Курсовая работа: Цифровой дозиметр

Эффективность пропорциональных счетчиков выше, чем у ионизационных камер (в связи с наличием газового усиления), и в разных случаях составляет от долей до 100%. Эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера от 2% (для a-частиц) до 100% для быстрых заряженных частиц. Время запаздывания для пропорциональных счетчиков от 0,1 до 2 мкс, а для счетчиков Гейгера - Мюллера - от 0,1 до 0,6 мкс.

Амплитуда выходного импульса, В, на пропорциональном счетчике примерно. в 100 раз больше амплитуды выходного сигнала ионизационной камеры.

Формы выходных сигналов цилиндрического пропорционального д самогасящегося счетчиков приведены на рис.2. Диапазон измеряемых энергий от сотен эВ до десятков МэВ.

Рис. 7. Формы выходных сигналов цилиндрического пропорционального (д) и самогасящегося (б) счетчиков

Если использовать газоразрядный счетчик в режиме коронного (искрового) разряда, то получим коронный (искровой) счетчик ионизирующих части.

4. Разработка и обоснование структурной схемы прибора

В состав дозиметра входят следующие основные устройства:

Блок питания - преобразует напряжение сети в напряжение необходимое для питания блоков дозиметра.

Газоразрядный датчик - предназначенная для измерения скорости пролетания заряженных частиц.

Цифровое измерительно - управляющее устройство выполняет функции измерения выходного сигнала газоразрядного датчика и преобразование его в форму, удобную для дальнейшей обработки или управления исполнительными механизмами.

К периферийному оборудованию дозиметра относятся дистанционные индикаторные табло, регистрирующие устройства, дисплеи и т.д. .

Периферийное оборудование соединяется с ЦИУУ посредством кабельных линий связи.

Работой аппарата должна управлять микропроцессорная система - представляющая собой функционально завершенное устройство обработки и отображения данных. В состав системы входят схемы сопряжения входов и выходов микропроцессора с цепями аппарата. Она осуществляет обработку сигналов с панели управления и с контрольных датчиков аппарата, управление аппаратом по заданной программе, цифровую и световую индикацию работы.

Память - предназначена для хранения программ и данных.

Структурная схема прибора для измерения давления показана на рис.1.

Рис.1

5. Расчет параметров узлов преобразующих сигнал

С датчика прибора будет подаваться напряжение 100

20*lg (100%/1%) =40 Дб

Определяем разрядность АЦП для счётчика:

NАЦП>] log2 (100%/1%) =8

Выбранное нами из справочника АЦП является микросхема К1107ПВ2. Ее изображение представлено на рисунке 3:

Рис.3

5. Выбор системы обработки информации и ее вывода

Исходя из требуемой точности и максимальным значением измеряемой дозы, можно вынести заключения о том, что количества разрядов индикации будет равно 4. Пользователь будет управлять работой аппарата для измерения дозы четырьмя кнопками:

1) Кнопка сброс;

2) Кнопка измерения;

3) Кнопка диапазон;

4) Кнопка контроль;

При нажатии кнопки сброс, происходит сброс информации находящейся в памяти, очищаются все рабочие переменные и прибор переходит в первоначальное рабочее состояние.

При нажатии кнопки измерения происходит измерение и запоминание дозы излучения.

При нажатии кнопки диапазон высвечивание существующих диапазонов на табло.

При нажатии кнопки контроль происходит самоконтроль всех узлов прибора.

Теперь необходимо выбрать разрядность МП. Так как прибор являются не особо критичным к быстродействию управляющего устройства, и алгоритм обработки и отображения не требует наличие больших вычислительных ресурсов, а также учитывая разрядность АЦП, выбираем 8 - ми разрядное устройство.

В настоящее время существует огромный выбор 8 - ми разрядных МП и МК (ОМЭВМ). Как правило, МК представляет собой законченную микросистему с гибкой архитектурой и возможностью легкого наращивания дополнительных средств. Использования однокристального МК позволяет в значительной степени сократить затраты на построение системы различного назначения и уровня сложности так как различные части микросистемы уже интегрированы. Это центральный процессор, память, подсистема ввода - вывода, средства счета времени, логика прерывания. Таким образом остановим выбор на ОМЭВМ 1816ВЕ51.

Характеристики МК 1816ВЕ51:

Память программ - 4К.

Память данных - 128 байт.

Число линий ввода - вывода - 32.

Два 16-ти разрядных таймера.

