【正文】 監(jiān)測(cè)的發(fā)展 環(huán)境污染雖然自古就有，但環(huán)境科學(xué)作為一門(mén)學(xué)科是在二十世紀(jì) 50 年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，最初危害較大的環(huán)境污染事件主要是由于化學(xué)毒物所造成的，因此，對(duì)環(huán)境樣品進(jìn)行化學(xué)分析以確定其組成和含量的環(huán)境分析就產(chǎn)生了。所以，環(huán)境監(jiān)測(cè)是間斷或者連續(xù)地測(cè)定環(huán)境中污染物的種類、濃度、觀察分析其變化和對(duì)環(huán)境影響的過(guò)程。 Harmful radial monitor。在 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，對(duì)主要硬件 MSP430F4250 單片機(jī)及其外圍電路進(jìn)行了詳細(xì)的論述。 放射性檢測(cè)儀器種類很多，它的基本原理基于射線與物質(zhì)間相互作用所產(chǎn)生的各種效應(yīng)。目前最常用的 檢測(cè)器有三類，即電離型檢測(cè)器、閃爍檢測(cè)器和半導(dǎo)體檢測(cè)器。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括 數(shù)據(jù) 采集、數(shù)碼顯示、鍵盤(pán)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)通訊等 程序，運(yùn)用 IAR 公司為 MSP430 系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的 C430 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和 C 語(yǔ)言調(diào)試器作為程序開(kāi)發(fā)工具完成了軟件的調(diào)試。 Chip microprocessor control。 隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題不斷出現(xiàn)，使環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)涵擴(kuò)大了。由于環(huán)境污染物通常處于痕量級(jí) (ppm、 ppb)甚至更低，并且基體復(fù)雜，流動(dòng)性變異性大，又涉及空間分布及變化，所以對(duì)分析的靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率和分析速度等提出了很高要求。所以用生物 (動(dòng)物、植物 )的生態(tài)、群落、受害癥狀等的變化作為判斷燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 環(huán)境質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)更為確切可靠。同時(shí)，從點(diǎn)污染的監(jiān)測(cè)發(fā)展到面污染及其區(qū)域性的監(jiān)測(cè)，這 一階段稱之為環(huán)境監(jiān)測(cè)階段，也稱為主動(dòng)監(jiān)測(cè)或目的的監(jiān)測(cè)階段。當(dāng)污染程度接近或超過(guò)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可發(fā)布指令、通告并采取保護(hù)措施。由環(huán)保部門(mén)和其他部門(mén)的有關(guān)單位開(kāi)發(fā)研制了第 1 章 緒論 3 100 多種環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控提供了保證。內(nèi)容涉及優(yōu)化布點(diǎn)、分析方法、儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的開(kāi)發(fā)研究等。這些跨行政區(qū)劃的專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立，開(kāi)始打破了單純以行政區(qū)劃分為單元的環(huán)境監(jiān)測(cè)管理體制，適應(yīng)了流域環(huán)境管理提供決策依據(jù)。到 2021 年，國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整為：環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)站 226 個(gè)，測(cè)點(diǎn)數(shù) 793 個(gè)；酸雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)站 239 個(gè)，測(cè)點(diǎn)數(shù) 472 個(gè)；水質(zhì)監(jiān)測(cè) 網(wǎng)站 197 個(gè)，監(jiān)測(cè)斷面 1074 個(gè)；生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站 15 個(gè)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 環(huán)境放射性監(jiān)測(cè) 基礎(chǔ)知識(shí) 自然界的各種物質(zhì)都是由元素組成的，而組成元素的基本單位是原子。