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反应堆样品照射控制装置系统设计
225 单片机 传感器
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1  引  言   

由于计算机的快速发展,中子活化分析已趋于完全自动化方式,各种类型的自动输送系统迅速建立,这些系统的特点是快速、可靠、时间控制精度高、与计算机连接可实现软件程序控制,进一步提高了活化分析的安全性,减少对人的辐射,并且在分析短寿命核素工作中已起到了关键性的作用。反应堆中被照射样品的快速输送系统是一种自动检测装置,系统可利用单片机强大的控制功能和计算机进行连接,完成样品输送、辐照、测量的一体化和自动化,实现对样品的进、出堆控制,计算样品在反应堆里的照射时间和出堆时刻以及出堆后的冷却时间,最终实现对样品进行适时、准确的测量和分析。




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2019-7-17 07:27:42   评论 分享淘帖 邀请回答
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2  总体设计

反应堆样品的自动快速输送系统,主要由单片机控制的照射系统和气动装置组成。中子活化自动照射系统主要完成对“样品”进出堆的检测,对照射倒计时控制以及“样品”的冷却时间计时;气动装置通过单片机实现对管道阀门的控制,PC机通过串行口完成上位机与单片机通信,并与一体化测量软件相结合,使之实现计算机控制单片机系统的运行。

本文重点介绍自动照射系统中的传感器检测和单片机的硬件电路设计。系统工作流程简述如下:首先输入辐照参数,然后由单片机控制打开用于控制样品进入反应堆的阀门,送样品入堆,当在管道内快速运行的样品通过安装在反应堆堆口的传感器时,传感器输出一个驱动电平信号触发单片机外部中断,使定时器开始计时,记录样品辐照的时间。当计时时间到,打开反应堆的出口阀门控制样品离开;当样品离开反应堆时,同样由安装在反应堆堆口的传感器触发单片机外部中断,使单片机开始对该样品的冷却时间进行计时,直到该样品开始进行测量,同时开始对下一个样品进入反应堆照射的间隔时间进行计时。当照射好的样品开始进行测量时,计算机向单片机传输该样品开始进行测量的信号,这时单片机立刻计算出该样品的冷却时间。当样品结束测量时,计算机向单片机传输一个信号,表明该样品已经结束测量。

    单片机硬件电路主要完成检测样品进入和离开反应堆的状态、精确控制样品的照射时间(从样品进入反应堆瞬间开始到出堆瞬间结束)和计算样品的冷却时间(从样品出反应堆瞬间开始到此样品开始测量)。从键盘输入辐照参数,并由LCD显示器显示测量时间、照射时间、冷却时间,系统可以通过计算机进行通信和控制。整个过程中只需要输入照射时间、上一个样品出堆与下一个样品进堆的间隔时间,然后点击开始照射的开关,其他应自动完成,从而真正实现样品的自动化快速输送、辐照过程。其中要求处理器要有较强的数据处理能力,同时能够配合外部设备协调工作。设备系统结构如图1所示,图2为单片机控制系统总体设计原理框图。
2019-7-17 15:31:07 评论

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3  硬件电路设计

设计中选用PHILIPS公司生产的P89C669单片机。该芯片采用51内核结构,具有两个串行通讯口、在系统编程(ISP)功能以及96K的程序存储器。重要的是它可以利用ROM中的默认串行装载程序通过UART来实现ISP的功能,ISP(in system program),允许用户在微控制器正在使用时下载新的代码,计算机只需要安装PHILIPS公司提供的程序下载软件,即可实现程序下载功能,使用ISP功能可以实现在系统中更新应用程序。进入ISP的前提是芯片的引导向量字为0FCH,表示ISP的人口地址为0FC00H。P89C669的TSP在系统编程功能由、TxD,RxD,VSS,Vcc,Vpp,PSEN完成。

