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基于Atmega328P的Android界面X射线机曝光时间测量装置设计方案

来源：

2025-08-13

类别：工业控制

拍明芯城

基于Atmega328P的Android界面X射线机曝光时间测量装置设计方案

一、项目背景与需求分析

X射线机的曝光时间是影响成像质量与辐射剂量的核心参数。传统测量方法依赖电秒表或专用仪器，存在操作复杂、数据孤岛、实时性差等问题。本方案旨在设计一款基于Atmega328P微控制器的非介入式曝光时间测量装置，通过Android界面实现实时数据可视化与远程控制，满足医疗、工业检测领域对高精度、易用性、可扩展性的需求。

装置需实现以下功能：

非介入式测量：通过闪烁体与光电探测器捕获X射线脉冲，避免对设备电路的物理干预。
高精度计时：利用Atmega328P的定时器模块实现微秒级时间分辨率，误差≤1%。
Android交互：通过蓝牙/Wi-Fi模块将数据传输至手机，提供实时曲线显示、历史记录查询、参数配置功能。
低功耗设计：支持电池供电，待机电流≤50μA，满足便携式场景需求。

二、核心元器件选型与功能解析

1. 微控制器：Atmega328P-AU（Microchip）

型号选择依据：

性能匹配：16MHz主频、16MIPS处理能力，足以处理定时器中断、ADC采样、串口通信等任务。
低功耗特性：支持休眠模式（电流≤1μA），适合电池供电场景。
资源丰富：32KB Flash、2KB SRAM、1KB EEPROM，满足程序存储与数据缓存需求。
开发友好：Arduino生态支持，简化编程与调试流程。

功能实现：

控制定时器1（16位）实现高精度计时，通过输入捕获功能记录X射线脉冲的上升沿与下降沿。
管理蓝牙模块（HC-05）与Android设备的通信，解析指令并返回测量数据。
监测电源电压（通过ADC读取分压电路），低电量时触发报警。

2. X射线探测模块：CsI(Tl)闪烁体+SiPM光电传感器（Hamamatsu S13360-6050CS）

型号选择依据：

闪烁体材料：CsI(Tl)具有高光产额（54,000光子/MeV）、短衰减时间（0.6μs），适合快速脉冲测量。
光电传感器：SiPM（硅光电倍增管）相比传统PMT（光电倍增管），具有抗磁场干扰、工作电压低（30V）、增益可调等优势。Hamamatsu S13360系列集成10,000个微单元，响应速度快（纳秒级），暗计数率低（≤100kHz）。

功能实现：

闪烁体将X射线转换为可见光（峰值波长550nm），SiPM将光信号转换为电脉冲信号。
信号经运算放大器（LMV358）放大后输入Atmega328P的ADC引脚，触发定时器捕获。

3. 信号调理电路：LMV358运算放大器（TI）

型号选择依据：

低功耗：静态电流仅50μA，适合电池供电。
高精度：输入失调电压≤1mV，输入偏置电流≤1nA，减少信号失真。
带宽匹配：单位增益带宽3MHz，满足SiPM输出信号（MHz级）的放大需求。

功能实现：

将SiPM输出的微弱电流信号（μA级）转换为电压信号（0-3.3V），并调整增益以适配ADC量程。
滤波电路（RC低通，截止频率100kHz）抑制高频噪声，提高信噪比。

4. 通信模块：HC-05蓝牙转串口（广州汇承）

型号选择依据：

兼容性：支持AT指令配置，与Atmega328P的UART接口无缝对接。
传输速率：最大2Mbps，满足实时数据传输需求。
低功耗：待机电流≤1mA，工作电流≤30mA。

功能实现：

建立Android设备与测量装置的无线连接，传输曝光时间数据、设备状态信息。
接收Android指令（如开始测量、校准、重置），控制装置工作模式。

5. 电源管理模块：TPS63031 DC-DC转换器（TI）

型号选择依据：

宽输入范围：2.5V-5.5V，兼容锂电池（3.7V）与USB供电（5V）。
高效率：升压/降压模式转换效率≥90%，减少能量损耗。
低静态电流：典型值18μA，延长电池续航。

