摘 要：盖革计数器可以检测各种物质及周围环境的放射性，广泛用于工业、科研、医疗、装修家居环境等的放射性辐射检测，本文研究的盖革计数器采用AT89C52单片机为控制核心，对盖革管输出信号进行检测计数，并实时快速计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。相比于传统盖革计数器，具有灵敏度高、检测迅速、显示直观、小巧便携的特点。
关键词：单片机；盖革计数管
0 引言
传统便携式辐射测试仪多采用小型盖革计数管，灵敏度低，测试时间过长，测量数据没有数显装置、只有声音指示。本文研究了一种基于AT89C52的数显盖革计数器，对盖革管输出信号进行检测计数，并实时快速计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。具有灵敏度高、检测迅速、显示直观、小巧便携的特点。
1 盖革管的工作原理
盖革计数器又叫气体电离探测器，是由H.盖革和P.米勒在1928年发明的。它是一种专门探测电离辐射(包括α粒子、β粒子、γ射线)强度的计数仪器。
盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计而成的，最常用的是金属丝计数器。盖革管的结构如图1-1所示，用一根两端用绝缘物质密闭的金属圆管作为阴极，沿管的轴线安装一根金属丝电极作为阳极，相互绝缘的密闭在一个玻璃泡内，里面充入惰性气体和微量溴等卤族气体，并在金属管壁和金属丝电极之间加上400V电压（电压略低于管内气体的击穿电压）。在通常状态下，管内气体不放电；而当某种射线的高速粒子进入管内时，能够使管内气体电离，产生的电子在电压作用下飞向金属丝阳极。些电子沿途又电离气体的其它原子，释放出更多的电子。不到1微秒的时间越来越多的电子再接连电离越来越多的气体原子，终于使管内气体成为导电体，在金属丝与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。电流经过放大后，计数器自动地记录下每个粒子飞入管内时的放电，由此可检测出粒子的数目。
图1-1 盖革管示意图
2 盖革计数器的设计
图2-1 盖革计数器框图
2.1 系统框图
盖革计数器系统由盖革计数管、单片机、电源电路、放大缓冲电路及液晶显示部分组成，如图2-1所示。
2.2 设计参数
控测器：大接收面积带能量补偿高平坦坪区盖革计数管（存命1*10^9次），可测量X射线，γ射线和β射线。
测量范围: 0.01～100μSv/h，0～60000CPM
能量响应范围：50KeV-3MeV
相对基本误差：≤±6%
显示数据：脉冲数CPM，辐射轻度μSv/h
显示精度:0.001uSv/h
计量本底辐射计数率110次/分钟
灵敏度：250CPM/uSv/h(对于钴60）
仪表体积（包括探头) :L300×W90×H60㎜
重量:小于0.3kg
2.3 元件选型
2.3.1 电源电路
电源可选择单节锂电池或者三节5号电池，输入电压在3V-4.5V可维持正常工作。盖革计数管需要400V的工作电压，单片机需要5V工作电压，所以电池电压通过逆变电路升压并进行稳压，输出400V电压给盖革计数管供电，输出5V电压给单片机供电。
2.3.2 盖革计数管
盖革计数管采用新型J408-β/γ型，可同时测量X、β、γ三种射线，体积小巧，可以同时兼顾高灵敏度和便携性，J408直径18mm，长度220mm，工作电压400V，工作温度-40℃~ +55℃，本底计数110CPM，灵敏度可达380cps/uR/s。
2.3.3 单片机部分
单片机的选择在整个系统设计中至关重要，本文选择AT89C52作为主控芯片，AT89C52是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，它内含8KB的可反复檫写(大于1000次）的程序存储器，和256字节随机存取数据存储器（RAM）。器件兼容标准MCS-51指令系统，配置通用的8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C52单片机功能强大，在电子行业、控制领域中有着广泛的应用。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在硬件组成、引脚排列、指令系统和工作特点等方面兼容。它的工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；最高工作频率为24MHz。其主要工作特性有：
（1）32根可编程I/O口线；
图1-3 盖革计数器系统硬件电路
（2）串行口是一个全双工的可编程串行通信口；
（3）具有3个16位可编程定时/计数器中断；
（4）中断系统是具有6个中断矢量、8个中断源、2个级优先权的中断结构；
（5）具有一个数据指针DPTR；
（6）具有可编程的3级程序锁定位；
(7)低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
(8)有PDIP、PQFP、TQFP 等封装形式，可适应不同产品需求。
3 硬件电路
硬件电路图如图1-3所示，由3-5V电池供电，其电压通过逆变电路升压为400V后给盖革管供压。盖革管阳极串联5-10M的限流电阻接400V电压，以防盖革管损坏，阴极在受到辐射后会输出约10V左右高电平脉冲，脉宽约2ms，经滤波放大后送入CD4049反响缓冲器进行整形，以利于准确的让单片机识别有效脉冲，减小干扰，增加测量稳定性和准确性。
脉冲通过INT1引脚进入AT89C52单片机后，单片机对盖革管输出信号进行检测并计算出辐射值，最后显示在液晶显示屏上。
4 软件设计
软件设计每1分钟为采样频率，显示近一分钟的脉冲数CPM，同时通过单片机计算辐射强度，一并显示在1602液晶屏上。打开电源后，单片机开始工作，因开机第一分钟没有测量数据，此时单片机显示开机信息，可以自定义，如欢迎信息、仪器工作参数等，此时数盖革计数管加电工作，受辐射后输出脉冲，通过单片机中断INT1对脉冲进行计数，每一次脉冲计数加1，同时蜂鸣器发生一次，实时提醒辐射强度，计时器T0进行计时一分钟，一分钟内计数重复累加，满足一分钟后，单片机对脉冲次数按照公式进行计算近一分钟的辐射强度，公式内设置变量A，可以根据不同盖革计数管个体差异灵敏度，方便调试，以保证测量精度，后更新液晶屏现实，将计算的辐射强度和近一分钟的脉冲数值直观的显示值在液晶屏上。完成一分钟测量后，计数器和计数器清零，重新开始计数计时，进行下一分钟的测量。
5 仪表调试
由于每个盖革计数管存在个体差异，本设计采用了型号J408的盖革管，灵敏度为380cps/uR/s，仪表要通过钴60放射源进行标定校准，辐射单位伦琴（R）为照射量单位，表示的是存在的辐射量，不等于生物组织的吸收情况，西弗(又译希沃特,英文
缩写Sv)是一个国际单位制导出单位,用来衡量辐射对生物组织的伤害，在仪器中用常用uSv/h（微西弗每小时）来衡量当前环境的辐射强度，1uR=0.01uSv，那么380cps/uR/ s=380*60cpm/0.01uSv/(1/3600)h=1.67*380cpm/uSv/h，如前所述，软件设计为每一分钟采集盖革管脉冲数即CPM，设定实时采集脉冲数为K，则辐射强度为K/（1.67*380）uSv/h，软件设计中设定变量A=1/（1.67*380），精度调试时，根据灵敏度更改变量A，可以方便的调试仪器精度，无需调整其他参数既可以让仪器高精度运行，实际测试使用良好，自然环境本底计数在120CPM左右，各地本底辐射值有差异，测量中如需计算辐射源的绝对辐射值，可以先测量本底辐射再减去本底辐射值。
