DIY Geiger Counter Με ESP8266 και οθόνη αφής: 4 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

ΕΝΗΜΕΡΩΣΗ: ΝΕΑ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΕΚΔΟΣΗ ΜΕ WIFI ΚΑΙ ΑΛΛΕΣ ΠΡΟΣΘΕΤΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΔΩ

Σχεδίασα και κατασκεύασα έναν μετρητή Geiger-μια συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει ιονίζουσα ακτινοβολία και να προειδοποιήσει τον χρήστη της για επικίνδυνα επίπεδα ακτινοβολίας περιβάλλοντος με τον πολύ γνωστό θόρυβο κλικ. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί κατά την αναζήτηση ορυκτών για να διαπιστωθεί εάν ο βράχος που βρήκατε έχει μεταλλεύματα ουρανίου!

Υπάρχουν πολλά υπάρχοντα κιτ και σεμινάρια διαθέσιμα στο διαδίκτυο για να φτιάξετε τον δικό σας μετρητή Geiger, αλλά ήθελα να φτιάξω ένα μοναδικό - σχεδίασα μια οθόνη GUI με χειριστήρια αφής, ώστε οι πληροφορίες να εμφανίζονται με όμορφο τρόπο.

Βήμα 1: Βασική θεωρία

Η αρχή λειτουργίας ενός μετρητή Geiger είναι απλή. Ένας σωλήνας λεπτού τοιχώματος με αέριο χαμηλής πίεσης στο εσωτερικό (που ονομάζεται σωλήνας Geiger-Muller) ενεργοποιείται με υψηλή τάση στα δύο ηλεκτρόδια του. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται δεν είναι αρκετό για να προκαλέσει διηλεκτρική διάσπαση - οπότε δεν ρέει ρεύμα μέσω του σωλήνα. Αυτό συμβαίνει έως ότου ένα σωματίδιο ή φωτόνιο ιοντίζουσας ακτινοβολίας περάσει από αυτό.

Όταν περνάει η ακτινοβολία βήτα ή γάμμα, μπορεί να ιονίσει μερικά από τα μόρια του αερίου μέσα, δημιουργώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα. Αυτά τα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται λόγω της παρουσίας του ηλεκτρικού πεδίου και τα ηλεκτρόνια στην πραγματικότητα παίρνουν αρκετή ταχύτητα ώστε να καταλήξουν να ιονίζουν άλλα μόρια, δημιουργώντας έναν καταρράκτη φορτισμένων σωματιδίων που μεταφέρουν στιγμιαία ηλεκτρισμό. Αυτός ο σύντομος παλμός ρεύματος μπορεί να ανιχνευθεί από το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία του ήχου κλικ ή στην περίπτωση αυτή, τροφοδοτείται από τον μικροελεγκτή που μπορεί να κάνει υπολογισμούς με αυτό.

Χρησιμοποιώ τον σωλήνα SBM-20 Geiger αφού είναι εύκολο να το βρεις στο eBay και είναι αρκετά ευαίσθητο στην ακτινοβολία βήτα και γάμμα.

Βήμα 2: Μέρη και κατασκευή

Χρησιμοποίησα την πλακέτα NodeMCU βασισμένη στον μικροελεγκτή ESP8266 ως εγκέφαλο για αυτό το έργο. Wantedθελα κάτι που μπορεί να προγραμματιστεί σαν Arduino αλλά είναι αρκετά γρήγορο για να οδηγήσει την οθόνη χωρίς υπερβολική καθυστέρηση.

Για την παροχή υψηλής τάσης, χρησιμοποίησα αυτόν τον μετατροπέα ώθησης HV DC-DC από την Aliexpress για την παροχή 400V στο σωλήνα Geiger. Απλά λάβετε υπόψη ότι κατά τον έλεγχο της τάσης εξόδου, δεν μπορείτε να τη μετρήσετε απευθείας με ένα πολύμετρο - η σύνθετη αντίσταση είναι πολύ χαμηλή και θα μειώσει την τάση, οπότε η ένδειξη θα είναι ανακριβής. Δημιουργήστε ένα διαχωριστή τάσης με τουλάχιστον 100 MOhms σε σειρά με το πολύμετρο και μετρήστε την τάση με αυτόν τον τρόπο.

Η συσκευή τροφοδοτείται από μια μπαταρία 18650 που τροφοδοτείται με έναν άλλο μετατροπέα ώθησης που παρέχει σταθερό 4,2V για το υπόλοιπο κύκλωμα.

Ακολουθούν όλα τα εξαρτήματα που απαιτούνται για το κύκλωμα:

• Σωλήνας SBM-20 GM (πολλοί πωλητές στο eBay)
• Μετατροπέας ενίσχυσης υψηλής τάσης (AliExpress)
• Μετατροπέας ενίσχυσης για 4.2V (AliExpress)
• Πίνακας NodeMCU esp8266 (Amazon)
• 2,8 "οθόνη αφής SPI (Amazon)
• 18650 Li-ion cell (Amazon) Any οποιαδήποτε μπαταρία LiPo 3,7 V (500+ mAh)
• 18650 θήκη κυψέλης (Amazon) Σημείωση: αυτή η θήκη μπαταρίας αποδείχθηκε πολύ μεγάλη για το PCB και έπρεπε να λυγίσω τις καρφίτσες προς τα μέσα για να μπορέσω να το συγκολλήσω. Θα συνιστούσα να χρησιμοποιήσετε μια μικρότερη μπαταρία LiPo και να κολλήσετε καλώδια JST στα τακάκια της μπαταρίας στο PCB.

Διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που χρειάζεστε (μπορεί να έχετε ήδη μερικά από αυτά):

• Αντίσταση (Ohms): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M. Προτείνετε τη λήψη αντιστάσεων 10Μ για την κατασκευή διαχωριστή τάσης που απαιτείται για τη μέτρηση της εξόδου υψηλής τάσης.
• Πυκνωτές: 220 pF
• Τρανζίστορ: 2N3904
• LED: 3mm
• Buzzer: Οποιοσδήποτε πιεζοηχητικός βομβητής 12-17 mm
• Θήκη ασφαλειών 6.5*32 (για ασφαλή σύνδεση του σωλήνα Geiger)
• Εναλλαγή διακόπτη 12 mm

Ανατρέξτε στο σχηματικό PDF στο GitHub μου για να δείτε πού πηγαίνουν όλα τα στοιχεία. Είναι συνήθως φθηνότερο να παραγγείλετε αυτά τα εξαρτήματα από έναν χύδην διανομέα όπως το DigiKey ή το LCSC. Θα βρείτε ένα υπολογιστικό φύλλο με τη λίστα παραγγελιών μου από το LCSC στη σελίδα GitHub που περιέχει τα περισσότερα από τα στοιχεία που εμφανίζονται παραπάνω.

Παρόλο που δεν απαιτείται PCB, μπορεί να βοηθήσει να γίνει η συναρμολόγηση του κυκλώματος εύκολη και να φαίνεται τακτοποιημένη. Τα αρχεία Gerber για κατασκευή PCB μπορούν να βρεθούν επίσης στο GitHub μου. Έχω κάνει μερικές επιδιορθώσεις στο σχέδιο του PCB από τότε που πήρα το δικό μου, οπότε οι πρόσθετοι άλτες δεν πρέπει να χρειάζονται με το νέο σχέδιο. Ωστόσο, αυτό δεν έχει δοκιμαστεί.

Η θήκη είναι τρισδιάστατη εκτύπωση εκτός PLA και τα μέρη μπορείτε να τα βρείτε εδώ. Έχω κάνει αλλαγές στα αρχεία CAD για να αντικατοπτρίζουν τις αλλαγές θέσης του τρυπανιού στο PCB. Θα πρέπει να λειτουργεί, αλλά σημειώστε ότι αυτό δεν έχει δοκιμαστεί.

Βήμα 3: Κωδικός και UI

Χρησιμοποίησα τη βιβλιοθήκη Adafruit GFX για να δημιουργήσω τη διεπαφή χρήστη για την οθόνη. Ο κωδικός μπορεί να βρεθεί στον λογαριασμό μου στο GitHub εδώ.

Στην αρχική σελίδα εμφανίζεται ο ρυθμός δόσης, οι μετρήσεις ανά λεπτό και η συνολική συσσωρευμένη δόση από την ενεργοποίηση της συσκευής. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει μια αργή ή γρήγορη λειτουργία ολοκλήρωσης που αλλάζει το διάστημα κυλιόμενου αθροίσματος είτε σε 60 δευτερόλεπτα είτε σε 3 δευτερόλεπτα. Ο βομβητής και το LED μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν μεμονωμένα.

Υπάρχει ένα βασικό μενού ρυθμίσεων που επιτρέπει στον χρήστη να αλλάξει τις μονάδες δόσης, το όριο ειδοποίησης και τον συντελεστή βαθμονόμησης που σχετίζει το CPM με το ρυθμό δόσης. Όλες οι ρυθμίσεις αποθηκεύονται στο EEPROM, ώστε να μπορούν να ανακτηθούν κατά την επαναφορά της συσκευής.

Βήμα 4: Δοκιμή και συμπέρασμα

Ο μετρητής Geiger μετρά ένα ρυθμό κλικ 15 - 30 μετρήσεων ανά λεπτό από φυσική ακτινοβολία υποβάθρου, που είναι περίπου αυτό που αναμένεται από έναν σωλήνα SBM -20. Ένα μικρό δείγμα μεταλλεύματος ουρανίου καταγράφεται ως μέτρια ραδιενεργό, περίπου 400 CPM, αλλά ένας θωρακισμένος μανδύας φανάρι μπορεί να κάνει το κλικ πιο γρήγορα από 5000 CPM όταν συγκρατείται στο σωλήνα!

Ο μετρητής Geiger αντλεί περίπου 180 mA στα 3.7V, επομένως μια μπαταρία 2000 mAh θα πρέπει να διαρκεί περίπου 11 ώρες με μια φόρτιση.

Σκοπεύω να βαθμονομήσω σωστά τον σωλήνα με μια τυπική πηγή Cesium-137, η οποία θα κάνει τις μετρήσεις της δόσης πιο ακριβείς. Για μελλοντικές βελτιώσεις, θα μπορούσα επίσης να προσθέσω τη δυνατότητα WiFi και τη λειτουργία καταγραφής δεδομένων, καθώς το ESP8266 διαθέτει ήδη ενσωματωμένο WiFi.

Ελπίζω να βρήκατε αυτό το έργο ενδιαφέρον! Παρακαλώ μοιραστείτε την κατασκευή σας αν καταλήξετε να κάνετε κάτι παρόμοιο!