Рассмотрим структурную схему МК 1816ВЕ51:

В основу архитектуры МК 1816ВЕ51 положена организация гарвардского типа, ориентированная на интенсивное использование двух банков рабочих регистров и операций ввода - вывода. В состав однокристального МК 1816ВЕ51 входит 8 - ми разрядный ЦП, управляющее ПЗУ, внутреннее ОЗУ данных, 32 линии прямого ВВ, два или три 16 - ти разрядных таймера/счетчика и логика двухуровневой системы прерываний с пятью или шестью источниками запросов. Эти средства образуют резидентную часть МК, размещенную непосредственно на кристалле.

Гарвардский принцип организации вычислительной среды предусматривает разделения памяти для хранения программ и данных. Управляющая память допускает только операцию считывания, память данных доступна и для записи, и для считывания.

Память данных разбита на две полностью изолированные друг от друга 8 - ми разрядные линейные области с различными способами доступа к ним. Внутренняя память является областью интенсивного обращения и служит только для хранения данных, внешняя - дополнительным расширением пространства данных, и может быть с успехом использована для ВВ с отображением в память. Существует также возможность физического совмещения внешней памяти для организации единой области программ и данных, доступной как для операции чтения, так и записи. Так, при обращениях к внешней памяти порт Р0 выполняет роль совмещенной шины адреса/данных, а Р2 - шины старшей части адреса. Все выводы порта Р3 выполняют роль линий управления и специального ВВ.

Исходя из структурной схемы МК, порт Р0 функционально совмещен с внутренней шиной данных. Отсюда следует, что МК будет обмениваться с внешними периферийными устройствами через порт Р0.

Порт Р2 функционально совмещен со старшей 8 - ми разрядной внутренней шиной адреса МК. Будем использовать порт Р2 для адресации портов ввода - вывода.

Для работы МК требуется единственный источник питания +5В. Встроенный в схему генератор рассчитан на работу с кварцевым резонатором подключенным к выводам XTAL-1 и XTAL-2. Возможно также использование внешнего ГТИ с подачей тактовых импульсов на вход XTAL-1.

Вход RST служит для приведения МК в исходное состояние. Сигнал сброса воспринимается тогда, когда на входе RST удерживается напряжение высокого уровня более двух машинных циклов, при условии, что генератор запущен. В течении следующего машинного цикла формируется внутренний сигнал сброса, который повторяется до тех пор, пока вход RST активен.

Подсистема ВВ МК размещается непосредственно на кристалле. Для ВВ данных и управления процессом их передачи в состав МК введен ряд портов данных и регистров управления / состояния. Физическая система ВВ МК состоит из четырех двунаправленных 8 - ми разрядных портов Р0 - Р3. Каждый разряд этих портов отображается в адресном пространстве МК и образует битовое пространство ВВ. Порт Р0 функционально совмещён с внутренней шиной данных МК. Через этот порт реализуется обмен данными с внешними периферийными устройствами. Порт Р2 функционально используется как старший байт шины адреса.

Линии порта Р3 реализуют управление циклами обмена и другие специальные функции аппаратного уровня:

INT 0 - вход запроса на прерывание 0.

INT 1 - вход запроса на прерывание 1.

RD - строб чтения XSEG (внешней памяти данных).

WR - строб записи в XSEG.

Т0 - внешний вход таймера / счетчика 0.

Т1 - внешний вход таймера / счетчика 1.

RXD и TXD - выводы порта последовательного приемопередатчика.

INT 0 и INT 1 - служат для приема внешних запросов на прерывание. Они могут быть запрограммированы на срабатывание на срабатывание как по переходу из одного состояние в другое, так и по уровню входного сигнала, независимо друг от друга.

Графическое изображение МК представлено на рис.3.

Рис.3

Так как память программ и память данных интегрирована на кристалле контролера и их объема достаточно для решаемой задачи, то использования внешней памяти ненужно. Следовательно, остается реализовать подключения периферийных устройств - клавиатуры, индикаторов, и датчиков.

Клавиатура и индикаторы подключаются через контролер клавиатуры и индикаторов КР580ВВ79.

Микросхема КР580ВВ79 программируемое интерфейсное устройство, предназначено для ввода и вывода информации. Микросхема состоит из двух функционально автономных частей - клавиатурной и дисплейной.

Клавиатурная часть обеспечивает ввод информации в микросхему через линии возврата, а также ввод по стробирующему сигналу Для хранения вводимой информации в микросхеме предусмотрено ОЗУ емкостью 8 байт. При наличии информации в ОЗУ микросхема вырабатывает сигнал “запрос прерывания” INT.

