【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定量的檢測(cè)；(5) 系統(tǒng)軟件部分采用C語言這種有較高運(yùn)行效率的編程語言，以Keil為編譯平臺(tái)，并調(diào)用其內(nèi)部函數(shù)以使程序結(jié)構(gòu)緊湊；(6) 手提式X熒光探頭設(shè)計(jì)。3． 基本原理及整體設(shè)計(jì)方案由于檢測(cè)對(duì)象的化學(xué)性質(zhì)相差較大，在傳統(tǒng)的化學(xué)分析理論基礎(chǔ)上難于找出一種集簡(jiǎn)便、精確于一身的成熟方法。再次，我們選擇使用X射線熒光檢測(cè)在其理論方面是基于前人經(jīng)驗(yàn)的積累、總結(jié)和應(yīng)用。系統(tǒng)中按功能和位置大致可以分為三大部分：檢測(cè)元件、信號(hào)放大調(diào)理電路和數(shù)據(jù)處理器，了解它們的工作原理和使用方法成了我們進(jìn)行下一步工作的前提。 X熒光分析的基本原理原子由原子核和核外電子組成，核外電子呈層狀分布。當(dāng)X光子、X光子或其它電磁輻射與物質(zhì)中原子的束縛電子發(fā)生作用時(shí)，如果入射光子的能量大于電子的結(jié)合能，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子使其發(fā)射出去，形成光電子。同時(shí)在原子的電子內(nèi)殼層形成空位，原子處于激發(fā)態(tài)。該物理過程稱為光電效應(yīng)。電子在原子中受到束縛越緊，就越容易產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此在K層激發(fā)光電效應(yīng)的機(jī)率最大，L層次之，其它層更小。發(fā)生光電效應(yīng)后，處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，其外層電子會(huì)躍遷填充內(nèi)層空位，同時(shí)發(fā)出X射線（熒光）。該X射線（熒光）的能量與外層電子與內(nèi)層電子的能級(jí)之差準(zhǔn)確相當(dāng)。即： （31）式（31）中，Ex為X射線（熒光）的能量；R為里德伯常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；C為光速；Z為原子序數(shù)；n1，n2分別為躍遷前后所處殼層的主量子數(shù)；αn為正數(shù)，與激發(fā)能級(jí)有關(guān)，對(duì)于K系αn=1。式（31）表明，光電效應(yīng)后原子退激過程中發(fā)出的X射線的能量與原子序數(shù)Z的平方成正比，這就是莫塞萊定律。每種原子光電效應(yīng)后原子退激過程中發(fā)出的X射線的能量具有特征性，因此稱之為特征X射線，或X射線熒光。根據(jù)莫塞萊定律，借助對(duì)特征X射線能量的測(cè)量，就能推斷某種原子的存在與否，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)元素組分的定性判別。這就是X熒光定性分析的理論基礎(chǔ)。特征X射線的照射量率與被測(cè)樣品中元素的含量成比例[13] （32）式（32）中：I0，Ix分別為源初級(jí)射線與目標(biāo)元素特征X射線照射量率；μ0，μx和分別為介質(zhì)對(duì)源初級(jí)射線與目標(biāo)元素特征X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)；C為待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的含量；F（H）為樣品不平度因子；K為與探測(cè)裝置相關(guān)的常數(shù)。根據(jù)特征X射線的照射量率與被測(cè)樣品中元素的含量的關(guān)系，用儀器記錄特征X射線的能量與照射量率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的定量測(cè)定。 信號(hào)放大調(diào)理電路的原理(1) CR微分成形電路與主放大器如圖31中C1與R1構(gòu)成無源CR微分電路。CR微分電路一方面既充當(dāng)信號(hào)白化濾波器，又可有效濾除XR100CR探測(cè)器組件輸出的低頻波形和由電纜串入的低頻噪聲，有利于獲取較理想的信噪比。另一方面，又與后續(xù)多級(jí)有源積分成形電路結(jié)合，構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)接近準(zhǔn)高斯濾波的成形電路。電路中Cl取4700pF，則濾波器的截止頻率為f=1/（2π?C1?R1）≈19. 5kHz。圖31 CR微分成形電路與主放大器為了將前置放大器輸出幅度為幾十mV的脈沖信號(hào)放大至0~5V，使信號(hào)能盡可能與后端處理電路的線性輸入范圍（0~5V）相匹配。主放大器的電壓增益應(yīng)為50倍左右。為了獲得高的輸入阻抗，主放大器采用同相比例放大形式，電壓增益為Av=（R2+R3）/R2。圖31中R2取50Ω，（增益誤差可由增益微調(diào)電路校正）。R2和R3的穩(wěn)定性對(duì)放大器增益穩(wěn)定性起決定性作用，應(yīng)選用低溫度系數(shù)的金屬膜電阻。(2) 濾波器電路 圖32 VCVS低通濾波器圖32為電壓控制電壓源（VCVS）濾波器電路，該電路與簡(jiǎn)單二階有源濾波器相比，使用元件數(shù)量相當(dāng)。而VCVS濾波器的過度帶（即截止頻率附近區(qū)域）的幅頻特性可以通過選擇合適元件參數(shù)、改變Q值來調(diào)整，使其幅頻特性更接近理想濾波器的幅頻特性，可以改善成形電路的性能。因而，VCVS濾波器在高能量分辨率探測(cè)系統(tǒng)的成形電路中得到廣泛的應(yīng)用。 數(shù)據(jù)處理單元的原理MCS51單片機(jī)采用的是8位中央處理器，能處理8位2進(jìn)制數(shù)或代碼。設(shè)計(jì)采用該系列的89C51芯片，其有8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線。共有256個(gè)RAM單元，其中后128單元被特殊功能寄存器占用，所以供用戶當(dāng)做寄存器使用的只有前128單元。