设计要求检测模块准确无误地测到“样品”进入和离开反应堆的状念,这样才能给单片机提供可靠的中断触发信号,换言之,单片机只要求检测电路能够根据“样品”有无的动作输出“高/低”电平信号即可。受辐照的“样品”被装在一个圆柱体容器中,这个容器高约为3.8 cm,直径约为1.8 cm。“样品”在管道中的运行速度约30 m/s,由此可计算出传感器至少要1 ms的响应时间。能够实现这种要求的传感器有很多,比如光纤式传感器、光电式传感器等。传感器用于测量和控制系统时,它的性能好坏直接影响系统的性能。红外光电式传感器结构简单、成本低廉、精度和灵敏度上都能很好地达到实际要求,具有体积小、速度高、非接触测量、抗干扰能力强等优点,容易与TTL,MOS等电路连接,因此,设计中选择了透射式红外光电开关,实际探测距离为30 mm,被探测体要求直径不小于1.5 mm的不透明物体。光电检测电路原理如图3所示。传感器检测电路主要包括发射部分和接收部分,对于透射式的光电开关,它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时,会阻断光路,使接收元件接收不到来自发光元件的光线,接收器件会出现导通与截止的跳变,这个跳变具体表现为“高/低”电平变化,电平跳变直接由单片机的外部中断I/O口识别和判断,中断采用边沿触发方式,并执行相应的软件处理,判断有无物体通过以及它的运动方向。

系统装置共有6个阀门,分别用于进堆控制和出堆控制。在单片机控制电路上要求单片机留出6个I/O口作驱动,采用低电平触发方式。但阀门的工作电压为+12 V,而单片机的工作电压为+5 V,I/O口的最大灌入电流为20 mA,如果直接将阀门连接在单片机的I/O口上会对单片机产生干扰,可能烧坏单片机,为此在设计中采用光电耦合器件。光电耦合器件属于电流驱动器件,具有抗干扰能力强、共模抑制比高、不受磁场影响等优点。在单片机的I/O口加一驱动器DM7407,可提高单片机对光电耦合器的驱动电流,增强阀门控制信号的稳定性和可靠性。阀门控制电路如图4所示。

串行通讯接口主要完成两个功能,实现普通的串口数据通讯和完成单片机的在线编程功能。其中串口数据通讯主要是指测量终端(PC机)可查询样品的照射时间、冷却时间,完成计算机输人样品的照射时间和换样的间隔时间以及通过计算机控制系统开始送样等。P89C669两个串口都可作为串口的数据通讯使用,但是串口2不能用作程序下载。电路中电平转换芯片采用MAX232来实现。

单片机系统主要完成对样品送样和出样的自动控制以及对样品辐照和冷却的时间进行精确计时控制。样品经过传感器进入反应堆开始照射时,单片机得到一个中断信号开始照射计时,照射结束后即刻打开出样阀门,该样品第二次经过传感器时产生一个中断信号,系统立刻开始对该样品进行冷却计时,直到对该样品进行测量为止。这个过程涉及到对进、出两个中断信号的检测和识别,即是进堆还是出堆。

程序设计主要包括对三个软件计时器进行选择,并对其空闲状态和工作状态的判断,这里由于篇幅限制不作详细叙述。
2019-7-17 15:31:14 评论

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4  结  论

系统经过调试运行良好,工作稳定。现场样品经过传感器产生进样的巾断信号,触发照射计时;当样品照射完成准备退出反应堆时LED灯(或蜂鸣器)被触发,表示样品已完成照射,样品可离开反应堆;控制装置打开出样阀门,样品经过传感器时产生退出样品的中断信号,触发冷却计时。系统所有器件同时工作时,测得流过单片机系统电路板的总电流约为78 mA,电路总的功耗约为 390mW。

设计系统的实现证明,基于P89C66X单片机的自动检测系统运行可靠,抗干扰能力强,可以较好完成样品的自动、快速输送和检测要求,实现了人-机间对话功能,从而进一步提高中子活化分析的安全性,减少或避免样品对人体的辐射。系统的时间控制精度较高,在分析短寿命核素工作中也可起到重要作用。

系统设计进一步改进,可直接采用USB作为串口的扩展,能节省更多的系统资源,使用更加方便。
2019-7-17 15:31:16 评论

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