【正文】 ..................................... 37 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 38 附錄 1 ......................................................................................................... 39 附錄 2 ......................................................................................................... 54 III 致謝 ............................................................................................................ 69 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 環(huán)境監(jiān)測(cè)的概念及其發(fā)展 一 、 環(huán)境監(jiān)測(cè)的概念 環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境科學(xué)的一個(gè)重要分支，是環(huán)境科學(xué)的工具、手段。除現(xiàn)有污染物的監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)有生物的、生態(tài)的監(jiān)測(cè)，還應(yīng)有其他的監(jiān)測(cè)，所以，環(huán)境監(jiān)測(cè)又可以表示為用科學(xué)的方法監(jiān)測(cè)和測(cè)定代表環(huán)境質(zhì)量及發(fā)展變化趨勢(shì)的各種數(shù)據(jù)的全過(guò)程。因此，環(huán)境分析實(shí)際上是分析化學(xué)的發(fā)展。此外，某一化學(xué)毒物的含量?jī)H是影響環(huán)境質(zhì)量的因素之一，環(huán)境中各種污染物之間、污染物與其他物質(zhì)、其他因素之間還存在著相加和拮抗作用。 監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)范圍的擴(kuò)大，雖然能夠說(shuō)明區(qū)域性的環(huán)境質(zhì)量，但由于受采樣手段、采樣頻率、采樣數(shù)量、分析速度、數(shù)據(jù)處理速度等限制，仍不能及時(shí)地監(jiān)視環(huán)境質(zhì)量變化，預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，更不能根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)布采取應(yīng)急措施的指令。這一階段稱(chēng)為污染防治監(jiān)測(cè)階段或自動(dòng)監(jiān)測(cè)階段 ]2[ 。開(kāi)展了優(yōu)化布點(diǎn)，統(tǒng)一監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，實(shí)行分析人員 上崗合格證制，創(chuàng)建和評(píng)選了國(guó)家和省級(jí)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，編輯出版了質(zhì)量保證手冊(cè)，從而保證了監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量，達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精密性、代表性、可比性、完整性的 QA 目標(biāo)。 “八五”第一年，我們就通過(guò)優(yōu)化篩選建立了由 200 個(gè)站組成的“國(guó)家環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)” (簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)控網(wǎng)” )。 目前，全國(guó)共有專(zhuān)業(yè)、行業(yè)監(jiān)測(cè)站 4800 多個(gè)，其中環(huán)保系統(tǒng) 2200 多個(gè)監(jiān)測(cè)站，行業(yè)監(jiān)測(cè)站 2600 多個(gè)。目前，我國(guó)已制定各類(lèi)國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn) 410 項(xiàng)，覆蓋了大氣、水質(zhì)、土壤、噪聲、輻射、固體廢物、農(nóng)藥等領(lǐng)域。某些元素的原子核不穩(wěn)定，內(nèi)部能夠自發(fā)地改變核結(jié)構(gòu)，從一種核變成為另一種核， 并放射出帶電的或者不帶電的粒子 (α、 β)或射線 (γ)，這種性質(zhì)稱(chēng)為放射性衰變，簡(jiǎn)稱(chēng)放射性。含有放射性元素的物質(zhì)就稱(chēng)為放射性物質(zhì)。 (2) 天然系列放射性核素：多數(shù)天然放射性核素在地球起源時(shí)就存在于地殼之中，經(jīng)過(guò)天長(zhǎng)日久的地質(zhì)年代，母體和子體之間已達(dá)到放射性平衡，從而建立了放射性核素的系列。其核裂變產(chǎn)物包括 200 多種放射性核素，還有核爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的中子與大氣、土壤、建筑材料中的核素發(fā)生核反應(yīng)形成的中子活化合物，以及剩 余未起反應(yīng)的核素。 (4) 放射性礦的開(kāi)采和利用：在稀土金屬和其他共生金屬礦開(kāi)采、提煉過(guò)程中，其三廢排放物中含有鈾、釷、氡等放射性核素，將造成所在局部地區(qū)的污染。輻射引起的電子激發(fā)作用和電離作用使機(jī)體分子不穩(wěn)定和破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子鍵斷裂和畸變，破壞對(duì)人類(lèi)新陳代謝有重要意義的酶。 二、放射性監(jiān)測(cè)方法 環(huán)境放射性監(jiān)測(cè)方法有定期監(jiān)測(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)。 (2) 樣品預(yù)處理：樣品預(yù)處理的目的是濃集對(duì)象核素、去除干擾核素和將樣品的物理形態(tài)轉(zhuǎn)換成易于進(jìn)行放射性 檢測(cè)的形態(tài)。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)、內(nèi)容和要求 本設(shè)計(jì)采用 MSP430 單片機(jī)對(duì)工作環(huán)境 中的γ射線進(jìn)行檢測(cè)的裝置設(shè)計(jì)。對(duì)放射性物質(zhì)的活度或劑量進(jìn)行測(cè) 定時(shí)需要專(zhuān)用的放射性檢測(cè)儀器，表 21 中列舉了各種常用的放射性檢測(cè)器。應(yīng)用氣體電離原理的檢測(cè)器又可分為電流電離室、正比計(jì)數(shù)管和蓋革計(jì)數(shù)管 (GM 管 )三種。 電流電離室 電流電離室通常用來(lái)研究帶電粒子所引起的總電離效應(yīng)，也就是測(cè)量輻射強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化；還可以制造成能監(jiān)測(cè)個(gè)人吸收劑量的劑量?jī)x。正比計(jì)數(shù)管給出的脈沖幅度正比于初級(jí)致電離粒子所消耗的能量，所以還可以用于能譜測(cè)量，但條件是初級(jí)粒子必須把其全部能量損耗在計(jì)數(shù)管的氣體之內(nèi)。由于輸出脈沖的大小正比于入射粒子的初始電離能，所以把這類(lèi)檢測(cè)器定名為正比計(jì)數(shù)管。 常見(jiàn)的蓋革計(jì)數(shù)管為一密閉的玻璃管 (長(zhǎng)約 12cm，直徑約 )，中間一條細(xì)絲作為陽(yáng)極，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或另外放進(jìn)一金屬圓筒作第 2 章 放射性檢測(cè)儀器原理 9 為陰極，蓋革計(jì)數(shù)管內(nèi)充約相當(dāng)于 1/5atm(約 20kPa)的惰性氣體氬，當(dāng)氣體受輻照電離后，在工作電壓下產(chǎn)生微弱電流，再將其放大 710 ~ 1010 倍。圖 21 所示是蓋革計(jì)數(shù)管用于測(cè)量射線強(qiáng)度的整套示意圖。 閃爍檢測(cè)器以其高靈敏度和高計(jì)數(shù)率的優(yōu)點(diǎn)而被用作測(cè)量 α輻照強(qiáng)度、β輻照強(qiáng)度、 γ 輻照強(qiáng)度。閃爍檢測(cè)器的測(cè)量結(jié)果在 量子統(tǒng)計(jì)性的限度內(nèi)有一定的重復(fù)性。粒子射入元件后，產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，從而得到可測(cè)量的脈沖電流。也就是說(shuō)，在同樣外加能量下，半導(dǎo)體中生成電子 空穴對(duì)數(shù)比閃爍探測(cè)器中生成的光電子數(shù)多 1000 倍。 硅半導(dǎo)體檢測(cè)器可用于 α 計(jì)數(shù)和測(cè)定 α 能譜及 β 能譜。應(yīng)用這類(lèi)檢測(cè)元件時(shí)，因?yàn)槭覝叵落嚾菀滋右荩砸谝旱?(196℃ )工作 ]5[ 。單片機(jī)在設(shè)計(jì)上主要突出了控制功能，調(diào)整了接口配置，在單一芯片上制成了結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)，因此，單片機(jī)也稱(chēng) 為微控制器 (MCU)。 (4) 可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高 ]6[ 。 MSP430 系列單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，有及廣闊的應(yīng)用范圍。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 四、 豐富的片內(nèi)外設(shè) MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富 的片內(nèi)外設(shè)。 