功能实现：

将输入电压转换为3.3V稳定输出，为Atmega328P、SiPM、蓝牙模块供电。
通过使能引脚（EN）控制模块开关，实现低功耗管理。

6. 用户界面：Android应用（基于Java/Kotlin开发）

功能设计：

实时监测：以曲线图形式显示曝光时间变化趋势，支持缩放与平移。
历史记录：本地存储测量数据，支持按日期、设备ID筛选与导出（CSV格式）。
参数配置：设置测量间隔（1ms-1s）、触发阈值（电压值）、通信协议（蓝牙/Wi-Fi）。
远程控制：通过按钮触发单次测量或连续监测模式。

技术实现：

使用Android Studio开发，依赖蓝牙API（BluetoothAdapter、BluetoothSocket）实现通信。
采用MPAndroidChart库绘制实时曲线，SQLite数据库存储历史数据。

三、硬件电路设计

1. 探测模块电路

SiPM输出信号经LMV358放大后，连接至Atmega328P的ADC0引脚（PA0）。为减少干扰，采用四层PCB设计，将模拟地与数字地分割并通过0Ω电阻单点连接。

关键参数：

SiPM工作电压：30V（由TPS61099升压模块提供）。
放大电路增益：10倍（R1=10kΩ，R2=100kΩ）。
滤波截止频率：100kHz（R=1.6kΩ，C=1nF）。

2. 定时器配置电路

Atmega328P的定时器1配置为输入捕获模式，外部时钟源（X射线脉冲）触发上升沿与下降沿捕获。为提高精度，采用16MHz晶振（CS210-16.00MHz）与两个22pF负载电容（GND连接）。

寄存器设置：

TCCR1A = 0x00; // 普通模式
TCCR1B = (1<<ICNC1) | (1<<ICES1) | (1<<CS10); // 输入捕获噪声滤波，上升沿触发，无预分频
TIMSK1 = (1<<ICIE1); // 使能输入捕获中断

3. 电源电路

锂电池（3.7V）通过TPS63031转换为3.3V，为各模块供电。为监测电池电量，采用电阻分压电路（R1=100kΩ，R2=220kΩ）将电压降至ADC可读范围（0-3.3V对应0-4.2V电池电压）。

保护设计：

输入端反向保护：1N5819肖特基二极管（Vf≤0.3V）。
过压保护：SMAJ5.0A TVS二极管（钳位电压5V）。

四、软件程序设计

1. Atmega328P固件流程

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

#define SIPM_PIN PA0
#define THRESHOLD 1.5 // 触发阈值（V）

volatile uint32_t capture_time = 0;
volatile uint8_t capture_flag = 0;

void setup_timer1() {
TCCR1A = 0x00; // 普通模式
TCCR1B = (1<<ICNC1) | (1<<ICES1) | (1<<CS10); // 输入捕获配置
TIMSK1 = (1<<ICIE1); // 使能中断
sei(); // 全局中断使能
}

ISR(TIMER1_CAPT_vect) {
uint16_t icr = ICR1; // 读取捕获值
if (capture_flag == 0) {
capture_time = icr; // 记录上升沿时间
TCCR1B &= ~(1<<ICES1); // 切换为下降沿触发
capture_flag = 1;
} else {
uint32_t duration = icr - capture_time; // 计算曝光时间
// 通过UART发送至蓝牙模块
UART_send_data(duration);
capture_flag = 0;
TCCR1B |= (1<<ICES1); // 切换回上升沿触发
}
}

int main() {
setup_timer1();
UART_init(9600); // 初始化串口
while(1) {
float voltage = read_adc(SIPM_PIN) * 3.3 / 1023; // 读取SiPM电压
if (voltage > THRESHOLD) {
// 触发测量
}
_delay_ms(10);
}
}