В клавиатурной части микросхемы предусмотрен специальный режим обнаружения ошибок при замыкании двух и более клавиш, а также введена схема устранения дребезга при замыкании - размыкании клавиш.

Дисплейная часть микросхемы обеспечивает вывод информации по двум 4 - х разрядным каналам DSPA3 - DSPA0 и DSPB3 - DSPB0 в виде двоичного кода на 8 - ми и 16 - ти разрядные цифровые или алфавитно - цифровые дисплеи. Информация на дисплей может выводиться двумя способами: слева направо бес сдвига или справа на лево со сдвигом.

Микросхема позволяет отображать информацию на всех известных в настоящее время типах дисплеев (дисплеи накаливания, со светоизлучающими диодами…).

Микросхема допускает одновременное выполнение функций ввода - вывода и рассчитана по выводу INT на прямое подключение к шинам микропроцессоров. Применение микросхемы КР580ВВ79 в системах позволяет полностью освободить микропроцессор от операций сканирования клавиатуры и регенерации отображения на дисплее.

Схема управления вводом/выводом вырабатывает сигналы, которые управляют обменом информации с микропроцессором, а также внутренними пересылками данных и команд к различным регистрам.

Буферные схемы канала данных Д7 - Д0 предназначены для обмена информацией между микросхемой и микропроцессором.

Счетчик сканирования вырабатывает сигналы сканирования клавиатуры, матрицы датчиков и дисплея.

Оперативное запоминающее устройство отображения объемом 16 слов *8 разрядов можно организовать в сдвоенное ОЗУ объемом 16 слов * 4 разряда. ОЗУ отображения можно сбрасывать в 1,0 или шестнадцатеричное число 20 командой “Сброс".

Регистр адреса ОЗУ отображения предназначен для хранения адреса данных, которые в данный момент записываются или считываются микропроцессором.

Схема анализа состояния ОМ - ОЗУ датчиков предназначена для отображения состояния ОМ - ОЗУ датчиков, т.е. следит за числом символов, содержащихся в ОМ - ОЗУ датчиков, и за тем, является ли он полным или пустым.

Контролер индикации и клавиатуры имеет стандартный 8 - ми разрядный шинный интерфейс, который включает в себя 8 - ми разрядную двунаправленную шину данных, сигналы управления чтением записи, сигналы выбора кристалла и вход выбора режима. Выводы Д0 - Д7 контролера индикации и клавиатуры подключаются к шине данных основного контролера (1816ВЕ51). Соответствующие сигналы управления заводятся с портов Р0 и Р3. Информация для индикации заносятся в контролер КР580ВВ79, после чего начинается ее отображения. После того как будет нажата клавиша на клавиатуре, контролер КР580ВВ79 активизирует выход IRQ, что будет свидетельствовать нажатию клавиши. Этот вывод заводим на вход запроса прерывания основного контролера (порт Р3).

6. Рассмотрим функциональное назначение выводов микросхемы - контроллера клавиатуры и дисплея

МС состоит из двух автономных частей: клавиатурной и дисплейной.

Клавиатурная часть обеспечивает ввод информации в МС через “линии возврата” RET0 - RET7 с клавиатуры. Для хранения информации в МС предусмотрен обратный магазин - ОЗУ. При наличии информации в ОЗУ МС вырабатывает сигнал - запрос прерывания INT, а в случае ввода или чтения более восьми символов - сигналы переполнения или переопустошения.

Дисплейная часть МС обеспечивает ввод информации по двум 4 - х разрядным каналам DSPA3 - DSPA0 и DSPB3 - DSPB0 в виде двоичного кода.

Программирование режимов работы, запись информации в ОЗУ, чтение внутреннего состояния МС осуществляет через 8 - ми разрядный двунаправленный канал данных D0 - D7 при подаче соответствующих управляющих сигналов.

МС обеспечивает формирование кодированных или дешифрированных интерфейсных сигналов сканирования S3 - S0 клавиатуры и дисплея.

Наличие выходной линии запроса прерывания INT и режима чтения внутреннего состояния позволяет использовать данную МС в системах с прерыванием и последовательным опросом внешних устройств. МС допускает одновременное выполнение функций ввода / вывода и рассчитана по выводу INT на прямое подключение к шинам микропроцессоров.

Активный уровень на входе CS разрешает или запрещает работу контроллера с шиной. Активизация уровней на входах RD или WR определяет тип цикла обращения шины к МС (запись либо чтение).

Состояние на входе А0 определяет тип обмена: данные либо регистр состояния.

CLK - синхронизационный вход.

RES - вход начальной установки.

