基于單片機(jī)的X射線食鹽碘含量在線測控系統(tǒng)

摘要：采用X射線熒光法對食鹽碘含量在線測控的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速、無損地現(xiàn)場測試碘含量，并且能夠?qū)崟r提供食鹽加碘閉環(huán)控制信號，用以對添加碘液的電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使食鹽中的碘含量始終保持在規(guī)定范圍之內(nèi)。系統(tǒng)硬件部分是由單片機(jī)STC12C5616AD和上位機(jī)PC組成。單片機(jī)用來完成碘酸鉀的閥門驅(qū)動控制和碘含量信號的采集，上位機(jī)則用計算機(jī)完成對碘含量的數(shù)據(jù)分析處理、顯示打印等操作，并且給單片機(jī)提供電磁閥控制反饋信號。

關(guān)鍵詞：X射線熒光法；食鹽碘含量；在線測控系統(tǒng)；單片機(jī)STC12C5616AD

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2420-03

根據(jù)X射線熒光法[1，2]的原理，當(dāng)?shù)恹}樣品的質(zhì)量厚度大于飽和質(zhì)量厚度時，熒光計數(shù)率與碘鹽含碘量之間存在線性關(guān)系[3]。本研究設(shè)計的基于單片機(jī)的X射線食鹽碘含量在線測控系統(tǒng)在傳統(tǒng)的加碘食鹽生產(chǎn)線中引入“碘含量的在線檢測儀”，添入閉環(huán)調(diào)節(jié)碘劑（碘酸鉀），使食鹽中的碘含量嚴(yán)格控制在國家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)[4]。碘含量的檢測是食鹽生產(chǎn)過程中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，基于食鹽碘含量在線檢測的全自動閉環(huán)控制食鹽加碘，不僅能保證食鹽最后的生產(chǎn)質(zhì)量，同時也是提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本的一個關(guān)鍵因素。

1 設(shè)計方案與原理

在線測控碘含量的食鹽生產(chǎn)流程如圖1所示。該設(shè)計的總體思路是用“碘含量的在線檢測儀”代替?zhèn)鹘y(tǒng)開環(huán)控制自動加碘的人工化驗操作[4]，并將食鹽中對應(yīng)碘含量的X射線信號轉(zhuǎn)換成與之成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號，并將該標(biāo)準(zhǔn)電信號反饋到碘液添加調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，控制碘液調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（計量泵或調(diào)節(jié)閥）的碘液流量大小，從而實現(xiàn)食鹽生產(chǎn)過程中碘含量的在線檢測和實時控制，確保食鹽中碘含量嚴(yán)格控制在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

為保證碘含量在線檢測過程的實時性，以及便于及時提供食鹽加碘閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的控制信號，“碘含量的在線檢測儀”需將X射線譜通過衍射、放大及變換轉(zhuǎn)化為與碘含量成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號，該電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行適當(dāng)算法處理，得到碘液添加的修正參數(shù)后傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)最后根據(jù)這些參數(shù)完成對碘液調(diào)節(jié)閥的電機(jī)控制。

2 硬件的設(shè)計

X射線的食鹽碘含量在線測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計由以下部分組成：光電轉(zhuǎn)換及放大保持電路，A/D轉(zhuǎn)換，X射線照射源控制，電機(jī)驅(qū)動，多點控制單元主控芯片以及計算機(jī)處理和顯示。其中主控芯片采用當(dāng)前流行的國產(chǎn)宏晶科技生產(chǎn)的單片機(jī)STC12C5616AD[5]，它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。STC12C5616AD內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 KSPS），該單片機(jī)適用于電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場合。系統(tǒng)中X射線管的開啟和曝光控制驅(qū)動采用芯片MC1413P，光電探測器選用XR-100CR，采樣放大保持電路由LF398和OP28組成，碘液電磁閥的驅(qū)動控制芯片選用ULN2003。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

2.1 X射線照射源的控制

考慮到如果每次依靠手動來啟動X射線管和控制X射線曝光時長，會對X射線管的壽命產(chǎn)生一定影響，因此可以通過多點控制單元控制X射線管的開啟和X射線曝光時長，控制驅(qū)動芯片采用的是MC1413P[6]。

2.2 探測器的光電轉(zhuǎn)換

通過“碘含量的在線檢測儀”將X射線譜衍射后，選取與碘對應(yīng)的X射線。然后X射線進(jìn)入光電探測器。光電探測器選用XR-100CR[7]電制冷SI-PIN探測器組件，該探測器采用硅光敏二極管作為X射線的靈敏元件，將帶有反饋電路的場效應(yīng)管作為輸入級；XR-100CR同時也是一種新型高效的X射線探測器、前置放大器。在制冷系統(tǒng)中用熱電冷，SI-PIN光電二極管分辨率高達(dá)149 eV。

2.3 采樣-保持與放大保護(hù)電路

由于單片機(jī)的工作電壓一般為5 V，而探測器的輸出電壓又只有幾十個毫伏，因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須經(jīng)過采樣-保持以及放大保護(hù)電路。采樣-保持電路由LF398組成。LF398采樣-保持器由雙極性絕緣柵場效應(yīng)管組成，它具有采樣速度快、下降速度慢、精度高等特點，采樣時間小于6 μs時精度可達(dá)0.01%。芯片上的邏輯輸入端均為具有低輸入電流的差動輸入，允許直接與TTL、PMOS和CMOS相連，差動門限為1.4 V，電源電壓可在±5 V和±18 V間變化。LF398采樣-保持電路典型的電路連接如圖3所示。第8引腳與單片機(jī)的P13引腳相連，用來控制電路的工作狀態(tài)；第2引腳連接直流調(diào)零電路，調(diào)節(jié)電位器，使通過其的電流約為0.6 mA左右，并使Vin=0 V時，輸出電壓Vo1（t）=0 V。其中C11為外接保持電容。

