Отличительная особенность предлагаемого индикатора уровня радиоактивного излучения — управление осуществляет микроконтроллер РIС12F683.
При разработке устройства автор ознакомился со множеством уже существующих промышленных и радиолюбительских конструкций по этой тематике. Например, описание одной из них было опубликовано в журнале «Радио» № 10 за 2014 год.
Создавая это устройство, автор намеревался приблизить его возможности к потребностям обычного человека. Предлагаемый вниманию читателей прибор имеет следующие характеристики:
- светодиодная (числом вспышек) индикация уровня радиоактивного излучения непосредственно в мкР/ч;
- принудительная звуковая и световая (вспышками) индикация регистрируемых импульсов источника излучения (в обычном режиме отключена с целью экономии энергии аккумулятора и снятия раздражающего психологического воздействия);
- автоматическое включение звуковой и световой индикации регистрируемых импульсов источника излучения при превышении порога 50 мкР/ч;
- автоматическое включение сигнала тревоги при превышении второго порога 75 мкР/ч;
- значения первого и второго порогов, а также необходимые для работы устройства параметры используемого аккумулятора и конкретного типа счётчика Гейгера хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера (EEPROM) и могут быть легко изменены в соответствии с индивидуальными требованиями;
- потребляемый ток при работе в условиях естественного радиоактивного фона — менее 1 мА (фактически измеренный — 0,86 мА), время работы с используемым литий-ионным аккумулятором ёмкостью 750 мА-ч — более 35 суток;
- светодиодная индикация оставшихся дней работы аккумулятора;
- контроль состояния напряжения аккумулятора;
- зарядка аккумулятора через стандартное подключение по USB;
- максимальные размеры (определяются в первую очередь используемым счётчиком Гейгера СБМ-20) 120x30x25 мм.
Таким образом, предлагаемый прибор имеет длительную (более месяца) продолжительность работы без подзарядки аккумулятора, подаёт сигнал тревоги в случае превышения заданного уровня радиоактивного излучения и индицирует уровень радиации непосредственно в микрорентгенах в час. Фотография измерителя-индикатора показана на рис. 1.
Рис. 1
Схема прибора приведена на рис. 2.
Рис. 2
Прежде чем описывать работу устройства, необходимо рассмотреть, как определяется уровень радиоактивного излучения по импульсам счётчика Гейгера, в нашем случае СБМ-20.
Согласно данным производителя [1], чувствительность этого счётчика к гамма-излучению равна 420±20 имп./с при интенсивности радиоактивного излучения 4 мкР/с, что соответствует 14,4 мР/ч. Соответственно уровню излучения 1 мР/ч будет соответствовать 420±20/14,4 = 29,17± 1,39 имп./с или, что то же самое, 1750±83 имп./мин.
Разложим 1 мР/ч на множители, например, 50×20 мкР/ч, в таком случае при уровне излучения 20 мкР/ч счётчик Гейгера СБМ-20 будет выдавать 1750±83/50 = 35±1,7 имп./мин.
Найдя время, за которое счётчик Гейгера выдаст 20 импульсов при вычисленном темпе 35±1,7 имп./мин, получаем временной отрезок, в течение которого число импульсов счётчика Гейгера соответствует уровню радиации в микрорентгенах в час: (60 с/35±1,7 имп.) х 20 = 34,3 с (с учётом разброса — от 32,7 до 36 с).
Этот временной интервал подсчёта импульсов формируется встроенным в микроконтроллер РIС12F683 таймером 1. С учётом программных установок период таймера 1 равен 0,524288 с, а значит, необходимый период измерения состоит из 34,3 с/0,524288 с = 65 (с учётом округления) периодов таймера 1. В шестнадцатеричном виде 65 = 0x41 число 41 записывают в нулевую (первую по счёту) ячейку энергонезависимой памяти микроконтроллера ЕЕРROМ, и его можно легко изменить в случае использования счётчика Гейгера другого типа.
В следующей, первой (второй по счёту) ячейке памяти ЕЕРRОМ хранится шестнадцатеричное значение планируемого числа суток работоспособности аккумулятора: (750 мА ч/0,9 мА)/24 ч = 35 (с учётом округления) = 0x23.
Вторая ячейка ЕЕРRОМ— значение первого порога (по нему включается звуковая и световая индикация импульсов счётчика Гейгера) 50 мкР/ч = 0x32.
Третья ячейка ЕЕРRОМ — второй порог (сигнал тревоги) 75 мкР/ч = 0x4В.
Четвёртая ячейка ЕЕРRОМ — длительность импульса для формирования необходимого напряжения на счётчике Гейгера, для СБМ-20 рабочее напряжение должно быть 400 В [1]. Формула вычисления длительности импульса К х 3 мкс + 5 мкс, где К — десятичное значение четвёртой ячейки. Высчитывать длительность импульса «накачки» нет смысла, поскольку напряжение будет зависеть от реальных параметров формирующей цепи. Этот коэффициент необходимо подобрать экспериментально, измеряя полученное напряжение.