89C51有四個(gè)8位并行I/O接口P0P3，每個(gè)接口既可以作為輸入又可以用作輸出，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。另外，89C51共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)和定時(shí)方式，并可以根據(jù)技術(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。系統(tǒng)有2個(gè)外中斷，兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷，一個(gè)串行中斷共5個(gè)中斷，分為高級(jí)和低級(jí)兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。一個(gè)全雙工的UART的串行I/O口，用以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行通信。89C51芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率位12MHz。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖33。 圖33 單片機(jī)最小系統(tǒng)引腳說明：AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，內(nèi)部自帶4K字節(jié)可編程FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，與Intel MCS51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此，AT89C51構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、效率高的微控制系統(tǒng)，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。 AT89C51是一個(gè)有40個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖33所示。與8031相比，AT80C51自帶4K的ROM和128B的RAM，因此編寫中小型系統(tǒng)就無需任何硬件進(jìn)行擴(kuò)展。主要有以下特點(diǎn)：(1) 與MCS51 兼容(2) 壽命：1000寫/擦循環(huán)(3) 全靜態(tài)工作：0Hz24Hz(4) 1288位內(nèi)部RAM(5) 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(6) 可編程串行通道(7) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 (8) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器(9) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年(10) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定(11) 32可編程I/O線(12) 5個(gè)中斷源 (13) 低功耗的閑置和掉電模式AT89C51芯片的40個(gè)引腳功能為：VCC：電源電壓GND：接地RST：復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)所有I/O引腳復(fù)位至“1”XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入XTAL2：來自反向振蕩放大器的輸出ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。/VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。P0口：8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫“1”時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：8位雙向I/O口?！?dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流，這是因內(nèi)部上拉的緣故。，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P2口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3口：～。P3口的輸出緩沖器能接收20mA的灌電流；P3口寫入“1”后，內(nèi)部上拉，可用輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見表31。P3口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)。在AT89C51中，P3端口還用于一些特殊功能，這些特殊功能如表31。表31 P3端口特殊功能端口引腳特殊功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）/INT0 （外部中斷0）/INT1 （外部中斷1）T0（定時(shí)器0外部輸入）T1（定時(shí)器1外部輸入）/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 復(fù)位電路復(fù)位操作是單片機(jī)的初始化操作。復(fù)位電路的成功與否，關(guān)系到一個(gè)單片機(jī)能否正常運(yùn)行。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外。