Основная функция устройства - 24-часовое измерение интенсивности фонового излучения и отправка результатов в текстовый файл, базу данных MySQL или веб-сайт xively.com, предоставляющий сервис сбора данных и создания диаграмм.
В связи с таким серверным приложением основное внимание было уделено адаптации программы к Linux; однако запуск его под Windows возможен.Графический интерфейс пользователя не используется. Надо признать, что правильная конфигурация устройства требует определенных ИТ-знаний. Из-за отсутствия дисплея также невозможно работать без компьютера.
Счетчик Гейгера может выступать в качестве устройства предупреждения о повышенной радиации в среде пользователя не только во время потенциальной ядерной катастрофы, но и в повседневной жизни. Есть здания, для которых использовались камни с высоким содержанием урана. Накапливается в некоторых подвалах радиоактивный благородный газ - радон. Иногда интенсивность излучения от этих источников может превышать допустимый уровень. Зная об опасности, вы можете ограничить свое пребывание в таких помещениях.
Детектор излучения
Стоит кратко обсудить структуру и принцип работы детектор излучения СТС-5. Его параметры приведены в таблице 1.
Он имеет диапазон чувствительности, достигающий фонового излучения. Измеритель выполнен в виде металлической трубки (отрицательного электрода), заполненной смесью паров благородного газа и спирта при пониженном давлении.
Положительный электрод, имеющий форму тонкого провода, проходит через его центр. Когда фотон излучения проходит через объем газа, он ионизирует несколько атомов газа. Образующиеся свободные электроны и ионы ускоряются в сильном электрическом поле между электродами (для которого требуется достаточно высокое напряжение). Обладая высокой скоростью, они сталкиваются с другими атомами, также ионизируя их.
Происходит лавинообразный разряд, быстро покрывающий весь объем газа между электродами.
Эффект кванта излучения - короткий импульс тока, протекающего через измеритель, ограниченный величиной анодного резистора. Следует отметить, что во время лавинного разряда измеритель нечувствителен к новым частицам. Это время называется временем простоя счетчика и ограничивает его диапазон измерения . Для популярных счетчиков это порядка сотен импульсов в секунду; в представленном устройстве это ограничение не имеет значения. Для возникновения лавинного разряда детектор должен питаться постоянным напряжением в несколько сотен вольт.
В характеристике чувствительности измерителя в зависимости от напряжения можно выделить три основные области: пропорциональный, плато и непрерывный разряд.
Пропорциональная область простирается от 0 В до начала плато. Она характеризуется линейным увеличением чувствительности как функции напряжения. В области непрерывного разряда напряженность электрического поля настолько высока, что лавинный разряд после счета не исчезает или создаются ложные счета. По умолчанию детектор работает в области плато, где колебания чувствительности к напряжению минимальны - это наиболее плоская часть характеристики.
Для используемого СТС-5 оно имеет ширину 80В, а его центр падает на 400 В.
В дополнение к обсуждаемым параметрам мощности важна чувствительность измерителя, то есть частота отсчетов на единицу излучения. В примечании к паспорту на СТС-5 указывается количество импульсов в секунду на 1 млР (милирентген). Для любительских приложений можно предположить, что IR составляет приблизительно 10 mSv, поэтому 27 отсчетов в секунду означают 10 uSv/h.
Описание устройства
Зная специфику работы счетчика, мы можете приступить к обсуждению схемы которая приведена на рисунке 1.
Микроконтроллер ATtiny24A, выбранный из-за низкой цены и достаточного количества портов, отвечает за такие задачи, как генерация формы сигнала для источника питания детектора, подсчет импульсов и связь через USB.
После многих усилий стало возможным вписать всю функциональность в 2 КБ памяти программы.
Высокое напряжение, необходимое для работы детектора, генерируется простым повышающим преобразователем. Единственным индукционным элементом является стандартный дроссель на 10 мГн(милигенри); принятое решение освобождает радиолюбителя от ручного изготовления катушек или трансформаторов. Частота сигнала была установлена на 4 кГц с переменным заполнением (ШИМ). В качестве ключевого элемента использовался биполярный транзистор малой мощности MPSA44 (взаимозаменяем с BF487).
Его максимальное напряжение коллектор-эмиттер, в зависимости от производителя, составляет 400 или 500 В; поэтому рабочее напряжение по умолчанию было установлено на 395 В. Импульсы индуцированного напряжения заряжают конденсатор С7 через
диод D3. Диод должен быть высокоскоростным; примирившись с несколько меньшей эффективностью, был использован более дешевый и популярный 1N4937. Резисторы R6, R7, R8 образуют делитель напряжения, используемый для измерения встроенным АЦП микроконтроллера.
В программе процессора реализован простой P-контроллер, который стабилизирует напряжение на заданном уровне.
Импульсы от детектора подаются на вход микроконтроллера через резистор R12.
Из-за высокого входного сопротивления система обладает достаточной чувствительностью. Для дополнительной защиты используется диод Шоттки D4, который ограничивает амплитуду импульса до уровня, немного превышающего напряжение питания. Со стороны программы изменение логического состояния на входе запускает прерывание PCINTI, которое увеличивает переменную в каждом втором цикле.
Устройство связывается с компьютером через интерфейс USB. Чтобы упростить аппаратную часть, преобразователи USB-RS232 не используются (например, FTDI),а была применена бесплатная библиотека V-USB от фирмы Obdev для реализации USB версии 1.1 в программном обеспечении. Сама шина имеет очень сложную архитектуру, и авторы библиотеки заслуживают уважения за ее создание и доступность в соответствии с условиями GNU GPL.