五、 方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 4 種類(lèi)型器件： OTP 型、 FLASH 型、 EPROM 型和 ROM 型。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C語(yǔ)言。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (2) 直接嵌入仿真處理，具有 JTAG 接口。 MSP430 的內(nèi)核 CPU 結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明的宗旨而設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。對(duì)程序存儲(chǔ)器總是以字的形式取得代碼，而對(duì)數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問(wèn)。它們分別是以下一些外圍模塊的組合：時(shí)鐘模塊，看門(mén)狗，定時(shí)器 A，定時(shí)器 B，比較器 A，串口 0、 1，硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換，端口，基本定時(shí)器， DMA 控制器等 ]8[ 。常數(shù)發(fā)生器是為指令執(zhí)行時(shí)提供常數(shù)的，而不是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。因此， RAM、 ROM 和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi)，即用一個(gè)公共的空間對(duì)全部功能模塊進(jìn)行尋 址。 (2)8位、 16位外圍模塊占用相同范圍的存儲(chǔ)器地址。 但是 由于器件所屬型號(hào)的不同，存儲(chǔ)空間的分布也存在一些差異：程序存儲(chǔ)器容量不同，所以起始地址也不同；僅 FLASH 型有信息存儲(chǔ)器和引導(dǎo)存儲(chǔ)器，而且不同器件它們的地址不同；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的末地址不一樣，中斷向量和 8 位、 16 位外圍模塊的內(nèi)容不同等。程序代碼必須偶地址尋址。這些寄存器也分為字節(jié)結(jié)構(gòu)和字結(jié)構(gòu)，因此，地址空間 0100H~01FFH 留作安排字模塊，地址空間 0010H~00FFH 安排字節(jié)模塊，地址空間0000H~000FH 保存特殊功能寄存器，如表 31 所示。 表 31 外圍模塊空間分布 01FFH~0100H 16 位外圍模塊 00FFH~0010H 8 位外圍模塊 000FH~0000H 特殊功能寄存器 本章小結(jié) 本章主要介紹了 MSP430 單片機(jī)的一些基本概念以及特點(diǎn)，對(duì) MSP430單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單敘述，初步的了解了 MSP430 單片機(jī)，其中MSP430 單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)的原理及使用方法沒(méi)有在本章詳細(xì)敘述，如MSP430 的各種 I/O 端口，各種定時(shí)器等等，在下一章硬件設(shè)計(jì)中將詳細(xì)敘述它們的原理及使用方法。 其中采集數(shù)據(jù)傳感器采用專(zhuān)用傳感器（蓋格管）檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有害射線含量，鍵盤(pán)選擇獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)， 設(shè)置 4 個(gè)按鍵，分別為功能選擇鍵和數(shù)值設(shè)定鍵。 MSP430F4250 傳感器 鍵盤(pán) LCD MAX3222 PC JTEG 報(bào)警 圖 41 系統(tǒng)硬件原理框圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 42 MSP430F4250 管腳布置 其引腳功能如表 41 所示。 TMS 用作裝置程序和測(cè)試的輸入口 TCK 測(cè)試時(shí)鐘。但只有 P1 和 P2 口具有中斷能力，其每個(gè)引腳信號(hào)都可作為一個(gè)中斷源。 (1) P1DIR， P2DIR P1 和 P2 端口方向選擇寄存器 相互獨(dú)立的 8 位分別定義了 8 個(gè)引腳的輸入 /輸出方 向。 圖 43 P1 和 P2 口的結(jié)構(gòu) (2) P1IN， P2IN P1 和 P2 端口輸入寄存器 輸入寄存器是 CPU 掃描 I/O 引腳信號(hào)的只讀寄存器。 可用所有包含目的操作數(shù)的指令修改，以達(dá)到改變 I/O 口狀態(tài)的目的。 P1IE 和 P2IE 的各位定義如下： 0：禁止該位中斷； 1：允許該位中斷。 (6)P1IFG， P2IFG P1 和 P2 端口中斷標(biāo)志寄存器 該寄存器有 8 個(gè)標(biāo)志位，標(biāo)志相應(yīng)引腳是否有待處理中斷的信息，即相應(yīng)引腳是否有中斷請(qǐng)求。 0：選擇引腳為 I/O 端口； 1：選擇引腳為外圍模塊功能。 每個(gè)端口的 4 個(gè)寄存器分別為： P5 和 P6 端口方向選擇寄存器 (PnDIR)，第 4 章 有害射線監(jiān)測(cè)器的硬件設(shè)計(jì) 23 輸入寄存器 (PnIN)，輸出寄存器 (PnOUT)，功能選擇寄存器 (PnSEL)。 MSP430 系列有豐富的定時(shí)器資源：看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)，基本定時(shí)器 (Basic Timer1)，定時(shí)器 A(Timer_A)和定時(shí)器 B (Timer_B)等。 看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT) 看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)定時(shí)器，其主要功能是：當(dāng)程序發(fā)生故障時(shí)能使受控系統(tǒng)重新啟動(dòng)。 WDT 有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的控制寄存器 WDTCTL， WDTCTL 由兩部分組成：高 8 位被用作口令，低 8 位是對(duì) WDT 操作的控制命令?？芍苯幼x取地址 120H 中的內(nèi)容，讀出數(shù)據(jù)低字節(jié)為 WDTCTL 的值，高字節(jié)始終為 69H。 0： T 152 ； 1： T 132 ； 2： T 92 ； 3： T 62 。與其他定時(shí)器不同之處在于， WDT 最多只能定時(shí) 8 種和時(shí)鐘源相關(guān)的時(shí)間。 NMI 選擇 RST /NMI 引腳功能，在 PUC 后被復(fù)位。 HOLD 停止看門(mén)狗定時(shí)器工作，降低功耗。每一個(gè)比較 /捕獲通道都可以以 16 位定時(shí)器的定時(shí)功能為核心進(jìn)行單獨(dú)的控制。 (4) 可實(shí)現(xiàn)串行通訊。 (8) 支持多時(shí)序控制。 (2) 捕獲 /比較器：用于捕獲事件發(fā)生的時(shí)間或產(chǎn)生時(shí)間間隔，捕獲比較功能的引入主要是為了提高 I/O 端口處理事務(wù)的能力和速度。 Timer_A 有豐富的寄存器資源，這里僅介紹 Timer_A 的控制寄存器TACTL，全部關(guān)于定時(shí)器及其操作的控制位都包含在定時(shí)器控制寄存器TACTL 中。 ID1， ID0 輸入分頻選擇。 00：停止模式； 01：增計(jì)數(shù)模式； 10：連續(xù)計(jì)數(shù)模式； 第 4 章 有害射線監(jiān)測(cè)器的硬件設(shè)計(jì) 27 11：增 /減計(jì)數(shù)模式。 TAIFG 定時(shí)器溢出標(biāo)志位。 液晶顯示 在單片機(jī)系統(tǒng)中， 比較 常用的顯示 設(shè)備 有：發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱(chēng) LED(Light Emitting Diode)；液晶顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng) LCD；熒光管顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng) VFD(Vacuum Fluorescents Display)。目前液晶顯示器可分成 3 大種類(lèi)，分別是扭曲向列型 (Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱(chēng) TN)、超扭曲向列型 (Super Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱(chēng) STN)和彩色薄膜型 (Thin Film Transistors，簡(jiǎn)稱(chēng) TFT)。這種模式的最大優(yōu)點(diǎn)就是能使用最少的引腳提供最多的液晶顯示段。輸入數(shù)據(jù)、查詢(xún)和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤(pán)。 非編碼式鍵盤(pán)可分獨(dú)立式鍵盤(pán)和行列式鍵盤(pán)兩種：獨(dú)立式鍵盤(pán)中 ，每個(gè)鍵占用一根 I/O口線，每根 I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它I/O口線上的狀態(tài)。在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體應(yīng)用情況，選擇了 獨(dú)立 式鍵盤(pán)。其按鍵電路如圖 46所示 ]13[ 。 RS232主要用來(lái)定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間接口的電氣特性。串行通信可分為同步和異步通信兩種類(lèi)型