【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)測的概念及其發(fā)展 一 、 環(huán)境監(jiān)測的概念 環(huán)境監(jiān)測是環(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。本儀器具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、閾值設(shè)定、通訊、越限報(bào)警等主要功能。這一階段稱之為污 染監(jiān)測階段或被動監(jiān)測階段?；拘纬闪藦谋O(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化、樣品的采集與輸送，實(shí)驗(yàn)室分析到數(shù)據(jù)處理、報(bào)告的綜合編寫等全過程的監(jiān)測質(zhì)量保證體系。常見的衰變有 α、 β、 γ 和電子俘獲四種形式。 三、放射性污染的危害 放射性核素可通過呼吸道吸入、 消化道攝入、皮膚或黏膜侵入三種途徑進(jìn)入人體并在體內(nèi)蓄積。其中包括了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。由于這個(gè)原因，正比計(jì)數(shù)管大多用于低能 γ射線的能譜測量和鑒定放射性核素用的 α射線的能譜測量。由于它對不同能量的射線具有很高的分辨率，所以又可做譜儀使用。對 γ 射線一般采用鍺半導(dǎo)體做檢測元件，因?yàn)殒N原子序數(shù)較大，對 γ 射線吸收效果更好。 MSP430 系列單片機(jī)具有以下一些共同的特點(diǎn) 。 六、工業(yè)級的產(chǎn)品 MSP430 系列器件均為工業(yè)級的，運(yùn)行環(huán)境溫度為 40~+85℃ ]7[ 。 MSP430CPU 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) MSP430 系列單片機(jī)的 CPU 由一個(gè) l6 位的 ALU、 16 個(gè)寄存器和一套指令控制邏輯組成。使用時(shí)請參見相關(guān)手冊。其中功能選擇為工作模式、參數(shù)設(shè)置模式和報(bào)警模式。 8 位在 PUC 后都被復(fù)位。寄存器定義如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 PnIFG.7 PnIFG.7 PnIFG.7 PnIFG.7 PnIFG.7 PnIFG.7 0：沒有中斷請求； 1：有中斷請求。如果 WDT 超過所定時(shí)的時(shí)間，即發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位。 CNTCL 當(dāng)該位為 1 時(shí)，清除 WDTCNT。 (5) 完善的中斷服務(wù)功能。 00：不分頻； 01： 2 分頻； 10： 4 分頻； 11： 8 分頻。 MSP430 液晶驅(qū)動模塊 MSP430 液晶驅(qū)動模塊有如下的特點(diǎn)： (1) 具有顯示緩存器； (2) 所需的 SEG、 COM 信號自動產(chǎn)生； (3) 4 種驅(qū)動方法； (4) 多種掃描頻率； (5) 段輸出端口可以切換為通常輸出端口； (6) 顯示緩存器可作為一般存儲器； 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 46 按鍵電路 圖 45 4MUX 模式 (7) 用 ACLK 經(jīng) Basic Timer 產(chǎn)生頻率。 本次設(shè)計(jì)獨(dú)立式鍵盤設(shè)置 4個(gè)按鍵，分別為功能選擇鍵和數(shù)值設(shè)定鍵。這種通信。這種結(jié)構(gòu)的軟件較繁瑣。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。 00： TACLK； 01： ACLK； 10： MCLK； 11： INCLK。 (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。 由 IS0、 IS1 及 SSEL 3 位便可確定 WDT 定時(shí)時(shí)間，因此通過軟件對計(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)。本設(shè)計(jì)用到的定時(shí)器有看門狗定時(shí)器 (WDT)和定 時(shí)器A(Timer_A)，所以下面簡單介紹一下這兩個(gè)定時(shí)器。 0：對應(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。 P1 和 P2 口的結(jié)構(gòu)如圖 43 所示。其原理框圖如圖 41 所示。 (5)程序存儲器的最高地址都是 0FFFFH。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。這種方式只需要一臺 PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。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。但由于其元件體積很小，較容易實(shí)現(xiàn)對組織中某點(diǎn)進(jìn)行吸收劑量測定。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放大、記錄下來。 正比計(jì)數(shù)管 正比計(jì)數(shù)管檢測器廣泛用于 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。 (4) 個(gè)人外照射劑量的測定：個(gè)人劑量是佩帶在身體適當(dāng)部位，用來測量個(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[ 。 (3) 工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等部門的排放廢物：這些部門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。 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 基礎(chǔ)知識 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。由環(huán)保部門和其他部門的有關(guān)單位開發(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。由于環(huán)境污染物通常處于痕量級 (ppm、 ppb)甚至更低，并且基體復(fù)雜，流動性變異性大，又涉及空間分布及變化，所以對分析的靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率和分析速度等提出了很高要求。目前最常用的 檢測器有三類，即電離型檢測器、閃爍檢測器和半導(dǎo)體檢測器。所以，環(huán)境監(jiān)測是間斷或者連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的種類、濃度、觀察分析其變化和對環(huán)境影響的過程?？梢栽跇O短時(shí)間內(nèi)觀察到空氣、水體 污染濃度變化、預(yù)測預(yù)報(bào)未來環(huán)境質(zhì)量。此外還建有噪聲監(jiān)測網(wǎng)、輻射監(jiān)測網(wǎng)、區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)等。 二、人為放射性污染的來源 引起環(huán)境放射性污染的主要來源是生產(chǎn)和應(yīng)用放射性物質(zhì)的單位所排出的放射性廢物，以及核武器爆炸、核事故等產(chǎn)生的放射性物質(zhì)。 對環(huán)境樣品進(jìn)行放射性測量和對非放射性環(huán)境樣品監(jiān)測過程一樣，也是經(jīng)過樣品采集、樣品預(yù)處理和選擇適宜方法、儀器測定三個(gè)過程。以上三種檢測器之所以有不同的工作狀態(tài)和不同的功能，主要是由于對它們所施加的工作電壓不同，從而引起電離過程不同。蓋革管的充氣氣壓小于 1/4atm (約 25kPa)，工作電壓從幾百伏特至 1500 伏特。與前述兩類檢測器相比，在半導(dǎo)體檢 測元件中產(chǎn)生電子 空穴對所需能量要小得多。 (2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳性價(jià)比。其中看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為 A/D 轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲 /比較功能，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn) 多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多可達(dá)到 6 8 條 I/O 口線，而且 I/O 口線具有中斷能力； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達(dá) 120 段。 (2) 存儲器：存儲程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運(yùn)行控制信息?，F(xiàn)以 64KB 的存儲空間為例說明MSP430 的存儲器使用情況，如圖 33所示。訪問不被占用的內(nèi)存單元也是沒有意義的，不能對其進(jìn)行讀寫操作。 注意： TA0 在這個(gè)引腳僅是輸出 /BSL 接收口 ,捕獲 :CCI0A 輸入 ,比較 :Out0 輸出 / BSL 發(fā)送口 LCDREF/R13 LCD 外部參考電壓輸入 /第三輸入端口 LCD 最大模擬電壓級 LCDCAP/R23 LCD 充電電容 連接口 /第二輸入端口 LCD 最大模擬電壓級 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 續(xù)表 2 S5 LCD 段輸出 5 COM0 公用輸出口， COM03 被用作 LCD 公共輸出端 I/O 端口 在 MSP430F4250 這個(gè)型號的單片機(jī)中有 P P P5 和 P6 四個(gè) I/O 端口。改變方向寄存器的內(nèi)容，輸出緩存的內(nèi)容不受影響。 定時(shí)器 定時(shí)功能模塊是 MSP430 應(yīng)用系統(tǒng)中經(jīng)常用到 的重要部分，可用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制、延遲、頻率測量、脈寬測量和信號產(chǎn)生、信號檢測等。 下面是 WDTCTL 寄存器各位的定義： 15~8 7 6 5 4 3 2 1 0 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 口令 HOLD NMIES NMI TMSEL CNTCL SSEL IS1 IS0 IS0， IS1 選擇看門狗定時(shí)器的定時(shí)輸出。 16 位定時(shí)器 A(Timer_A) TI 推出的所有 MSP430 系列 FLASH 型單片機(jī)都有定時(shí)器 A(Timer_A)，它是程序設(shè)計(jì)的核心。 (3) 輸出單元：具有可選的 8 種輸出模式，用于產(chǎn)生用戶需要的輸出信號。 