Цифровий дозиметр з трьома режимами вимірювання і світлозвуковою реалізації випромінювання

 

 

 

 
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

 

АЛП – арифметико - логічний пристрій

АЦП – аналого - цифровий перетворювач

МК – мікроконтролер

МП – мікропроцесор

ОЗП – оперативно – запом’ятовуючий пристрій

ПРФ – природній радіаційний фон

ЦАП – цифро - аналоговий перетворювач

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Пристрої вимірювання рівня радіації поділяються на Дозиметри. і Радіометри. Дозиметр – це пристрій який показує дозу отриманого радіоактивного випромінювання за час, на протязі якого пристрій знаходився біля точки випромінювання. Радіометр – це пристрій який визначає потужність (щільність) радіоактивного випромінювання, але такі пристрої як правило габаритні і використовуються тільки спеціальними службами. Тому в побуті більш доцільним є використання дозиметрів, а саме цифрових на базі мікроконтролерів – вони є більш надійні і продуктивніші.

Мікроконтролер (МК) – мікросхема, призначена для управління електронними пристроями . Типовий мікроконтролер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, може містити ОЗП і ПЗП. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми, замість цілого набору, як у разі звичайних процесорів, вживаних в персональних комп'ютерах, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

З метою досягнення максимальної продуктивності і паралельності виконання операцій в AVR-МК використовується Гарвардська архітектура з роздільними пам'яттю і шинами програм і даних. Команди в пам'яті програм виконуються з однорівневою конвеєризацією. У процесі виконання однієї інструкції наступна попередньо зчитується з пам'яті програм. Дана концепція дозволяє виконувати одну інструкцію за один машинний цикл.

RISC МК характеризуються досить розвиненою системою команд, наприклад, МК серії і80х51 мають 111 команд. Однак аналіз програм показавши, що 20% з них використовується в 80% випадків, а дешифратор команд займає більше 70% площі кристалу. Команди достатньо складні і виконуються за різний час. Тому в розробників виникла ідея скоротити

кількість команд, надати їм єдиний формат і зменшити площу кристала, тобто використати RISC (Reduced Instruction Set Computer) архітектуру.

Особливістю МК, виконаних за RISC архітектурою є ті, що всі команди виконуються за один-три такти, тоді як в CISC контролерах - за один-три машинних циклі, кожний з яких складається з кількох тактів, наприклад для і80х51 - з 12 тактів. Тому RISC контролері мають значно більшу швидкодію. Однак повніша система команд CISC контролерів в деяких випадках сприяє економії годині виконання певних фрагментів програми та економії пам'яті програм.

Особливості МК RISC архітектури

В процесорах з RISC-архітектурою набір команд, що виконуються, скорочений до мінімуму. До МК із RISC-процесором відносяться МК AVR фірми Atmel, МК PIC16 і PIC17 (Peripheral Interface Controller) фірми Microchip і інші.

RISC МК мають наступні характерні риси.

1. Всі  команди мають формат фіксованої довжини (наприклад, 12, 14 або 16 біт).

2. Вибірка команди з пам'яті і її виконання здійснюється за один цикл (такт) синхронізації.

3. Система команд процесора припускає можливість рівноправного використання всіх регістрів процесора. В МК із RISC-процесором усі регістри (часто й акумулятор) розташовуються після адрес, що явно задаються. Це забезпечує додаткову гнучкість при виконанні ряду операцій.

На перший погляд, МК із RISC-процесором повинні мати більш високу продуктивність в порівнянні з CISC МК при одній і тій же тактовій частоті внутрішньої магістралі ВКМ. Однак на практиці питання про продуктивність більш складенні і неоднозначне.

 

 

1. АНАЛІЗ РОЗРОБКИ ПРИЛАДУ ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ РАДІОАКТИВНОГО ЗАБРУДНЕННЯ

 

При виконані даної курсової роботи було розроблено дозиметр на мікроконтролері.