Важно отметить, что поскольку источник напряжения питания счётчика Гейгера маломощный (другой и не нужен, так как максимальный ток счётчика не превышает 20 мкА [1]), то измерять это напряжение необходимо через высокоомный делитель. Автор для этой цели использовал делитель с гигаомным входным сопротивлением, измерение производил осциллографом TDS-210.
В пятой, шестой и седьмой (шестой—восьмой по порядку соответственно) ячейках ЕЕРRОМ записываются коэффициенты, обеспечивающие суточный интервал. Это необходимо для подсчёта продолжительности работы аккумулятора. Произведение этих трёх чисел должно быть равно числу периодов измерения в течение суток.
Длительность суток в секундах 60x60x24 = 86400 с переводим в число интервалов измерения (фактическое значение 65 х 0,524288 с = 34,07872 с), получаем 86400 с / 34,07872 с = 2535 целых интервалов.
Раскладываем на множители число 2535 =13x13x15, соответственно в ячейки записываем 13 = 0x0D, 13 = 0x0D, 15 = 0x0F.
Важное замечание. Для нормальной работы программы, заложенной в микроконтроллер, необходимо, чтобы исходные данные удовлетворяли условию 0≤X ≤127, поскольку это условие должно выполняться для некоторых используемых в программе команд.
Удобно пользоваться сайтом http://calc-x.ru/conversion_number.php для перевода чисел в различные системы счисления.
Теперь рассмотрим схему прибора.
Питание прибора осуществляется от литий-ионного аккумулятора, для его зарядки используется готовая плата размерами 20×25 мм китайского производства, при желании её можно изготовить самостоятельно, используя микросхему ТР4056.
Для питания устройства стабилизированным напряжением 3,3 В применена микросхема LР2980-3.3. Важная её особенность — работа при малом токе нагрузки и малый собственный потребляемый ток (при токе нагрузки 1 мА он не превышает 170 мкА).
Узел получения напряжения питания счётчика Гейгера полностью соответствует схеме из аналогичного прибора [2]. На выводе 7 микроконтроллера (GP0) формируется короткий импульс длительностью, определяемой содержимым четвёртой ячейки ЕЕРRОМ. Затем следует пауза 250 мкс, и выполнение программы вновь возвращается на формирование импульса.
Первоначально автор планировал использовать для формирования высокого напряжения отдельный блок (схем подобных блоков множество), это позволило бы высвободить один вывод микроконтроллера, но практические испытания показали, что подобные узлы потребляют ток 1 мА и более, микротока достичь не удалось.
Подсчёт импульсов счётчика Гейгера (вывод 4) и реакция на кнопку измерения SB1 (вывод 3) реализованы разрешением соответствующих прерываний программы в микроконтроллере. Разрешены также прерывания по таймеру 1, обеспечивающему формирование интервала измерения.
Световая и звуковая индикация регистрируемых импульсов счётчика Гейгера осуществляется так. В том случае, когда нет необходимости индицировать входные импульсы, на выходах GP1, GP2 (выводы 6, 5) импульсы индикации частотой около 4 кГц синфазны, поэтому ни светодиод HL2 красного цвета свечения, ни пьезоизлучатель НА1 на них не реагируют. При нажатии на кнопку принудительной индикации SB2 один из выводов светодиода и пьезоизлучателя соединяется с общим проводом и индикация принудительно включается.
Важно отметить, что резистор R9 в этом случае предотвращает выход из строя выхода GP1 микроконтроллера, поэтому исключать его (например, для повышения громкости звучания) нельзя.
При превышении первого порога уровня радиоактивного излучения импульсы индикации на выходах GP1, GP2 противофазны, индикация автоматически включена. В следующем цикле измерения индикация останется включённой, и так продолжается до тех пор, пока измеренный уровень не станет ниже первого порога.
В случае превышения второго порога индицируется сигнал тревоги, представляющий собой трёхкратную вспышку светодиода НL2 длительностью по 0,25 с, сопровождаемую двухчастотным (около 4 кГц) звуковым сигналом. После этого измерение уровня излучения возобновляется.
Кратковременное (не более 0,25 с) нажатие на кнопку SВ1 инициирует режим индикации измеренного уровня радиоактивного излучения в микрорентгенах в час вспышками светодиода НL1 (в авторском варианте синего цвета). Вначале секундными световыми импульсами выводятся десятки, а затем четвертьсекундными импульсами — единицы полученного измерения. Для того чтобы в случае нулевых единиц (например, 10 или 20 мкР/ч) не возникало путаницы, нулевые значения единиц индицируются одним коротким импульсом.
При нажатии на кнопку SВ1 более чем на четверть секунды прибор переходит в режим индикации оставшихся прогнозируемых суток работы аккумулятора. Вначале кратковременно вспыхивает светодиод НL2 (красного цвета), сигнализируя о переходе в режим индикации контроля аккумулятора, после паузы этот же светодиод показывает состояние аккумулятора. После того как прогнозируемое время работы аккумулятора закончится, в этом режиме будет индицироваться число «переработанных» суток, о переработке будет сигнализировать кратковременная вспышка синего светодиода НL1.