當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)震蕩脈沖周期，即兩個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2us才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作有上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖34，這樣只要電源VCC的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位由電平復(fù)位和脈沖復(fù)位兩種，考慮到本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用，該設(shè)計(jì)選擇按鍵電平復(fù)位，電路如圖34： （a）上電復(fù)位所用圖形 （b）按鍵復(fù)位圖34 復(fù)位電路圖 外部時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，它是研究單片機(jī)指令執(zhí)行中沒個(gè)信號(hào)之間關(guān)系的基礎(chǔ)。同時(shí)，單片機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)。電路應(yīng)該在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。在MCS51系列單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路。如圖35所示。電容C1和C2通常取30PF左右，對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用?！?2MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度就快，同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印刷電路板的工藝要求也就越高（線間寄生的電容要小）[2]。圖35 時(shí)鐘振蕩電路MCS51單片機(jī)在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12MHz主要是用在高速通信系統(tǒng)中。 驅(qū)動(dòng)電路由于現(xiàn)在常用的器件都是TTL電路或MOS電路，這些電路的驅(qū)動(dòng)能力有限，尤其應(yīng)用但控制場(chǎng)合時(shí)，如輸出驅(qū)動(dòng)交流接觸器線圈，就要增加電流放大和電子轉(zhuǎn)換電路，使之和控制設(shè)備適應(yīng)達(dá)到控制的目的。在常用的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路中，通常有功率晶體管驅(qū)動(dòng)、復(fù)核人晶體管驅(qū)動(dòng)、可控硅驅(qū)動(dòng)（包括單向和雙向可控硅）、小繼電器驅(qū)動(dòng)和功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)等。在設(shè)計(jì)中，我們要絕對(duì)依從接口驅(qū)動(dòng)能力和控制設(shè)備相匹配的原則。在開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路中，采用固態(tài)繼電器，它是一個(gè)將雙向可控硅和光電耦合驅(qū)動(dòng)封裝在一個(gè)密封塊中，這種無觸點(diǎn)開關(guān)對(duì)提高單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少觸點(diǎn)開關(guān)對(duì)系統(tǒng)的影響是有利的。這種固態(tài)繼電器價(jià)格比較昂貴，但在一些系統(tǒng)工作干擾大或?qū)φw精度要求較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。4．無公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)無公害蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)儀是基于X射線熒光檢測(cè)原理，以單片機(jī)89C51為核心的非電量信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。它以快速響應(yīng)、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)適用為出特點(diǎn)。其硬件主要有三部分組成，它們是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的根本，也是任一檢測(cè)系統(tǒng)不可或缺的組成要素。 探測(cè)器選擇樣品在γ射線照射下，外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生躍遷現(xiàn)象，伴隨長(zhǎng)生特征X射線。在本設(shè)計(jì)中特征X射線信息檢測(cè)裝置以SIPIN為核心檢測(cè)元件，任務(wù)在于采集樣品受激發(fā)狀態(tài)下所發(fā)出特征X射線量值，檢測(cè)元件產(chǎn)生的微電流在前端放大器作用下變?yōu)榭蓽y(cè)電流。此時(shí)，包含信息的電流還要經(jīng)過整形電路加以調(diào)整，然后由A/D轉(zhuǎn)換器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的加工即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)——檢測(cè)出作用對(duì)象在樣品中的含量。 X射線熒光探測(cè)器X熒光探頭的性能，對(duì)整套探測(cè)系統(tǒng)的性能起決定性作用。針對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)多種元素定量測(cè)定的需要，系統(tǒng)應(yīng)易于攜帶，而且具有較高的分析靈敏度。因而需合理進(jìn)行探測(cè)器選型，同時(shí)選擇既能滿足野外測(cè)量需要、又無需供電或功耗小、而且小巧輕便的激發(fā)源。因此，探測(cè)器選型與激發(fā)源選擇是探頭設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。特征X射線的照射量率與散射射線背景與探測(cè)靈敏度密切相關(guān)。激發(fā)源、樣品與探測(cè)器（簡(jiǎn)稱“源—樣—探”）三者之間的幾何關(guān)系不同，探測(cè)器實(shí)際探測(cè)到的特征X射線的照射量率和散射射線背景通常也不同。幾何關(guān)系主要包括距離、角度和尺寸等，在選定探測(cè)器型號(hào)