В основі роботи пристрою лежить апаратно-програмний спосіб виміру радіації. Особливістю даного дозиметра є те, що він виконаний на мікроконтролері Atmega8 і має такі характеристики: 1) наявність 3-х режимів вимірювання (одиничний/циклічний/режим сну); 2) збереження даних в енергонезалежній пам’яті; 3) збереження на дисплеї значення попереднього вимірювання; 4) наявність звукової та світової індикації; 5) Регулювання рівня сигналізації тривоги. Для індикації значення вимірювання використовується двохрядковий англо-російський дисплей. При розробці даного пристрою керувалися тим, що він має забезпечувати високу точність, за рахунок спеціалізованої мікросхеми К561ЛА7, також він не повинен містити дефіцитних елементів, повинен забезпечувати високу надійність роботи, зручність використання.

 

1. Розробка структурної схеми пристрою

 

До складу дозиметра входять наступні основні пристрої :

Блок живлення - перетворює напругу мережі в напругу необхідну для живлення блоків дозиметра .

Газорозрядний датчик - призначена для вимірювання швидкості пролетанія заряджених частинок.

Цифрове вимірювально - керуючий пристрій виконує функції вимірювання вихідного сигналу газоразрядного датчика і перетворення його у форму , зручну для подальшої обробки або управління виконавчими механізмами .

 

 

До периферійного устаткування дозиметра відносяться дистанційні індикаторні табло , реєструючі пристрої , дисплеї і т.д. .

Периферійне устаткування з'єднується з ЦІУУ допомогою кабельних ліній зв'язку.

 

2. Розробка функціональної та принципової схеми

 

Роботою апарату повинна управляти мікропроцесорна система - представляє собою функціонально закінчений пристрій обробки і відображення даних.

 

 

Рисунок 1.2 - Функціональна схема дозиметру

 

Рисунок 1.3 - Принципова схема дозиметру

 

Налаштування:

1. Налаштовуємо контрастність дисплея резистором R8, R7-яркість підсвічування до найкращого результату.

2. Найподатливіша ділянка схеми блокинг-генератор, який підключається до роз’єму Р1, спершу правий за схемою контакт КТ1 приєднуємо до ділянки схеми +5в (КТ2). Потім підключаємо осцилограф до колектора VT4, який знаходиться на блокинг-генераторі, повинна спостерігатися генерація, якщо немає генерації слід поміняти на трансформаторі місцями кінці обмотки 3.

 

3. Вибір додаткових елементів схеми

 

1. Мікросхеми в DIP корпусі, DD1-К561ЛА7. Використовується тому що, вони є перетворювачами імпульсів, які надходять з датчика, в імпульс потрібний за часом і амплітуди для мікроконтролера DD2.
2. Транзистори VT3, VT4, кт315, кт3107 і другі малопотужні N-P-N , використовується в якості ключа.
3. Транзистор VT2 кт361, і другі малопотужні P-N-P, використовується в якості ключа.
4. Транзистор VT1 кт312 N-P-N, використовується в якості ключа.
5. Конденсатори КД104А на блокинг генераторi вибрано такої ємностi щоб створювався зглажувальний фільтр.
6. Лічильник Гейгера СБм20 випускається в трьох варіантах замінюється на СТС-5 тільки міняються габарити. Використовується в якості датчика.
7. Світло діод будь-який на струм 5-20мА, використовуються для світлової сигналізації випромінювання.
8. Тактові кнопки стандартні 5х7мм, використовуються для перемикання режимів
9. Акустичний випрямляч п’єзоелектричного типу, можуть бути ЗП-19, ЗП-5, ЗП-3, імпортні (HPE-227), використовується для звукової

сигналізації випромінювання.

10. Звуковий генератор з серії HCMxxxx, на напругу від 1-3в.
11. LCD-дисплей HG1 W 360 2D-YYH-CTK призначений для відображення результатів вимірювання. Вибраний тому що, являється англо - російським з підсвічуванням і живеться від 5В.
12. Роз’єм Р1 до нього підключається блокинг - гернератор.

Пристрій живеться від напруги 6-9в, використовується крона або аккумулятор з вбудованим контролером заряду.

