Contatore Geiger fai da te con un ESP8266 e un touchscreen: 4 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

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Ho progettato e costruito un contatore Geiger, un dispositivo in grado di rilevare le radiazioni ionizzanti e avvisare l'utente di pericolosi livelli di radiazioni ambientali con il rumore di clic fin troppo familiare. Può anche essere usato durante la ricerca di minerali per vedere se la roccia che hai trovato contiene minerale di uranio!

Esistono molti kit e tutorial disponibili online per creare il tuo contatore Geiger, ma volevo crearne uno unico: ho progettato un display GUI con controlli touch in modo che le informazioni vengano visualizzate in modo carino.

Passaggio 1: teoria di base

Il principio di funzionamento di un contatore Geiger è semplice. Un tubo a parete sottile con all'interno un gas a bassa pressione (chiamato tubo Geiger-Muller) viene energizzato con un'alta tensione attraverso i suoi due elettrodi. Il campo elettrico che si crea non è sufficiente a causare la rottura del dielettrico, quindi nessuna corrente scorre attraverso il tubo. Questo finché una particella o un fotone di radiazione ionizzante non lo attraversa.

Quando la radiazione beta o gamma passa, può ionizzare alcune delle molecole di gas all'interno, creando elettroni liberi e ioni positivi. Queste particelle iniziano a muoversi a causa della presenza del campo elettrico, e gli elettroni effettivamente prendono abbastanza velocità da finire per ionizzare altre molecole, creando una cascata di particelle cariche che conducono momentaneamente elettricità. Questo breve impulso di corrente può essere rilevato dal circuito mostrato nello schema, che può quindi essere utilizzato per creare il suono del clic, o in questo caso, alimentato al microcontrollore che può eseguire calcoli con esso.

Sto usando il tubo Geiger SBM-20 poiché è facile da trovare su eBay e abbastanza sensibile alle radiazioni beta e gamma.

Passaggio 2: parti e costruzione

Ho usato la scheda NodeMCU basata sul microcontrollore ESP8266 come cervello per questo progetto. Volevo qualcosa che può essere programmato come un Arduino ma è abbastanza veloce da guidare il display senza troppi ritardi.

Per l'alimentazione ad alta tensione, ho usato questo convertitore boost HV DC-DC di Aliexpress per fornire 400V al tubo Geiger. Tieni presente che durante il test della tensione di uscita, non puoi misurarla direttamente con un multimetro: l'impedenza è troppo bassa e la tensione diminuirà, quindi la lettura sarà imprecisa. Creare un partitore di tensione con almeno 100 MOhm in serie con il multimetro e misurare la tensione in questo modo.

Il dispositivo è alimentato da una batteria 18650 che alimenta un altro convertitore boost che fornisce un 4,2 V costante per il resto del circuito.

Ecco tutti i componenti necessari per il circuito:

• Tubo SBM-20 GM (molti venditori su eBay)
• Convertitore boost ad alta tensione (AliExpress)
• Convertitore boost per 4.2V (AliExpress)
• Scheda NodeMCU esp8266 (Amazon)
• Touchscreen SPI da 2,8" (Amazon)
• Cella agli ioni di litio 18650 (Amazon) OPPURE qualsiasi batteria LiPo da 3,7 V (500+ mAh)
• Portacella 18650 (Amazon) Nota: questo portabatteria si è rivelato un po' troppo grande per il PCB e ho dovuto piegare i pin verso l'interno per poterlo saldare. Consiglierei invece di utilizzare una batteria LiPo più piccola e di saldare i cavi JST ai pad della batteria sul PCB.

Componenti elettronici vari necessari (potresti averne già alcuni):

• Resistori (Ohm): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M. Si consiglia di ottenere resistori da 10 M per realizzare il divisore di tensione necessario per misurare l'uscita ad alta tensione.
• Condensatori: 220 pF
• Transistor: 2N3904
• LED: 3mm
• Cicalino: qualsiasi cicalino piezoelettrico da 12-17 mm
• Portafusibile 6.5*32 (per fissare il tubo Geiger in modo sicuro)
• Interruttore a levetta 12 mm

Si prega di fare riferimento allo schema PDF nel mio GitHub per vedere dove vanno tutti i componenti. Di solito è più economico ordinare questi componenti da un distributore all'ingrosso come DigiKey o LCSC. Troverai un foglio di calcolo con il mio elenco di ordini da LCSC nella pagina GitHub che contiene la maggior parte dei componenti mostrati sopra.

Sebbene un PCB non sia necessario, può aiutare a semplificare l'assemblaggio del circuito e renderlo ordinato. I file Gerber per la produzione di PCB si trovano anche nel mio GitHub. Ho apportato alcune correzioni al design del PCB da quando ho ricevuto il mio, quindi i ponticelli aggiuntivi non dovrebbero essere necessari con il nuovo design. Tuttavia, questo non è stato testato.

La custodia è stampata in 3D in PLA e le parti possono essere trovate qui. Ho apportato modifiche ai file CAD per riflettere le modifiche alla posizione del trapano nel PCB. Dovrebbe funzionare, ma tieni presente che non è stato testato.

Passaggio 3: codice e interfaccia utente

Ho usato la libreria Adafruit GFX per creare l'interfaccia utente per il display. Il codice può essere trovato nel mio account GitHub qui.

La home page mostra la dose, i conteggi al minuto e la dose totale accumulata dall'accensione del dispositivo. L'utente può scegliere una modalità di integrazione lenta o veloce che modifica l'intervallo della somma mobile in 60 secondi o 3 secondi. Il cicalino e il LED possono essere attivati o disattivati singolarmente.

È presente un menu delle impostazioni di base che consente all'utente di modificare le unità di dose, la soglia di avviso e il fattore di calibrazione che mette in relazione il CPM con la dose. Tutte le impostazioni vengono salvate nella EEPROM in modo che possano essere recuperate al ripristino del dispositivo.

Passaggio 4: test e conclusione

Il contatore Geiger misura una frequenza di clic di 15 - 30 conteggi al minuto dalla radiazione di fondo naturale, che è circa ciò che ci si aspetta da un tubo SBM-20. Un piccolo campione di minerale di uranio si registra come moderatamente radioattivo, a circa 400 CPM, ma un mantello di lanterna toriata può farlo scattare più velocemente di 5000 CPM se tenuto contro il tubo!

Il contatore Geiger assorbe circa 180 mA a 3,7 V, quindi una batteria da 2000 mAh dovrebbe durare circa 11 ore con una carica.

Ho intenzione di calibrare correttamente il tubo con una sorgente standard di cesio-137, che renderà le letture della dose più accurate. Per miglioramenti futuri, potrei anche aggiungere funzionalità WiFi e funzionalità di registrazione dei dati poiché ESP8266 è già dotato di WiFi integrato.

Spero che tu abbia trovato questo progetto interessante! Per favore condividi la tua build se finisci per fare qualcosa di simile!