Дозиметр на ESP8266
Доброго времени суток читатели и мои немногочисленные подписчики. После написания статьи появилась идея расширения функционала домашней метеостанции. Дополнительно создан еще один девайс для мониторинга радиационного фона местности, на которой я проживаю. Заранее отмечу, что я не являюсь радиофобом, а данный прибор создан лишь в домашних научных целях.
На просторах интернета много вариантов самодельных дозиметров, в том числе и на базе микроконтроллеров. Сегодня вашему вниманию предоставится ещё один такой вариант. Стоимость прибора не высока, никаких экзотических деталей не используется, все можно купить на различных интернет торговых площадках, известной всем китайской торговой площадке и/или городских радиомагазинах/радио рынках.
И так, начнем все по порядку и с теории. Вспомним из школьного курса физики и химии, что такое радиация, откуда она берется и источники излучения.
Сам термин "радиация" не совсем точен (но в свою очередь более обширен) и под этим термином нам следует понимать, что это ионизирующее излучение - потоки фотонов, элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.
Ионизация - процесс образования ионов (+ или - заряженных частиц вещества) из нейтральных атомов или молекул.
Откуда вокруг нас радиация? Так сложилось, что все вокруг нас радиоактивно в большей или меньшей мере. В земной коре множество химических элементов и их изотопов, которые создают данное излучение. Дополнительно на планету обрушивается поток космического излучения. В сумме это все дает нам природную радиацию. Также, в процессе технического и индустриального прогресса мы имеем выбросы предприятий.
Ионизирующее излучение бывает разных видов. Это гамма- и рентгеновские лучи (электромагнитные волны), бета-частицы (электроны и их античастицы, позитроны), альфа-частицы (ядра атомов гелия), нейтроны и просто осколки ядер, летящие с огромной скоростью, достаточной для ионизации вещества.
Организм человека не имеет никаких сенсоров для обнаружения излучения. Его невозможно увидеть, почувствовать кожей или органолептически (вкус и запах).
Для организма человека ионизация его клеток имеет пагубное влияние. Происходит разрушения целостности белков и нуклеиновых кислот, что может привести к массовой гибели клеток или мутациям. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.
Для обнаружения ионизирующего излучения существуют специальные приборы. В частности и в масштабах проекта нас интересуют дозиметры/радиометры для детектирования бета- и гамма- излучения.
Альфа частицы от природных источников нам не интересны, ибо они сложно детектируются, имеют малую проникающую способность и легко останавливаются верхним слоем кожи человека.
Но не стоит недооценивать данный вид излучения. При попадании внутрь организма источника, который излучает альфа частицы, наносится очень серьезный вред организму. Также, опасность несет высокоэнергетическое альфа-излучение, которое может проникать в организм из вне, но в повседневной жизни с ним невозможно столкнуться, так как это возможно лишь на специальном оборудовании - ускорителе частиц.
Вот мы плавно подошли к технической части и самой сути. Для детектирования гамма- и бета- излучения будем использовать счётчик Гейгера — Мюллера типа СБМ-20. Почему он? Да потому что бюджетно (цена ~15$, а то и того меньше) и потому что их со времен СССР наштамповали столько, что не составит труда купить даже новый, в коробочке и с паспортом.
Бету можно детектировать на открытом датчике. Между источником излучения и детектором ничего не должно быть. Бета частицы могут легко задерживаться сравнительно тонким слоем металла и пластика.
В заводских дозиметрах предусмотрена снимающаяся крышка-фильтр с свинцовой пластиной внутри. Данный фильтр, когда установлен, отсекает бету и позволяет детектировать только гамму. Если фильтр снять, то детектируется гамма + бета условно.
Детектор СБМ-20 представляет собой газонаполненный (инертным газом) конденсатор, в котором происходит пробой при пролёте через него частицы (более подробно на википедии). Схематически его можно представить так:
Выглядит вживую так:
Для работы данного типа счетчиков необходимо высокое напряжение >+300V. Типичным напряжением питания во многих дозиметрах является ~+400V. Счётная характеристика СБМ-20 имеет ярко выраженное плато, в пределах которого скорость счёта очень слабо зависит от напряжения. Для своего счетчика, я эмпирическим путем определил данное плато 320-500V . При меньшем напряжении счетчик явно занижает количество импульсов, а больше 500V я и не стал поднимать, хотя где-то мне встречалась цифра, что стабильно работает до 600V.