Трансформатор блокинг генератора виконаний на кільці з фериту проникністю 2500-4000, розміром від К16х10х4,5 мм до К20х12х6мм або імпортне що вже округляє і покрите лаком кільце типу B64290-L743-X83

16х9х5. Розрахунок трансформатора був проведений за формулами:

1. Середнє значення випрямленої напруги рівне:

 

  (1.1)

 

2. Середнє значення випрямленого струму:

 

                              (1.2)

 

3. Напруга вторинної обмотки:

 

  (1.3)

 

4. Значення струму навантаження, що діє:

 

       (1.4)

 

5. Потужність, на яку повинна бути розрахована вторинна обмотка трансформатора:

 

  (1.5)

 

6. Габаритна потужність трансформатора (без урахування ККД.) рівна напівсумі потужностей, що виділяються первинною і вторинними обмотками:

 

                        (1.6)

 

Обмотка 1 містить - 200 витків дротом ПЕВ 0.07мм Обмотка 2 містить - 8 витків дротом ПЕВ або краще з шовковою ізоляцією 0.1-0.3мм Обмотка 3 містить - 3 витки тим же дротом. На Рис. 1.4 показано як правильно мотати і кріпити трансформатор.

 

Рисунок 1.4 – Намотування та кріплення трансформатора

 

4. Архітектура мікроконтролера

 

В якості мікроконтролера використовуємо МК фірми ATMEL: ATmega8.

 

Рисунок 1.5 – Розташування виводів

 

Вибраний тому, що він має такі характеристики:

1. 8-розрядний високопродуктивний мікроконтролер AVR з малими потребами.
2. Прогресивна RISC архітектура.
3. Незалежна пам'ять програм і даних.
4. Вбудована периферія.
5. Спеціальні функції мікроконтролера.

 

6. Робоча напруга (4,5-5,5В).
7. Виводи I/O і корпуси.
8. Робоча частота (0-16Мгц).

Мікроконтролери сімейства AVR мають єдину базову структуру. Узагальнену структурну схему мікроконтролера ATmega8 зображено на рисунку 1.5. Повну структуру мікроконтролера зображено на додатку А.

 

Рисунок 1.6 – Архітектура мікроконтролера ATmega8

 

До складу даного мікроконтролера входять:

 

1. генератор тактового сигналу (GCK).
2. процесор (CPU).
3. постійний запам'ятовуючий пристрій для збереження програми виконаний за технологією Flash (FlashROM), яка містить -8 Кбайт внутрісистемно програмованої пам'яті і забезпечує 10000 циклів стирання/запис.
4. оперативний запам'ятовуючий пристрій статичного типу для збереження даних (SRAM), який містить 1 Кбайт вбудованої пам’яті.
5. постійний запам'ятовуючий пристрій для збереження даних, виконаний за технологією EEPROM, (EEPROM), який містить 512 байт і забезпечує 100000 циклів стирання/запис.

6. набір периферійних пристроїв для вводу/виводу даних і керуючих сигналів, і виконання інших функцій.

До складу процесора (CPU) входять:

1. лічильник команд (PC);
2. арифметико-логічний пристрій (ALU);
3. блок регістрів загального призначення (GPR, General Purpose Regіsters) і інші елементи.

Крім регістрів загального призначення в мікроконторолері є регістри спеціальних функцій, що у сімействі AVR називаються регістрами вводу/виводу (І/O Regіsters, IOR). За участю цих регістрів здійснюються:

4. керування роботою мікроконтролера і окремих його пристроїв;
5. визначення стану мікроконтролера і окремих його пристроїв;
6. ввід даних у мікроконтролер й окремі його пристрої.

Кожен регістр має ім'я, пов'язане з функцією, яку виконує цей регістр. Мікроконтролер Atmega8 має 23 регістри вводу/виводу, які іменовані, як:

Port B (PB7…PB0) - Порт B є 8-розрядний двонаправлений порт вводу/виводу з внутрішніми резисторами натягнення. Вихідні буфери порту B можуть поглинати струм до 20мА. Якщо виводи PB7..PB0 використовуються як входи і ззовні встановлюються в низький стан, вони є джерелами струму, якщо включені внутрішні підтягаючі резистори.