放大保護(hù)電路由CR微分電路以及放大過保護(hù)電路組成。其中放大器選擇OP285，它既有JFET放大器的壓擺率和低功耗特性，又具備雙極性放大器的精密、低噪聲和低漂移優(yōu)勢，而且壓擺率為22 V/μs，增益帶寬為230 MHz。放大保護(hù)電路如圖4所示。

圖4中C1和R21構(gòu)成微分電路，不僅可有效濾除XR-100CR探測器組件輸出的低頻波形和由電纜串入的低頻噪聲，而且有利于獲取較理想的信噪比充當(dāng)信號白化濾波器。OP285起信號放大作用，D1反向二極管避免輸出負(fù)電壓時對A/D轉(zhuǎn)換器的損壞。

2.4 MCU主控芯片模塊

使用STC12C5A60S2系列的STC12C5616AD型號的單片機(jī)[8]，它的工作電壓為3.5～5.5 V，內(nèi)部集成有16 kB的Flash程序存儲器、1 280字節(jié)RAM，另外還有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 KSPS）、2路PWM、2路串口。這些特性足以方便實現(xiàn)該單片機(jī)與計算機(jī)之間的異步串口通信、程序存儲器的讀寫、RAM緩存以及電機(jī)控制等。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于STC12C5616AD內(nèi)部已經(jīng)集成了8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 KSPS），只需選取其中一路I/O引腳就可以滿足需求，既節(jié)省了資源，又能防止使用外部A/D轉(zhuǎn)換器帶來的干擾而產(chǎn)生不穩(wěn)定。

2.6 電機(jī)驅(qū)動模塊

采用驅(qū)動控制芯片ULN2003[9]作為液體碘酸鉀流量大小閥門控制的動力。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由7個硅NPN達(dá)林頓管組成，且每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7 kΩ的基極電阻。在5 V的工作電壓下，它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。另外ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。

2.7 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

由于單片機(jī)的CPU運(yùn)算速度和處理精度有限，所以單片機(jī)在A/D轉(zhuǎn)換后通過UART端口，經(jīng)過RS232電平轉(zhuǎn)換后要送給上位機(jī)PC完成對數(shù)據(jù)的分析處理。上位機(jī)采用VC 6.0進(jìn)行編程，對從UART來的數(shù)據(jù)要進(jìn)行顯示、打印等，分析處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過UART反饋給單片機(jī)，最后由單片機(jī)的PWM來產(chǎn)生碘液閥門開啟大小的驅(qū)動控制信號，完成對碘液的閉環(huán)控制。

3 軟件的設(shè)計

軟件設(shè)計包括上位機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計和下位機(jī)程序設(shè)計。

上位機(jī)采用VC 6.0軟件實現(xiàn)碘含量數(shù)據(jù)的分析處理、回放、打印輸出等功能，把處理后的數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，使下位機(jī)的電機(jī)碘液的閥門得到有效控制并提供友好的人機(jī)界面。

下位機(jī)采用Keil開發(fā)工具可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，與上位機(jī)進(jìn)行通信，向上位機(jī)發(fā)送采集的碘譜線濃度的強(qiáng)度信息。下位機(jī)與上位機(jī)的通信采用查詢和中斷方式，并有奇偶校驗位以保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于采用的是STC12C5A60S2系列的單片機(jī)，該單片機(jī)有2個采用UART工作方式的全雙工串行通信接口。只選取一個可便捷實現(xiàn)與上位機(jī)的雙向通信[10，11]。

下位機(jī)軟件設(shè)計流程如圖5所示。

單片機(jī)開機(jī)系統(tǒng)初始化后便進(jìn)入主程序，開始循環(huán)，接著調(diào)用子程序?qū)/D掃描并緩存在寄存器中；如果有外部串口中斷，單片機(jī)就根據(jù)串行控制寄存器的REN=1接受中斷請求，若REN=0，則禁止中斷。中斷控制是發(fā)送還是接收中斷請求由TI和RI決定，由于TI和RI以邏輯關(guān)系向單片機(jī)請求中斷，所以主機(jī)響應(yīng)中斷時事先并不知道是TI還是RI請求的中斷，必須在中斷服務(wù)程序中查詢TI和RI進(jìn)行判斷。所以若單片機(jī)接收到的是發(fā)送指令，則單片機(jī)就從發(fā)送緩存器中寫入當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換值并發(fā)往上位機(jī)；若單片機(jī)接受到的是接收指令，則單片機(jī)讀出數(shù)據(jù)緩存器中數(shù)據(jù)并進(jìn)行電機(jī)的相關(guān)操作。

4 結(jié)語

引入“碘量的在線檢測儀”，采用STC12C5616AD主控制芯片實現(xiàn)X射線熒光的采集、電機(jī)驅(qū)動控制、串口通信等功能，使系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)；采用數(shù)據(jù)處理強(qiáng)大的上位機(jī)PC進(jìn)行碘含量計算分析處理；同時系統(tǒng)在探測器直接衍射后的眾多光譜中選取碘的X射線光譜，并將之轉(zhuǎn)換為與碘含量成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號，然后把該標(biāo)準(zhǔn)電信號送入單片機(jī)，從而使系統(tǒng)設(shè)計更加簡潔。試驗證明，該系統(tǒng)切實可行。該系統(tǒng)直接投入食鹽生產(chǎn)后，將提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料及人力資源，提高產(chǎn)品合格率，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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