Питаться схема будет от двух телефонных Li-Ion АКБ соединенных последовательно. Для зарядки используется модуль заряда TP5100. Данный модуль с помощью перемычки на плате может быть сконфигурирован на выходное напряжение 4.2V и 8.4V. Для работы в режиме 8.4V необходимо блок питания на напряжение не менее 9V.
Отлично! С питающим напряжением определились, но где взять высокое напряжение +400V? Как хорошо что мы живем в 21-м веке и имеем обширную элементную базу. Мы не будем использовать различные схемы на трансформаторах/блокинг-генераторах и не будем вручную мотать дроссели. Для получения такого напряжения мы будем использовать ШИМ контролер MAX1771 по типичной схеме включения step up.
Бегло пробежимся по первой части схемы. Вверху схемы видим набор фильтрующих конденсаторов (С1, С2, С3 и С4) и стабилизатор напряжения D1 (AMS1117 3.3V) для питания ESP.
Далее, видим саму микросхему ШИМа D3 (MAX1771), дроссель L1 (100 uH), диод Шоттки VD1 (UF5408), N-ch MOSFET транзистор VT1 (STD1NK80Z) и электролит С5 (4.7uF 450V). Конденсатор С7 на ноге REF установлен согласно мануалу, а на резисторах R7 и R8 организован резистивный делитель напряжения для обратной связи ШИМа.
Дроссель L1 запасает энергию когда транзисторный ключ VT1 открыт. При этом ток протекает через сам транзистор и низкоомный шунт R6, за напряжением на котором следит микросхема ШИМ. При закрытие транзистора происходит короткий импульс ЭДС самоиндукции через фильтрующий диод Шоттки и накапливается в конденсаторе С5.
Напряжение на средней точке делителя R7-R8 должно быть 1.5V при необходимом нам выходном напряжении.
Делитель R7-R8 можно пересчитать исходя из имеющихся в наличии резисторов, но необходимо помнить, что резистор R7 должен иметь номинал не менее 10кОм.
Дроссель L1 можно использовать и большего номинала.
Транзистор подойдет любой N- chanel у которого параметры Vds > 600V, Vgs(th) <= 3V и
Vgs > ±20V
Напряжение на средней точке делителя R10-R11 должно быть не более чем 1V при условии, что имеем питающее напряжение в 9V (когда подключена зарядка). Средняя точка напрямую подключена к аналоговому (ADC) входу ESP. МК с помощью встроенного 10-битного АЦП производит расчет в % заряда батареи.
Делитель R10-R11 так же можно пересчитать исходя из имеющихся под рукой резисторов.
Конденсатор С6 (2.2uF 450V) и резистор R9 относятся к цепи бузера (динамика). Бузер щелкает каждый раз когда в детекторе происходит пробой.
Изменяя номинал резистора R9 можно выставить нужную громкость щелчков.
Резистор R3 и оптрон U1 (PC817) входят в цепь детектирования. Резистор выполняет нагрузочную роль и предотвращает горение дуги в детекторе, а с помощью оптрона осуществляется опторазвязка высоковольтной части детектора от низковольтной части МК, выполняющей подсчет пробоев в детекторе.
По первой части схемы вроде бы все сказал. Переходим ко второй части.
Резисторы R1, R2 и R4 необходимы для запуска МК согласно даташиту. Pin GPIO14 (pin D2 для wemos) программно установлен в высокий уровень и подтянут к питанию через резистор R5.
Pins GPIO4(D2) и GPIO5(D1) сконфигурированы для подключения 0.91` OLED 128х32 дисплея на на базе драйвера SSD1306. Выглядит дисплей так:
ESP8266 на рынке можно встретить в нескольких вариантах. Слева - это отладочная плата wemos, а справа сам модуль ESP-12F. После программирования через отладочную плату - модуль с неё снимается (отпаивается) и используется в дальнейших проектах, что, собственно, я и сделал. Это уменьшит габариты устройства.