Графическое изображение контроллера клавиатуры и дисплея КР580ВВ79 представлено на рис.4.

Рис.4

Рабочая частота КР580ВВ79 составляет 2 МГц. Для общей синхронизации работы двух контроллеров необходимо использовать внешний генератор тактовых импульсов. В качестве такого генератора будем использовать микросхему КР580ГФ24. Этот генератор предназначен для совместной работы с микропроцессором КР580ВМ80А. Но благодаря наличию выхода синхросигнала с уровнями ТТЛ никто не мешает использовать генератор для синхронизации других схем. Выход тактового сигнала заводим на синхровход МК КР1816ВЕ51 XTAL1, CLK КР580ВВ79 и микросхем АЦП.

МС КР580ВА87 двунаправленный 8 - ми разрядный шинный формирователь, предназначенный для обмена данными между микропроцессором и системной шиной, обладает повышенной нагрузочной способностью. МС КР580ВА87 - формирователь с инверсией и тремя состояниями на выходе.

Назначение выводов МС КР580ВА87:

А0 - А7 - информационная шина.

ОЕ - разрешение передачи.

Т - выбор направления передачи.

В0 - В7 - информационная шина.

МС состоит из 8 - ми функциональных блоков и схемы управления. Блок содержит два разнонаправленных усилителя - формирователя. При помощи схемы управления производится разрешения передачи и выбор направления передачи информации.

В зависимости от состояния управляющих сигналов ОЕ и Т микросхема может работать в режиме передачи из А в В, из В в А или в режиме выключено.

При ОЕ=0, Т=1 - направление передачи из А в В.

При ОЕ=0, Т=0 - направление передачи из В в А.

При ОЕ=1, Т= (0 или 1) - на выводах А и В 3-е состояние.

Выводы А присоединяется к местной процессорной шине, а выводы В, имеющие большую нагрузочную способность - к системной шине.

Сигнал разрешения передачи ОЕ поступает с выхода DEN через инвертор, а сигнал выбора направления передачи Т.

Графическое изображение МС КР580ВА87 представлено на рис.5.

Рис.5

Регистр - устройство, предназначенное для кратковременного хранения и преобразования много разрядных двоичных чисел. В качестве запоминающих элементов в регистрах используются триггеры. Вспомогательные элементы используются для осуществления следующих операций:

Ввода и вывода из регистра хранимой информации.

Преобразования кода числа, хранящегося в регистре.

Сдвига числа влево и вправо на определенное число разрядов.

Преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот.

Регистры классифицируются по различным признакам, основными из которых являются способ ввода информации в регистр и ее вывод и способ представления вводимой и выводимой информации.

По способу ВВ информации регистры подразделяются на:

Параллельные (памяти), последовательные (сдвига).

Параллельно - последовательные.

По способу представления вводимой и выводимой информации регистры различают однофазного и парафазного типа.

В однофазных регистрах информация вводится либо в прямом либо в обратном коде, а парафазных - одновременно в прямом и обратном коде. Вывод информации из регистра может осуществляться как в прямом, так и в обратном коде. Различают одно - и многоканальные регистры в зависимости от числа источников информации, с которых она поступает на входы регистра.

Регистр 1533ИР23 - это восьмиразрядный регистр на D - триггерах с динамическим С - входом. Регистры снабжены выходными буферными усилителями, имеющими третье z - состояние, которое можно установить с помощью вывода разрешения Е0, если подать на него напряжение высокого уровня. Выходные буферные усилители обладают высокой нагрузочной способностью. Выходная часть регистров - это восемь D - триггеров со входами разрешения параллельной записи (вход С). Если на входе РЕ действует высокий уровень напряжения, то данные от входов D0…D7 отображаются на выходах Q0…Q7.

Если на вход РЕ подать напряжение низкого уровня, разрешается запись в триггеры нового восьмиразрядного кода. Если на вход ЕО подано напряжение низкого уровня, то данные из D - триггеров регистра пройдут на выходы Q0…Q7. Регистр КР1533ИР23 принимает и отображает информацию синхронно с положительным перепадом тактового импульса, подаваемого на вход С. Графическое изображение МС 1533ИР23 представлено на Рис.6.

МС КР580ГФ24 - генератор тактовых импульсов фаз, предназначен для синхронизации работы МП. Генератор тактовых сигналов состоит из генератора опорной частоты, счетчика - делителя на 9, формирователя фаз логических схем. Для стабилизации тактовых сигналов опорной частоты ко входам XTALL1 и XTALL2 генератора подключают резонатор, частота которого должна быть в 9 - раз больше частоты выходных сигналов. При частоте резонатора более 10000 КГц необходимо последовательно в цепи резонатора включить конденсатор емкостью 3 - 10 пФ.