Десятки и единицы выводятся аналогично предыдущему режиму индикации.
Кнопка SBЗ позволяет контролировать текущее состояние аккумулятора. Для этого резисторы R13, R14 подобраны так, чтобы при номинальном рабочем напряжении (3,3 В) зелёный светодиод НL3 светился, а при напряжении около 3 В (уровень разряженного аккумулятора) — нет.
Транзистор VT1 приводит амплитуду импульсов счётчика Гейгера к уровню, необходимому для работы микроконтроллера. Транзистор \/ТЗ, катушка индуктивности L2 и диодный умножитель на диодах VD1, VD2, VD5—VD9 и конденсаторах С2—С4, С6, С7, С9, С10 обеспечивают необходимое напряжение питания счётчика Гейгера.
Применение транзистора VТ2 вызвано необходимостью первоначальной инициализации микроконтроллера. Микроконтроллер РIС12F683 имеет шесть вариантов начальной установки, однако то ли .автору попался такой экземпляр, то ли допущена ошибка в программе, но при инициализации режима прерываний микроконтроллер «отказался» работать без «сброса» при включении. Поскольку размеры платы позволяли, транзистор VТ2 решено было оставить.
Устройство собрано на универсальной плате размерами 100×15 мм с вырезом для аккумулятора (рис. 3), необходимые соединения выполнены монтажным проводом.
Рис. 3
Высоковольтный вывод счётчика Гейгера находится внутри корпуса, низковольтный закрыт снаружи декоративным колпаком (рис. 4).
Рис. 4
Плата зарядки аккумулятора от USB и пьезоизлучатель расположены под основной платой. Для контроля зарядки аккумулятора по индикаторам платы зарядки снизу в корпусе просверлены два отверстия диаметром 1 мм. Микроконтроллер установлен на плате через стандартную панель, что позволяет его перепрограммировать в случае необходимости. Счётчик Гейгера установлен в креплениях для предохранителей, впаянных в плату, в случае отсутствия таковых можно изготовить крепления из жёстких медных проводов. Пайка выводов счётчика может вывести его из строя. Вид устройства со снятой крышкой показан на рис. 5.
Рис. 5
Особых требований к применённым деталям нет, за исключением того, что транзистор VТЗ должен быть высоковольтным (у КSР42 максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер равно 300 В), номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не ниже 40 В (при напряжении питания счётчика Гейгера 400 В).
Следует отметить, что несмотря на симметричность корпуса счётчика СБМ-20 он имеет полярность и его необходимо устанавливать в соответствии с ней.
В заключение хотелось бы обратить внимание на следующее. Несмотря на полную функциональную работоспособность предлагаемого устройства (проверка производилась с использованием источника радиоактивного излучения промышленного прибора ДП-5А) его можно улучшить, а именно:
- исключить транзистор VТ2 с дополнительными элементами;
- исключить транзистор VT1 с дополнительными элементами, заменив его обычным резистивным делителем с диодной защитой входа микроконтроллера по напряжению, изменив программно полярность входных импульсов;
- в случае, если не планируется круглосуточная работа устройства, запрограммировать автоматическую запись текущего времени работы аккумулятора в энергонезависимую память микроконтроллера, чтобы при очередном включении индицировались правильные данные. В этом случае необходимо также запрограммировать дополнительный режим для кнопки SВ1, чтобы осуществлять начальную установку после зарядки аккумулятора, возможна и автоматическая начальная инициализация по сигналам с платы зарядки. В предложенном варианте каждое включение приводит к обнулению счётчика работы аккумулятора;
- сформировать напряжение для счётчика Гейгера с помощью отдельного микромощного блока, в этом случае высвобождается один вывод микроконтроллера, который можно использовать, например, для встроенного аналогового компаратора. Это позволит более точно контролировать напряжение аккумулятора. Но что ещё более важно, в этом случае микроконтроллер можно перевести в режим «Сна» с прерыванием по импульсам счётчика Гейгера и таймеру. Потребляемый микроконтроллером ток в этом режиме не превышает 100 мкА;
- используя менее габаритный счётчик Гейгера, например СБМ-21, создать на основе этого устройства брелок, который в течение года и более без подзарядки будет контролировать радиационную безопасность;
- используя микроконтроллер с большим числом выводов, реализовать вывод уровня радиоактивного излучения на цифровой индикатор, но тогда это будет уже другое устройство.
ЛИТЕРАТУРА
- СБМ-20. Параметры и характеристики. — URL: http://www.istok2.com/data/2398
- Дозиметр на PIC16F648.—URL: http://vrtp.ru/index.php?s=cd7e98daed66fc07a77bae6159c329caact=categoriesCODE=articlearticle=3422
Автор: С. МАКАРЕЦ, г. Киев, Украина
Источник: Радио №5, 2015