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(jié)構(gòu)、組成與硬件電路，對部分軟件設(shè)計內(nèi)容也作了介紹，闡述了測沙儀在黃河潼關(guān)水文站試驗應(yīng)用情況及測沙儀的主要技術(shù)指標及特點，可為今后的進一步研究及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

引言

　　河流含沙量測驗數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)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(nèi)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(yīng)用中也都存在著一定的局限性，至今還很少有能應(yīng)用于河流含沙量在線監(jiān)測的產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)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(shè)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(zhì)量數(shù)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(jīng)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(jīng)過變換，轉(zhuǎn)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(yīng)變大。γ射線透射強度與含沙量呈一定關(guān)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(shù)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(zhì)量吸收系數(shù)。

　　當測沙儀結(jié)構(gòu)固定時，可利用渾水密度與含沙量的關(guān)系導(dǎo)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(zhì)量吸收系數(shù)、密度及渾水厚度有關(guān)。

　　利用式(2)中含沙量與輸出電壓的關(guān)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(yīng)用中用實測含沙量進行標定)。應(yīng)用時，就可由輸出電壓推算出含沙量。

2 測沙儀結(jié)構(gòu)

　　同位素測沙儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)安裝 ²⁴¹Am放射源(本設(shè)計用50 mCi)，可電動及人工控制γ射線的發(fā)射與關(guān)閉。在γ射線檢測電路倉內(nèi)是采用電離室檢測γ射線的，與放射源倉正對應(yīng)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(jīng)過水體后進入電離室，在電離室內(nèi)經(jīng)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(nèi)設(shè)計有 12V/8Ah鋰聚合物電池、水溫傳感器、單片機控制(含A/D轉(zhuǎn)換)、電源變換、數(shù)據(jù)傳輸接口等電路。

3 硬件電路設(shè)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(nèi)核(可達50 MIPS)全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，有8路24bit A/D，A/D轉(zhuǎn)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(nèi)部RAM，可調(diào)增益放大器PGA(可編程達128倍)，可編程 16位計數(shù)器/定時器陣列(PCA)，片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，內(nèi)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(shè)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(nèi)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(shè)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(dǎo)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(jīng)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(jīng) U1A濾波輸出V0，然后送單片機的A/D。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸接口電路

　　測沙儀測量數(shù)據(jù)主要為：γ射線衰減檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果為0.00000～10.0000V直流電壓，對應(yīng)含沙量1200～0 kg/m³;水溫測量數(shù)據(jù)，結(jié)果為0.00000～2.50000V 直流電壓，對應(yīng)水溫-5～45℃;電路芯片溫度，結(jié)果為0.00000～2.50000V直流電壓，對應(yīng)溫度為-10～70℃。上述三種測量數(shù)據(jù)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(chǎn)的SN65HVD12D芯片實現(xiàn)，可遠距離傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 電源電路設(shè)計

　　測沙儀工作的電源由12V鋰電池供給，為了實現(xiàn)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(xiàn)，基準電壓VREF(2.500V)用MAX6325ESA芯片實現(xiàn)，γ射線檢測、信號放大電路中所用負12V由K7812-1000電源轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)，蓄電池容量按連續(xù)48小時工作時間設(shè)計為12V/8Ah鋰電。

4 測沙儀軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計關(guān)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(guān)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(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(shù)、有關(guān)計時計數(shù)單元、I/O 端口、外設(shè)的配置等。在工作模式狀態(tài)，由于水流存在脈動，設(shè)計每次含沙量、水溫測量的時間為2分鐘，所以軟件設(shè)計時采用在2分鐘內(nèi)每2s取樣一次，共取樣60次;在測量數(shù)據(jù)處理子程序中對60組數(shù)據(jù)進行排隊，去高低各5組數(shù)，用50組數(shù)平均得含沙量、水溫測量值作為一次測量結(jié)果;然后調(diào)用數(shù)據(jù)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(guān)機指令則關(guān)閉放射源，檢測到位后整機電源關(guān)閉。當測沙儀上電或復(fù)位時都會自動運行主程序，有關(guān)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(shù)據(jù)后，根據(jù)已經(jīng)率定好的相關(guān)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(jié)果。

5 試驗應(yīng)用情況

　　2014年10月24日至2014年11月8日在黃河潼關(guān)水文站對所研制儀器進行了16天時間的試驗。試驗主要內(nèi)容為同位素本底測試、清水溫度曲線率定、室內(nèi)水槽測沙試驗、河道現(xiàn)場試驗、儀器輻射防護檢測等。在潼關(guān)水文站用上海仁日輻射防護設(shè)備有限公司生產(chǎn)的REN 500A型智能化X、γ射線輻射儀在空氣中檢測，潼關(guān)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(guān)閉放射源后對測沙儀周圍檢測，輻射本底水平?jīng)]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(nèi)水槽測沙試驗曲線率定關(guān)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(nèi)。在含沙量3kg/m³以下時，誤差較大，有3%～10%。在潼關(guān)水文站進行了兩次河道含沙量現(xiàn)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(shù)，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(shù)對比研究[J].人民黃河,2014(10):16-19.

　　本文來源于《電子產(chǎn)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。