Вход TANK предназначен для подключения колебательного контура, работающего на высших гармониках резонатора, для стабилизации тактовых сигналов опорной частоты. Но так как мы его не используем, мы его подключаем на землю. Вход SYN нам также не нужен.

Вход RDYIN - вход готовности внешнего устройства к обмену. На него подаётся потенциал высокого уровня.

Исходя из того, что входная тактовая частота делится на 9, а частота синхронизации схемы равна 2МГц, частота кварцевого резонатора равна 18МГц.

Графическое изображение МС КР580ГФ24 представлено на Рис.6.

XTAL1 XTAL2 ROYIN SYN TANK

GN

C

Рис.6

В состав устройства отображения информации на ряду с узлами приема, хранения и обработки сигналов входит индикатор, который, собственно, и обеспечивает связь человека с источником информации.

Все индикаторы можно объединить на две большие группы:

активные - в которых электрическая энергия преобразуется в световую, и пассивные - модулирующие внешний световой поток под действием внешнего электрического поля или тока. В активных индикаторах для преобразования электрической энергии в световую используются следующие физические эффекты: свечение накаленных тел в вакууме, низковольтная катодолюминесценция, излучение тлеющего газового разряда, инжекционная электролюминесценция. В пассивных индикаторах непосредственно под воздействием электрического информационного сигнала изменяются их оптические показатели. Это позволяет модулировать свет, прошедший или отраженный от индикатора, внося в него пространственно - распределенную по сечению светового потока информацию.

Индикаторы можно классифицировать по принципу формирования изображения на знакомоделирующие и знакосинтезирующие.

Знакомоделирующий индикатор - цифровой газоразрядный индикатор, изображение в котором повторяет форму десяти катодов (цифр от 0 до 9). Любое другое изображение на нем получить невозможно.

В знакосинтезирующих индикаторах изображение получается с помощью мозаики независимо управляемых элементов отображения, каждый из которых является преобразователем сигнал - свет. Среди них различают сегментные индикаторы, элементы отображения которых являются сегментами и сгруппированы в одно или несколько знакомест, и матричные индикаторы - элементы отображения которых образуют матрицу.

Для отображения значения измеряемого давления будем использовать полупроводниковый сегментный индикатор АЛС321А.

Параметры индикатора АЛС321А:

Цвет свечения - желто - зеленый.

Сила света мкм при токе мА - 0,12 (20).

Прямое напряжение, В (при токе, мА) - 3,6 (20).

Прямой ток мА (импульсный мА) - 25.

Высота знака мм - 7,5.

Интерфейс МК КР1816ВЕ51 с МК КР580ВВ79 с программной точки зрения реализуется в виде двух портов ВВ. По одному из них контроллеры обмениваются данными, а по другому в ВВ79 записывается команда, а считывается слово состояния. В адресном пространстве ВЕ51 для адресации порта обмена данными используем адрес 8000h. Для адресации порта команды / слова состояния используем адрес 4000h.

Так же оба аналоговых канала ввода информации представляют собой порты и обращение к ним производится по адресам 1000h и 2000h. Адреса портов выбраны исходя из состояния старших четырёх разрядов шины адреса. Развязка выходов шины данных АЦП с шиной данных микросистемы производится с помощью буферных регистров. Так же эти регистры используются для временного хранения данных с АЦП. Когда МК необходимо прочитать данные одного из каналов, он формирует цикл чтения XSEG по соответствующему адресу, что приводит к понижению уровня на входе регистра OE. После этого открываться выходной буфер регистра и данные выставляются на шину данных микросистемы.

Светодиодные индикаторы АЛС321 обеспечивают нормальные светотехнические характеристики при прямом токе 20мА. Ток логического нуля одного выхода МС КР580ВА87 составляет 3мА. Для обеспечения нормального свечения индикатора необходимо использование токовых усилителей на транзисторах VT1 - VT4.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан прибор для измерения дозы радиоактивного фона на базе микропроцессора МК1816ВЕ51.

Прибор может осуществлять операции измерения радиации и поглощенной дозы. Значения выводится на семи сегментный полупроводниковый индикатор, который обладает очень хорошей яркостью свечения. Прибор обладает удобным интерфейсом, что позволяет пользователю прочитав инструкцию по эксплуатации легко научиться его применять.

Приборы данного типа найдут широкое применение в медицине. На современном этапе происходит их постоянное усовершенствование, и внедрения.