　　設計檢測水溫的變化范圍為-5～45℃，精確檢測水溫模擬信號也是整個儀器的重點，其檢測電路如圖5 所示。選用鉑電阻 PT1000作為測水溫的傳感器，為了減小傳感器導線電阻帶來的附加誤差，采用三線制接法。傳感器供電采用LM134、R01、R1、D1組成的無溫漂恒流源。電流流經鉑電阻后的電壓信號由高精度、低功耗、低噪聲、低漂移、寬帶運放U1B線性放大，再經 U1A濾波輸出V0，然后送單片機的A/D。

3.4 數據傳輸接口電路

　　測沙儀測量數據主要為：γ射線衰減檢測數據，結果為0.00000～10.0000V直流電壓，對應含沙量1200～0 kg/m³;水溫測量數據，結果為0.00000～2.50000V 直流電壓，對應水溫-5～45℃;電路芯片溫度，結果為0.00000～2.50000V直流電壓，對應溫度為-10～70℃。上述三種測量數據將由單片機實時通過RS485接口傳送至PC便攜機，進行含沙量的計算。RS485接口電路由美國德州儀器生產的SN65HVD12D芯片實現，可遠距離傳輸數據。

3.5 電源電路設計

　　測沙儀工作的電源由12V鋰電池供給，為了實現儀器的低功耗、穩(wěn)定、可靠運行，工作電路中所用的電源VDD(5.0V)、VCC(3.3V)用MIC5236電源變換穩(wěn)壓芯片實現，基準電壓VREF(2.500V)用MAX6325ESA芯片實現，γ射線檢測、信號放大電路中所用負12V由K7812-1000電源轉換芯片實現，蓄電池容量按連續(xù)48小時工作時間設計為12V/8Ah鋰電。

4 測沙儀軟件設計

　　軟件設計關乎到測沙儀工作的穩(wěn)定性、可靠性以及測量含沙量的精度，本測沙儀的軟件由單片機測量控制軟件和PC機軟件兩大部分組成。測沙儀的工作模式有三種：工作、休眠、關機，其模式由PC指令控制。單片機測量控制軟件有主程序和部分子程序組成，測量控制軟件的主程序框圖見圖6。其子程序主要有放射源位置檢測與控制、水溫測量、芯片溫度檢測、測量數據處理、數據傳送等。其中主程序的初始化包括系統(tǒng)時鐘、看門狗、A/D、測量參數、有關計時計數單元、I/O 端口、外設的配置等。在工作模式狀態(tài)，由于水流存在脈動，設計每次含沙量、水溫測量的時間為2分鐘，所以軟件設計時采用在2分鐘內每2s取樣一次，共取樣60次;在測量數據處理子程序中對60組數據進行排隊，去高低各5組數，用50組數平均得含沙量、水溫測量值作為一次測量結果;然后調用數據傳送子程序，向PC機傳送;芯片溫度每10分鐘(分鐘末位為0時)向PC機 傳送一次。在休眠中，放射源位置保持，除接受指令處以待命外，其余電路全休眠。當測沙儀接到關機指令則關閉放射源，檢測到位后整機電源關閉。當測沙儀上電或復位時都會自動運行主程序，有關子程序限于篇幅不再敘述了。

　　含沙量的計算工作由PC便攜機完成，當PC機接收到測沙傳感器、水溫、芯片溫度等電壓數據后，根據已經率定好的相關模型，由PC機程序用完善的圖表實時的顯示出含沙量測量結果。

5 試驗應用情況

　　2014年10月24日至2014年11月8日在黃河潼關水文站對所研制儀器進行了16天時間的試驗。試驗主要內容為同位素本底測試、清水溫度曲線率定、室內水槽測沙試驗、河道現場試驗、儀器輻射防護檢測等。在潼關水文站用上海仁日輻射防護設備有限公司生產的REN 500A型智能化X、γ射線輻射儀在空氣中檢測，潼關水文站周圍環(huán)境的本底輻射值是0.1μSv/h，屬天然正常水平，在關閉放射源后對測沙儀周圍檢測，輻射本底水平沒有增加，完全沒有輻射泄漏。對測沙儀的清水溫度曲線率定、室內水槽測沙試驗曲線率定關系如圖7、圖8所示。從試驗資料分析推算同位素測沙儀測量含沙量在3kg/m³以上時，誤差在3%以內。在含沙量3kg/m³以下時，誤差較大，有3%～10%。在潼關水文站進行了兩次河道含沙量現場測驗，人工用橫式采樣器取樣、傳統(tǒng)方法處理得含沙量，測沙儀直接讀數，分別進行了18、32組比測試驗，因河流含沙量較小分別為1.96kg/m³、3.00kg/m³，誤差則較大分別為4.94%、4.14%。

　　從整體試驗來說，同位素測沙儀在輻射防護、測沙精度、測沙范圍、檢測效率、儀器穩(wěn)定性方面均可滿足河流含沙量測驗要求。

　　參考文獻：

　　[1]劉雨人.同位素測沙[M].北京:水利出版社,1992,4:145-146.

　　[2]李景修,李黎,李英杰,等.核子測沙試驗研究[J].人民黃河,2008(10):12-13,23.

　　[3]李德貴,羅珺,陳莉紅,等.河流含沙量在線測驗技術對比研究[J].人民黃河,2014(10):16-19.

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第8期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。