Кабель USB имеет четыре провода: заземление, питание + 5В 500 мА и D +, D- сигнальные линии. Сигнальные линии работают дифференциально на логических уровнях OV и 3.3V.
Резисторы R2-R4 вместе с диодами D1 и D2 реализуют систему преобразования напряжения между стандартом USB и микроконтроллером, рекомендованную создателями библиотеки V-USB. Он ограничивает напряжение, поступающее от процессора, до 3,3 В.
Стабилитроны имеют номинальное напряжение 3,6 В, так как оно дается для относительно большого тока (обычно 10 мА). При меньших токах стабилизирующее напряжение соответственно меньше, что для диодов 3,3 В может привести к нестабильной работе шины.
Несмотря на встроенный в микроконтроллер тактовый генератор, внешний кварцевый резонатор необходим для соответствия строгим требованиям работы USB.
Библиотека допускает несколько значений частоты, каждое из которых требует другой версии кода. Использовался кварц 16 МГц с конденсаторами стандартных значений.
Светодиод продолжает гореть, когда устройство подключено к компьютеру, и указывает на одиночную вспышку при обнаружении частицы излучения. Плата также имеет разъем ISP в стандарте STK200 для облегчения любого возможного обновления программного обеспечения.
При напряжении питания детектора 395В устройство питается от USB,потребляя ток до 45 мА (около 230 мВт).
Изготовление устройства...
не должно вызвать больших затруднении. Расположение элементов показано на рис.2, а печатная плата в формате Sprint-Layout 6.0 находится в архиве.
Плата была разработана для размещения в корпусе Z-34:
При изготовлении платы не забудьте правильно обрезать углы. Адаптация корпуса заключается в вырезании прямоугольного отверстия для разъема USB и отверстия для светодиода.
Сам счетчик Гейгера-Мюллера крепится на ламелях,которые используются для предохранителей.
Значения всех компонентов, кроме кварцевого резонатора, не являются критическими.
Резисторы, образующие делитель напряжения R6-R8, должны иметь допуск 1%, чтобы результаты измерений были достоверными.
Тем более что транзистор T1 работает практически при максимальном напряжении коллектор-эмиттер.
Правильно собранное и запрограммированное устройство не требует налаживания;
после подключения к компьютеру оно должен быть видно в системе, а светодиод должен гореть, время от времени мигая. Стоит измерить напряжение, генерируемое инвертором.
Из-за низкой токовой емкости ее нельзя измерить на конденсаторе C7, потому что подключение измерителя приведет к немедленному падению напряжения.
Измерьте их на выходе делителя и пересчитайте соответственно.
Будьте осторожны при обращении с устройством из-за наличия высокого напряжения 400 В. Хотя заряд, накопленный на конденсаторе емкостью 100 нФ, не опасен для жизни, он может вызвать неприятный шок или локальный ожог.
Компьютерное программное обеспечение
Программное обеспечение хоста является неотъемлемой частью этой системы. Оно было написано на Python 2.7, в основном из-за его мобильности и простоты обучения для начинающих. Он состоит из части, собирающей данные с устройства, и модулей, отправляющих их в базу данных MySQL, на веб-сайт xively.com или в текстовый файл. Создание собственного модуля или возможная модификация существующего очень проста, и у опытного пользователя не должно быть проблем с этим.
Все настройки хранятся в файле configuration.ini. В связи с тем, что программа должна работать в фоновом режиме, графический интерфейс не использовался.
Квантовая природа радиоактивных распадов требует длительного времени измерения для достижения хорошей точности, поэтому результаты собираются по умолчанию каждые пять минут. Счетчик автора работает на устройстве Raspberry Pi, микрокомпьютере с процессором ARM и Linux на борту, который становится все более популярным. Тем не менее, запуск программы под Windows не должен быть трудным.
Более подробная информация по программному обеспечению и о самом гейгере находится на сайте github.com/slomkowski/usb-geiger
Возможные изменения
Наиболее очевидным изменением по сравнению с оригиналом является использование другого детектора излучения. Из-за разных размеров популярных датчиков было невозможно создать печатную плату, адаптированную к каждому из них. SBM-20 можно использовать без каких-либо изменений.
Напряжение питания можно легко изменить в исходном коде микроконтроллера и в конфигурации компьютерной программы. Следует помнить, что использование напряжений выше 400 В требует замены транзистора T1 на тип с соответственно более высоким допустимым рабочим напряжением. Номинальная чувствительность может быть легко изменена в файле конфигурации программного обеспечения хоста.
Код для микроконтроллера использует практически всю память, и ввод хотя бы одной новой инструкции очень проблематичен. Вместо ATtiny24 можно использовать ATtiny44, оснащенный 4 КБ флэш-памяти. Огромное поле возможностей приносит расширение функциональности программного обеспечения хоста.
Благодаря Python можно легко реализовать новые функции, такие как отправка данных на другие сайты, разработка подробной статистики или информирование об угрозе с помощью SMS или электронной почты.
Все исходные коды и выходные файлы находятся в архиве.
FUSE_LOW=0xfe
FUSE_HIGH=0xd4
FUSE_EXTENDED=0xff
Материал взят из журнала Elektronika dla Wszystkich за 2013.10