連續(xù)計(jì)數(shù)模式：當(dāng)定時(shí)器由 0FFFFH 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)， TAIFG 置位。 微機(jī)鍵盤可分為編碼和非編碼兩種：編碼鍵盤采用硬件線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤編碼，每按下一個(gè)鍵，鍵盤能自動生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還能由硬件實(shí)現(xiàn)去抖動和采取一些保護(hù)措施。 許多外部設(shè)備和計(jì)算機(jī)是按照串行方式來進(jìn)行通信的。 RS232是使用最早，應(yīng)用最多的一種異步串行通訊總線，它是美國電子工業(yè)協(xié)會 (Electronic Industries Association)1962年公布的， 1969年最后一次修訂而成。圖 45表示了4MUX顯示模式下的公共端與驅(qū)動端，其中 (a)說明了一個(gè)“ 8”字的四個(gè)公共端， (b)說明了兩個(gè)驅(qū)動端，當(dāng)分別給公共端與驅(qū)動端液晶信號時(shí)，就顯示對應(yīng)的數(shù)碼 ]12[ 。 TAIE 定時(shí)器中斷允許位。 圖 44 為 Timer_A 結(jié)構(gòu)原理圖。 NMIES 選擇中斷的邊沿觸發(fā) 方式?？诹顬?AH，如果口令寫錯(cuò)將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。除掉端口 P1 和 P2 與中斷相關(guān)的 3 個(gè)寄存器，端口 P5 和 P6 有 4 個(gè)寄存器供用戶使用。此時(shí)引腳的方向必須選定為輸入。 TDO/TDI 數(shù)據(jù)輸出或程序數(shù)據(jù)輸入口 TDI/TCLK 測試數(shù)據(jù)或測試時(shí)鐘輸入。 圖 33 MSP430存儲空間分配 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 三、外圍模塊寄存器 MSP430 系列單片機(jī)內(nèi)所有外圍模塊都可以用軟件訪問和控制，外圍模塊相關(guān)的控制寄存器和狀態(tài)寄存器都被安排在 0000H~01FFH 范圍的RAM 中。 在 CPU 內(nèi)部有一組 l6 位數(shù)據(jù)總線和 l6 位的地址總線； CPU 運(yùn)行正交設(shè)計(jì)、對模塊高度透明的精簡指令集； PC、 SR 和 SP 配合精簡指令組所實(shí)現(xiàn)的控制，使應(yīng)用開發(fā)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的尋址模式和軟件算法。 (4) 16 位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更為有效。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。其中電離型檢測器中，又重點(diǎn)介紹了電流電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革 (GM)計(jì)數(shù)管三種電離型檢測器，針對各種不同放射性檢測儀器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)擬定采用蓋革 (GM)計(jì)數(shù)管作為射線數(shù)據(jù)采集的傳感器。 閃爍檢測器的工作原理與以下三個(gè)過程相關(guān)聯(lián)： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (1) 射線使某些熒光體分子激發(fā)，當(dāng)分子重返低能級時(shí)，即發(fā)出光子； (2) 光電敏感物質(zhì)受光后發(fā)出光電子； (3) 光電子經(jīng)倍增放大后得到可測量的輸出脈沖。該計(jì)數(shù)器對進(jìn)入其靈敏區(qū)域的粒子的有效 計(jì)數(shù)率接近于 100%；它的另一個(gè)工作特點(diǎn)是，對不同射線都給出大小相同的脈沖，因此不能用于區(qū)別不同的射線。最常用的檢測器有三類，即電離型檢測器、閃爍檢測器和半導(dǎo)體檢測器。 監(jiān)測對象及方法 一、放射性監(jiān)測的對象及內(nèi)容 放射性監(jiān)測按照監(jiān)測對象可分為： ① 現(xiàn)場監(jiān)測，即對放射性物質(zhì)生產(chǎn)或應(yīng)用單位內(nèi)部工作區(qū)域所作的監(jiān)測；②個(gè)人劑量監(jiān)測，即對放射性專業(yè)工作人員或公眾作內(nèi)照射和外照射的劑量監(jiān)測；③環(huán)境監(jiān)測，即對放射性生產(chǎn)和應(yīng)用單位外部環(huán)境，包括空氣、水體、土壤、生物、固體廢物等所作的監(jiān)測。 環(huán)境中放射性的來源和危害 一、天然放射性的來源 (1) 宇宙射線及其引生的放射性核素：宇宙射線是一種從宇宙空間射到地面來的射線，由初級宇宙射線和次級宇宙射線組成。根據(jù)加強(qiáng)流域環(huán)境管理的需要， 1994 年以來，分別組建了“長江暨三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”、“淮河流域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”、“太湖流 域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”和“近岸海域環(huán)境監(jiān)測