DIY Geiger Counter s ESP8266 a dotykovým displejom: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

AKTUALIZÁCIA: Nová a vylepšená verzia s WIFI a ďalšími pridanými funkciami TU

Navrhol som a zostrojil Geiger Counter-zariadenie, ktoré dokáže detekovať ionizujúce žiarenie a varovať svojho používateľa pred nebezpečnými úrovňami okolitého žiarenia príliš známym kliknutím. Dá sa použiť aj pri hľadaní minerálov, aby sa zistilo, či v skale, ktorú ste našli, je uránová ruda!

Na internete je k dispozícii mnoho existujúcich súprav a návodov na vytvorenie vlastného Geigerovho počítadla, ale ja som chcel vytvoriť taký, ktorý by bol jedinečný - navrhol som displej GUI s dotykovým ovládaním, aby sa informácie zobrazovali veľmi pekne.

Krok 1: Základná teória

Princíp činnosti Geigerovho počítadla je jednoduchý. Tenkostenná trubica s nízkotlakovým plynom vo vnútri (nazývaná Geiger-Mullerova trubica) je na svojich dvoch elektródach napájaná vysokým napätím. Vytvorené elektrické pole nestačí na to, aby spôsobilo dielektrický rozklad - trubicou teda neprúdi žiadny prúd. To je dovtedy, kým ním neprejde častica alebo fotón ionizujúceho žiarenia.

Keď prechádza žiarenie beta alebo gama, môže ionizovať niektoré molekuly plynu vo vnútri a vytvárať tak voľné elektróny a pozitívne ióny. Tieto častice sa začnú pohybovať v dôsledku prítomnosti elektrického poľa a elektróny skutočne naberú takú rýchlosť, že nakoniec ionizujú ďalšie molekuly, čím vytvoria kaskádu nabitých častíc, ktoré na okamih vedú elektrický prúd. Tento krátky impulz prúdu je možné detekovať obvodom znázorneným na schéme, ktorý je potom možné použiť na vytvorenie cvakajúceho zvuku alebo v tomto prípade privádzaného do mikrokontroléra, ktorý s ním môže vykonávať výpočty.

Používam trubicu SBM-20 Geiger, pretože je ľahké ju nájsť na eBay a je dosť citlivá na žiarenie beta a gama.

Krok 2: Diely a konštrukcia

Ako mozog tohto projektu som použil dosku NodeMCU na základe mikrokontroléra ESP8266. Chcel som niečo, čo sa dá naprogramovať ako Arduino, ale je dostatočne rýchle, aby poháňalo displej bez prílišného oneskorenia.

Na napájanie vysokým napätím som použil tento zosilňovač HV DC-DC od Aliexpress na napájanie 400 V do Geigerovej trubice. Len majte na pamäti, že pri testovaní výstupného napätia ho nemôžete merať priamo multimetrom - impedancia je príliš nízka a zníži napätie, takže čítanie bude nepresné. Vytvorte delič napätia s najmenej 100 MOhms v sérii s multimetrom a zmerajte napätie týmto spôsobom.

Zariadenie je napájané batériou 18650, ktorá sa napája do iného zosilňovača, ktorý dodáva zvyšku obvodu konštantných 4,2 V.

Tu sú všetky komponenty potrebné pre obvod:

• GM trubica SBM-20 (veľa predajcov na eBay)
• Prevodník vysokého napätia (AliExpress)
• Boost Converter pre 4,2 V (AliExpress)
• Doska NodeMCU esp8266 (Amazon)
• 2,8 "dotykový displej SPI (Amazon)
• 18650 lítium-iónový článok (Amazon) ALEBO akákoľvek 3,7 V batéria LiPo (500+ mAh)
• Držiak článku 18650 (Amazon) Poznámka: Tento držiak batérie sa ukázal byť príliš veľký pre dosku plošných spojov a musel som ohnúť kolíky dovnútra, aby som ich mohol spájkovať. Odporúčam namiesto toho použiť menšiu batériu LiPo a spájkovacie vodiče JST k podložkám batérie na doske plošných spojov.

Potrebné sú rôzne elektronické súčiastky (niektoré z nich už môžete mať):

• Rezistory (ohmy): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M. Odporúčame zaobstarať 10M odpory na výrobu deliča napätia potrebného na meranie výstupu vysokého napätia.
• Kondenzátory: 220 pF
• Tranzistory: 2N3904
• LED: 3 mm
• Bzučiak: Akýkoľvek 12-17 mm piezoelektrický bzučiak
• Poistkový držiak 6,5*32 (na bezpečné pripevnenie Geigerovej trubice)
• Prepínač 12 mm

Pozrite sa na schému PDF v mojom GitHub, kde nájdete všetky komponenty. Obvykle je lacnejšie objednať tieto súčiastky u veľkoobchodného distribútora, akým je DigiKey alebo LCSC. Na stránke GitHub nájdete tabuľku s mojím zoznamom objednávok z LCSC, ktorá obsahuje väčšinu vyššie uvedených komponentov.

Napriek tomu, že PCB nie je potrebný, môže pomôcť uľahčiť zostavenie obvodu a vyzerať úhľadne. Súbory Gerber na výrobu DPS nájdete aj v mojom GitHube. Odkedy som dostal ten svoj, vykonal som niekoľko opráv v návrhu DPS, takže ďalšie prepojky by s novým dizajnom nemali byť potrebné. Toto však nebolo testované.

Puzdro je 3D vytlačené z PLA a diely nájdete tu. Vykonal som zmeny v súboroch CAD, aby odrážali zmeny umiestnenia vrtov v doske plošných spojov. Malo by to fungovať, ale upozorňujeme, že toto nebolo testované.

Krok 3: Kód a používateľské rozhranie

Na vytvorenie používateľského rozhrania pre displej som použil knižnicu Adafruit GFX. Kód nájdete v mojom účte GitHub tu.

Domovská stránka zobrazuje dávkový príkon, počet za minútu a celkovú akumulovanú dávku od zapnutia zariadenia. Užívateľ si môže zvoliť pomalý alebo rýchly režim integrácie, ktorý zmení interval pohyblivej sumy na 60 sekúnd alebo 3 sekundy. Bzučiak a LED je možné jednotlivo zapnúť alebo vypnúť.

K dispozícii je ponuka základných nastavení, ktorá umožňuje používateľovi zmeniť jednotky dávky, prah výstrahy a kalibračný faktor, ktorý dáva do súvislosti CPM s dávkou. Všetky nastavenia sú uložené v pamäti EEPROM, aby ich bolo možné obnoviť po resetovaní zariadenia.

Krok 4: Testovanie a záver

Geigerov čítač meria rýchlosť kliknutia 15 - 30 impulzov za minútu od prirodzeného žiarenia pozadia, čo je zhruba to, čo sa očakáva od skúmavky SBM -20. Malá vzorka uránovej rudy sa registruje ako stredne rádioaktívna pri približne 400 CPM, ale torentový plášť lucerny môže pri držaní pri trubici cvaknúť rýchlejšie ako 5 000 CPM!

Počítadlo Geiger čerpá okolo 180 mA pri 3,7 V, takže 2 000 mAh batéria by mala na nabitie vydržať približne 11 hodín.

Mám v pláne správne kalibrovať skúmavku so štandardným zdrojom cézia-137, čím budú údaje o dávke presnejšie. Pre budúce vylepšenia by som mohol tiež pridať funkciu WiFi a funkciu protokolovania údajov, pretože ESP8266 je už vybavený vstavanou WiFi.

Dúfam, že vás tento projekt zaujal! Zdieľajte svoju zostavu, ak nakoniec vytvoríte niečo podobné!