基于C8051F350单片机的同位素测沙仪研制

作者　李德贵1 张广海2 叶繁2 李蛟2 1.黄河水利委员会水文局(河南 郑州 450004) 2.黄河水利委员会山东水文水资源局(山东 济南 250100)

摘要：本文较为详细地介绍了同位素测沙仪的原理、结构、组成与硬件电路，对部分软件设计内容也作了介绍，阐述了测沙仪在黄河潼关水文站试验应用情况及测沙仪的主要技术指标及特点，可为今后的进一步研究及应用打下基础。

引言

　　河流含沙量测验数据对于河流的输沙计算、河道航运、水库运行管理、引水灌溉、水资源开发利用等都是非常重要的，能够正确、及时地测量出河流含沙量数值意义重大。传统的河流含沙量测验方法是采用取样称重法，其设备简单，测量精度较高，但测量周期长、劳动强度比较大，实时性差。近年来，国内外科技人员一直在积极探求含沙量的在线监测方法，如超声法、红外线法、激光法、振动法、同位素法等，这些方法各有其特点，但在实际应用中也都存在着一定的局限性，至今还很少有能应用于河流含沙量在线监测的产品。利用同位素法测量河流含沙量多年前已有科技人员进行研究，该法测沙探测效率高、稳定性好、测量范围广，达0.3～1000 kg/m3 ^[1]，在水流含沙量较大时测沙精度比较高。随着科技、电子、计算机等技术的发展，为实现对河流含沙量的实时动态在线监测，我们选241Am作为同位素放射源，用C8051F350单片机作为测沙仪的采集控制核心器件，设计了放射源的安全防护措施，研制出了新型的同位素测沙仪。

1 同位素测沙原理

　　241Am源 (即质量数为241的镅同位素放射源 ) ^[2]的半衰期是432.2年，其能量是59.53KeV，属于低能γ射线源。同位素测沙仪就是利用γ射线穿过含沙水流时的衰减情况进行含沙量测量的，如图1所示。图1中放射源经过厚度为L的含沙水体后，进入γ射线探测器，水流中含沙量愈大，γ射线被泥沙吸收的愈多，进入γ射线探测器的射线就越少，经过变换，转变成的电压信号就会越小;反之，当水流含沙量小时，被泥沙吸收的少，最后γ射线探测器输出的电压信号则会相应变大。γ射线透射强度与含沙量呈一定关系变化，利用此原理即可通过测量γ射线探测器输出电压变化来计算出水流中的含沙量。

　　在图1中，γ射线通过厚度为L的含沙水体时，γ射线探测器输出电压信号呈指数减弱，并由式(1)确定。若ρ为浑水密度，U_w为清水的输出电压，则含沙浑水的输出电压U为：

(1)

　　式中：μ_m为浑水质量吸收系数。

　　当测沙仪结构固定时，可利用浑水密度与含沙量的关系导出含沙量S的计算公式：

(2)

　　式中：k为斜率，只与纯水和干沙的质量吸收系数、密度及浑水厚度有关。

　　利用式(2)中含沙量与输出电压的关系，绘出输出电压随浑水含沙量的变化曲线，由曲线拟合出修正式(实际应用中用实测含沙量进行标定)。应用时，就可由输出电压推算出含沙量。

2 测沙仪结构

　　同位素测沙仪的整体结构设计成铅鱼的尾部形状，见图2，主要由电源及控制电路仓、放射源仓、γ射线检测电路仓三部分组成。

　　在放射源仓内安装 ²⁴¹Am放射源(本设计用50 mCi)，可电动及人工控制γ射线的发射与关闭。在γ射线检测电路仓内是采用电离室检测γ射线的，与放射源仓正对应面的γ射线检测电路仓壳体材料采用新型铝，对于γ射线来说相当于是个窗口，γ射线从源仓发射经过水体后进入电离室，在电离室内经γ射线检测、信号放大、 电路变换后成直流电压信号然后送至控制电路仓。在电源及控制电路仓内设计有 12V/8Ah锂聚合物电池、水温传感器、单片机控制(含A/D转换)、电源变换、数据传输接口等电路。

3 硬件电路设计

　　主要由单片机控制、测沙传感器及检测、水温传感器及检测、接口、电源、测量工作指示等电路组成，图3 同位素测沙仪硬件电路组成图。

3.1 单片机控制电路

　　单片机控制采用美国Silicon Labs公司的C8051F350芯片完成，该芯片是完全集成的混合信号片上系统型 MCU，其主要功能有：51MCU内核(可达50 MIPS)全速、非侵入式的在线系统调试接口(片内)，有8路24bit A/D，A/D转换具有0.0015%非线性度，2路8bit D/A;8K字节FLASH程序存储空间、768字节的内部RAM，可调增益放大器PGA(可编程达128倍)，可编程 16位计数器/定时器阵列(PCA)，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，内置时钟、Watchdog、UART、SPI及SMBus接口等丰富的片上资源。

3.2 测沙传感器及检测电路

　　含沙量测验是本仪器设计重点，其原理图如图4 所示，由前置放大和电压跟随器组成。运放采用美国模拟器件公司(Analog Devices)的高精度、低漂移、低功耗集成电路，由于要保证在测验含沙量范围内的线性及精度，所以运放的供电采用正、负12V直流电压，输出V1O送单片机的A/D。