如 α射線、 β 射線、 γ 射線等。由宇宙射線與大氣層、土壤、水中的核素發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的放射性核素約有 20 余種。 (1) 核試驗(yàn)及航天事故：包括大氣層核試驗(yàn)、地下核爆炸冒頂事故及第 1 章 緒論 5 外層空間核動(dòng)力航具事故等。 (3) 工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等部門(mén)的排放廢物：這些部門(mén)使用放射性核素日益廣泛，其排放廢物也是主要的人為污染源之一。放射性物質(zhì)對(duì)人類的危害主要是輻射損傷，所謂輻射損傷是是有射線引發(fā)人體組織發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)引起的。 對(duì)放射性核素具體測(cè)量的內(nèi)容有：①放射源強(qiáng)度，半衰期，射線種類及能量；②環(huán)境和人體中放射性物質(zhì)含量、放射性強(qiáng)度、空間照射量或電燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 離輻射劑量 。 (1) 樣品的采集：對(duì)于放射性監(jiān)測(cè)的環(huán)境樣品來(lái)說(shuō)，有累積采樣和瞬間采樣兩種方式。 (4) 個(gè)人外照射劑量的測(cè)定：個(gè)人劑量是佩帶在身體適當(dāng)部位，用來(lái)測(cè)量個(gè)人外照射劑量的儀器，有輕便、小型、容易使用和價(jià)格低廉等特點(diǎn) ]4[ 。 第 2 章 放射性檢測(cè)儀器原理 7 第 2 章 放射性檢測(cè)儀器原理 放射性檢測(cè)儀器基本原理 放射性檢測(cè)儀器種類很多，實(shí)際工作中，需根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、試樣形態(tài)、射線類型、強(qiáng)度及能量等因素進(jìn)行選擇。 表 21 各種常用的放射性檢測(cè)器及其應(yīng)用 射線種類 檢測(cè)器 特點(diǎn) α射線 閃爍檢測(cè)器 正比計(jì)數(shù)管 半導(dǎo)體檢測(cè)器 電流電離室 核乳膠 檢測(cè)靈敏度低，探測(cè)面積大 檢測(cè)效率高，技術(shù)要求高 本底小，靈敏度高，探測(cè)面積小 測(cè)較大放射形活度 可記錄單個(gè) α粒， 研究其徑跡、射程 β射線 正比計(jì)數(shù)管 蓋革計(jì)數(shù)管 閃爍檢測(cè)器 半導(dǎo)體檢測(cè)器 檢測(cè)效率高，裝置體積大 檢測(cè)效率高，裝置體積大 檢測(cè)效率低，本底小 探測(cè)面積小，裝置體積小 γ射線 閃爍檢測(cè)器 半導(dǎo)體檢測(cè)器 檢測(cè)效率高，能量分辨能力強(qiáng) 能量分辨能力強(qiáng)，裝置體積小 電離型檢測(cè)器 電離型檢測(cè)器是利用射線通過(guò)氣體介質(zhì)時(shí)使氣體發(fā)生電離的原理制成的探測(cè)器?，F(xiàn)將三種電離型檢測(cè)器分別介紹如下。 正比計(jì)數(shù)管 正比計(jì)數(shù)管檢測(cè)器廣泛用于 α 粒子和 β 粒子的計(jì)數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定、本底響應(yīng)低。兩極間電壓約為1500~5000V，在此電壓下，能使由電離產(chǎn)生的電子在收集電極近處高速加速，并在前進(jìn)途中進(jìn)一步發(fā)生連續(xù)性的次級(jí)電離，使電流的放大倍數(shù)達(dá)到410 左右。在輻射監(jiān)測(cè)儀器中，可將它做成攜帶式的輻射指示儀或放射性污染監(jiān)測(cè)儀。它的工作特點(diǎn)是：不管入射粒子引起初級(jí)電離的離子數(shù)有多少，經(jīng)過(guò)氣體放大后，最后到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)都一樣，所以輸出脈沖高度也一樣。它具有一個(gè)閃爍體，當(dāng)射線進(jìn)入其中是產(chǎn)生閃光，然后用光電倍增管將閃光訊號(hào)放大、記錄下來(lái)。譜圖中的每一個(gè)峰與某一特定核素相對(duì)應(yīng)，從峰面積又可以量度該核素的存在量。 半導(dǎo)體檢測(cè)器 半導(dǎo)體檢測(cè)器的工作原理與電離型檢測(cè)器相似，但其檢測(cè)元件是固態(tài)半導(dǎo)體。例如，對(duì)硅半導(dǎo)體是 ，對(duì)鍺半導(dǎo)體是 ，而對(duì) NaI 閃爍探測(cè)體來(lái)說(shuō)，從其中發(fā)出一個(gè)光電子平均能量約 3000eV。但由于其元件體積很小，較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)組織中某點(diǎn)進(jìn)行吸收劑量測(cè)定。因滲入的鋰不取代晶格中的原有原子，而是夾雜其間，從而大大增大了鍺的電阻率，即在探測(cè) γ 射線時(shí)有較大的靈敏區(qū)域。 第 3 章 MSP430 單片機(jī)原理 11 第 3 章 MSP430 單片機(jī)原理 概述 單片機(jī)的概念及特點(diǎn) 將中央處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，即所謂的單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。 (3) 抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他機(jī)型無(wú)法比擬的。它們具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， CPU 中的 16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us 的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。 二、 強(qiáng)大的處理能力 MSP430 系列單片機(jī)，為 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址 )、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都 可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125us。如果晶體振蕩器在用作CPU 時(shí)鐘 MCLK 時(shí)發(fā)生故障， DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復(fù)位。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 圖 31 MSP430 系列單片機(jī)結(jié)構(gòu) 從圖 31 中可以看出， MSP430 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)具有以下明顯特征： (1) 16 位 CPU 通過(guò)總線連接到存儲(chǔ)器和外圍模塊。 MSP430 系列單片機(jī)包含以下主要功能部件： (1) CPU： MSP430 系列單片機(jī)的 CPU 和通用微處理器基本相同，只 是在設(shè)計(jì)上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。有程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MSP430 不同系列產(chǎn)品所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同。除了 R3 和 R2 外，所有寄存器都可作為通用寄存器來(lái)用于所有指令操作。 第 3 章 MSP430 單片機(jī)原理 15 MSP430 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和地址空間 MSP430 系列采用“馮 紐曼結(jié)構(gòu)”。 MSP430不同系列器件的存儲(chǔ)空間分布有很多相同之處： (1)中斷向量被安排在相同的空間： 0FFE0~0FFFFH。 (5)程序存儲(chǔ)器的最高地址都是 0FFFFH。 二、程序存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 FLASH 是 0FFFFH 以下的一 定數(shù)量的存儲(chǔ)空間，可存放系統(tǒng)程序或者應(yīng)用程序及常數(shù)，可以避免斷電等意外情況而造成存儲(chǔ)的信息丟失。 MSP430 可以像訪問(wèn)普通 RAM 單元一樣對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作。這些暫時(shí)沒(méi)有被定義的 RAM 單元可用于 TI 后續(xù)的系統(tǒng)外圍模塊擴(kuò)展 ]9[ 。其原理框圖如圖 41 所示。 MSP430F4250 簡(jiǎn)介 MSP430F4250 管腳布置如圖 42 所示。裝置保護(hù)保險(xiǎn)連接在 TDI/TCLK TMS 測(cè)試模式選擇。這四個(gè)端口都能用做輸入和輸出。 P1 和 P2 口的結(jié)構(gòu)如圖 43 所示。 0： I/O 引腳被切換成輸入模式； 1： I/O 引腳被切換成輸出模式。 (3) P1OUT， P2OUT P1 和 P2 端口輸出寄存器 該寄存器為 I/O 端口的輸出緩沖寄存器。 (4) P1IE， P2IE P1 和 P2 端口中斷使能寄存器 P1 和 P2 口的 8 個(gè)引腳都可能引起中斷事件的發(fā)生，每一個(gè)引腳都有一燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 位用以控制該引腳是否使能中斷。 0：對(duì)應(yīng)引腳由低到高的電平跳變 (上升沿 )使相應(yīng)標(biāo)志置位； 1：對(duì)應(yīng)引腳由高到低的電平跳變 (下降沿 )使相應(yīng)標(biāo)志置位。 P1SEL 和 P2SEL 用來(lái)選擇引腳的 I/O 端口功能與外圍模塊功能。用戶可通過(guò)這 4 個(gè)寄存器對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)和控制。此外還可以作為串行接口的可編程波特率發(fā)生器，在多任務(wù)的系統(tǒng)中用來(lái)作為中斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)程序的切換。