Модуль на своем борту имеет синий светодиод. Его можно использовать для индикации пробоев в детекторе. Подключен он к пину GPIO2 (pin D4 для wemos). К данному пину можно припаять еще один светодиод и вывести на переднюю панель дозиметра.
После проектирования схемы и отладки кода настало время проектировать плату. Моделирование сделано в Altium Designer 17.0. Размер платы вышел 62х55.
Данная модель платы изначально предназначалась для стационарного прибора , но позже претерпела некоторые изменения, так как необходимо было организовать некоторую мобильность прибора, чтобы брать его с собой.
На представленной модели нет выводов под дополнительный светодиод, и нет резистивного делителя для контроля заряда АКБ. Всё это сделано навесом.
Дисплей подключается самодельным шлейфом на DuPont разъемах, вместе с бузером и дополнительным светодиодом выведен на переднюю панель прибора.
ВНИМАНИЕ! После сборки схемы и включении питания, не суйте руки к СБМ-20 и к высоковольтным контактам. Для некоторых людей это может быть смертельно. Если и не смертельно, то можно не плохо испугаться от удара током, да и пальцы щиплет хорошо. Если нужно производить манипуляции с платой, то необходимо разрядить конденсаторы С6 и С5 после выключения прибора. Сделать это можно замкнув пару раз выводы данных конденсаторов отверткой (держать отвертку следует за рукоятку).
Оговорюсь сразу, что изначально были прикинуты условные габариты платы и корпуса.
После всех разработок, травлений и пайки полученную плату необходимо запихнуть в корпус. В корпус был врезаны тумблер для отключения бузера (silent mode), светодиод (подключен на GPIO02), гнездо зарядки, дисплей и естественно кнопка включения прибора.
Как было сказано ранее, данный прибор должен был быть стационарным. Позже выяснилось, что не плохо было бы иметь мобильный (носимый) вариант. По факту схема у обоих вариантов прибора одинакова, за исключением того что был добавлен АКБ с модулем зарядки и светодиод на переднюю панель прибора. Основное отличие лежит в прошивке МК.
Прошивка для стационарного прибора, как и в прошлом проекте, имеет web-интерфейс, через который можно смотреть показания, настраивать параметры и обновлять прошивку по воздуху (если выйдет новая).
При включении прибор автоматически подключается к домашней сети (если имя и пароль задать в настройках прибора) или же создает собственную точку доступа и на дисплее выводит IP адрес.Так же предусмотрена возможность отправка данных на Narodmon.
В таком приборе не обязательно подключать дополнительный светодиод, бузер и даже дисплей. Все можно наблюдать через web-интерфейс. Время экспозиции указывается в настройках (чем дольше тем точнее будут показания) и в интерфейсе через это же время будет производится смена показаний.
В мобильной версии есть вариант с web и без него, но в угоду автономности прибора желательно не использовать Wi-Fi. Жрет энергии много, да и в полевых условиях не до Wi-Fi. Основное отличие от стационарной версии в алгоритме подсчета показаний. Так как в полевых условиях некогда сидеть и ждать минуту для получения данных, использован иной алгоритм подсчета. Он конечно будет менее точен, но быстрее происходит смена показаний прибора (после каждого импульса). Основан он не на подсчетах самих импульсов за временной интервал, а на частоте следования импульсов. Тем самым прибор как бы предугадывает что с "такой" частотой следования импульсов за минуту будут "вот такие" показания.
Так же данные на дисплее будут сменятся каждые 5 секунд. На одном "дисплее" указывается мощность эквивалентной дозы излучения, а на другом: время работы, количество импульсов за минуту, эквивалентная доза и процент заряда батареи.
В завершении статьи скажу, что тестировать прибор в условиях неблагоприятной радиационной обстановке не довелось. Собственно даже нет возможности где-то его "поверить". Из домашних вещей неплохо реагирует на хрустальную вазу и показывает 30-35мкР/ч. Самоделка не претендует на звание эталонного прибора за 20 баксов, но даже самый простой прибор без вывода числовых показаний может являться неплохим визуальным сигнализатором. Чем больше и чаще слышны щелчки тем меньше времени стоит задерживаться на этом месте.
Для желающих повторить девайс я выложил на github схему и три варианта прошивки.