3.3 水温传感器及检测电路

　　设计检测水温的变化范围为-5～45℃，精确检测水温模拟信号也是整个仪器的重点，其检测电路如图5 所示。选用铂电阻 PT1000作为测水温的传感器，为了减小传感器导线电阻带来的附加误差，采用三线制接法。传感器供电采用LM134、R01、R1、D1组成的无温漂恒流源。电流流经铂电阻后的电压信号由高精度、低功耗、低噪声、低漂移、宽带运放U1B线性放大，再经 U1A滤波输出V0，然后送单片机的A/D。

3.4 数据传输接口电路

　　测沙仪测量数据主要为：γ射线衰减检测数据，结果为0.00000～10.0000V直流电压，对应含沙量1200～0 kg/m³;水温测量数据，结果为0.00000～2.50000V 直流电压，对应水温-5～45℃;电路芯片温度，结果为0.00000～2.50000V直流电压，对应温度为-10～70℃。上述三种测量数据将由单片机实时通过RS485接口传送至PC便携机，进行含沙量的计算。RS485接口电路由美国德州仪器生产的SN65HVD12D芯片实现，可远距离传输数据。

3.5 电源电路设计

　　测沙仪工作的电源由12V锂电池供给，为了实现仪器的低功耗、稳定、可靠运行，工作电路中所用的电源VDD(5.0V)、VCC(3.3V)用MIC5236电源变换稳压芯片实现，基准电压VREF(2.500V)用MAX6325ESA芯片实现，γ射线检测、信号放大电路中所用负12V由K7812-1000电源转换芯片实现，蓄电池容量按连续48小时工作时间设计为12V/8Ah锂电。

4 测沙仪软件设计

　　软件设计关乎到测沙仪工作的稳定性、可靠性以及测量含沙量的精度，本测沙仪的软件由单片机测量控制软件和PC机软件两大部分组成。测沙仪的工作模式有三种：工作、休眠、关机，其模式由PC指令控制。单片机测量控制软件有主程序和部分子程序组成，测量控制软件的主程序框图见图6。其子程序主要有放射源位置检测与控制、水温测量、芯片温度检测、测量数据处理、数据传送等。其中主程序的初始化包括系统时钟、看门狗、A/D、测量参数、有关计时计数单元、I/O 端口、外设的配置等。在工作模式状态，由于水流存在脉动，设计每次含沙量、水温测量的时间为2分钟，所以软件设计时采用在2分钟内每2s取样一次，共取样60次;在测量数据处理子程序中对60组数据进行排队，去高低各5组数，用50组数平均得含沙量、水温测量值作为一次测量结果;然后调用数据传送子程序，向PC机传送;芯片温度每10分钟(分钟末位为0时)向PC机 传送一次。在休眠中，放射源位置保持，除接受指令处以待命外，其余电路全休眠。当测沙仪接到关机指令则关闭放射源，检测到位后整机电源关闭。当测沙仪上电或复位时都会自动运行主程序，有关子程序限于篇幅不再叙述了。

　　含沙量的计算工作由PC便携机完成，当PC机接收到测沙传感器、水温、芯片温度等电压数据后，根据已经率定好的相关模型，由PC机程序用完善的图表实时的显示出含沙量测量结果。

5 试验应用情况

　　2014年10月24日至2014年11月8日在黄河潼关水文站对所研制仪器进行了16天时间的试验。试验主要内容为同位素本底测试、清水温度曲线率定、室内水槽测沙试验、河道现场试验、仪器辐射防护检测等。在潼关水文站用上海仁日辐射防护设备有限公司生产的REN 500A型智能化X、γ射线辐射仪在空气中检测，潼关水文站周围环境的本底辐射值是0.1μSv/h，属天然正常水平，在关闭放射源后对测沙仪周围检测，辐射本底水平没有增加，完全没有辐射泄漏。对测沙仪的清水温度曲线率定、室内水槽测沙试验曲线率定关系如图7、图8所示。从试验资料分析推算同位素测沙仪测量含沙量在3kg/m³以上时，误差在3%以内。在含沙量3kg/m³以下时，误差较大，有3%～10%。在潼关水文站进行了两次河道含沙量现场测验，人工用横式采样器取样、传统方法处理得含沙量，测沙仪直接读数，分别进行了18、32组比测试验，因河流含沙量较小分别为1.96kg/m³、3.00kg/m³，误差则较大分别为4.94%、4.14%。

　　从整体试验来说，同位素测沙仪在辐射防护、测沙精度、测沙范围、检测效率、仪器稳定性方面均可满足河流含沙量测验要求。

　　参考文献：

　　[1]刘雨人.同位素测沙[M].北京:水利出版社,1992,4:145-146.

　　[2]李景修,李黎,李英杰,等.核子测沙试验研究[J].人民黄河,2008(10):12-13,23.

　　[3]李德贵,罗珺,陈莉红,等.河流含沙量在线测验技术对比研究[J].人民黄河,2014(10):16-19.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第61页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。