本設(shè)計(jì)用到的定時(shí)器有看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)和定 時(shí)器A(Timer_A)，所以下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)定時(shí)器。 WDT 有如下特性： (1) 其主體是一個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器； (2) 需要口令才能對(duì)其操作； (3) 有看門(mén)狗和定時(shí)器兩種模式； (4) 有 8 種可選的定時(shí)時(shí)間。讀 WDTCTL 時(shí)，不需要口令。其中 T 是 WDTCNT 的輸入時(shí)鐘源周期。 由 IS0、 IS1 及 SSEL 3 位便可確定 WDT 定時(shí)時(shí)間，因此通過(guò)軟件對(duì)計(jì)數(shù)器 設(shè)置不同的初始值就可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的定時(shí)。 0：看門(mén)狗模式； 1：定時(shí)器模式。 0：上升沿觸發(fā) NMI 中斷； 1：下降沿觸發(fā) NMI 中斷。它由一個(gè)十六位定時(shí)器和多路比較 /捕獲通道組成。 (3) 不僅能捕獲外部事件發(fā)生的時(shí)間還可鎖定其發(fā)生時(shí)的高低電平。 (7) 8 種輸出方式選擇。 圖 44 Timer_A 結(jié)構(gòu)原理圖 從圖中可以看出， Timer_A 由以下部分組成： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 (1) 計(jì)數(shù)器部分：輸入的時(shí)鐘源具有 4 種選擇，所選定的時(shí)鐘源又可以 4 或 8 分頻作為計(jì)數(shù)頻率， Timer_A 可以通過(guò)選擇 4 種工作模式靈活的完成定時(shí) /計(jì)數(shù)功能。支持 PWM。 00： TACLK； 01： ACLK； 10： MCLK； 11： INCLK。 MC1， MC0 計(jì)數(shù)模式控制位。 0：禁止定時(shí)器溢出 中斷； 1：允許定時(shí)器溢出中斷。 增 /減計(jì)數(shù)模式：當(dāng)定時(shí)器由 CCR0 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)， TAIFG 置位。液晶具有電光效應(yīng)和偏光的特性，這是它能用于顯示的主要原因。通俗講，就是有四個(gè)公共端 (相當(dāng)于數(shù)碼管掃描顯示的位選端 )、若干個(gè)驅(qū)動(dòng) 端的模式。 鍵盤(pán)功能 鍵盤(pán)在單片機(jī)系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的部分。這種鍵盤(pán)使用方便，可以節(jié)省中央處理器相當(dāng)多的時(shí)間，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， PC(Personal Computer)機(jī)所使用的鍵盤(pán)就屬于這種；非編碼鍵盤(pán)僅提供按鍵開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，其它工作由軟件完成，這種鍵盤(pán)鍵數(shù)較少，硬件簡(jiǎn)單，但占用中央處理器較多時(shí)間，一般在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。這種結(jié)構(gòu)的軟件較繁瑣。其中，參數(shù)設(shè)置模式可設(shè)置 6個(gè)（可擴(kuò)展）不同的參數(shù)或閾值，包括數(shù)值增減鍵和倍率增減鍵。其中 RS是Remended stander的縮寫(xiě)， 232是該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)。即數(shù)據(jù)是一位一位進(jìn)行傳輸?shù)?，在傳輸過(guò)程中，每一個(gè)數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。這種通信。 本系統(tǒng)采用異步通信模式，因此對(duì)同步通信將不予以介紹 。由于MSP430系列單片機(jī)本身有一個(gè)異步串行通信接口，因此該系列單片機(jī)使用RS232串行總線極為方便。 串行通信 本系統(tǒng)中單片機(jī)與上位機(jī)采用 RS232方式的串行通信。 本次設(shè)計(jì)獨(dú)立式鍵盤(pán)設(shè)置 4個(gè)按鍵，分別為功能選擇鍵和數(shù)值設(shè)定鍵。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按第 4 章 有害射線監(jiān)測(cè)器的硬件設(shè)計(jì) 29 鍵必須占用一根 I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O口線浪費(fèi)較大，且電路結(jié)構(gòu)顯得繁雜。鍵盤(pán)是單片機(jī)最簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備，是人工干預(yù)計(jì)算機(jī)的主要手段，與顯示器同屬人 機(jī)通信部分。本設(shè)計(jì)所用的液晶顯示模式用的就是 4MUX模式。