nifiboy

Здравствуйте, мои драгоценнейшие радиофобы и радиофилы, давайте представим, что у нас с Вами есть прибор, который может заранее предупредить об урагане, граде, снегопаде.

Только вообразите, как бесценно за полчаса до ливня собраться и поехать домой, чем мокрым, под дождём собирать палатку, спасать шашлыки.

Что если я Вам скажу, что предсказание погоды — это не весь функционал, что данный прибор будет предупреждать о большом уровне разных примесей и крупных частиц в воздухе, высоком содержании углекислого газа, чрезмерной интенсивности ультрафиолетовом излучении, Альфа, Бетта, Гамма-радиации и сильном электромагнитном излучении.

И это ещё не всё, только представьте Вам понравился новый туристический маршрут и Вы хотите поделиться им на форуме или в мессенджере с друзьями, в лучшем случае Вы нарисуете его на карте и сфотографировав отправите картинку, а благодаря данному прибору Вы сможете поделиться точными координатами маршрута, потому что внутри его находится датчик геолокации и все координаты и показания датчиков записываются в лог файл.

Благодаря интерактивной карте, составленной прибором, Ваши друзья смогут посмотреть от температуры во время Вашего путешествия, до уровня углекислого газа или высокого уровня радиации, на всём пути следования.

В течении года я покупал разные модули, чтобы воплотить данную идею в жизнь. И вот сейчас, когда всё необходимое я закупил, нам с Вами осталось немного, перевести данные с двух аналоговых датчиков в цифровое пространство. И как многие догадались по моему нестандартному приветствию и вступительной заставке, речь в данной статье пойдёт о счётчике Гейгера-Мюллера.

Вообще тему счётчика Гейгера-Мюллера я считал проходной, - но как же я ошибался.

В интернете много схем и прошивок для дозиметров на любой вкус, казалось бы, бери и пользуйся, но не тут-то было:

Первое. Схемы, их можно разделить на две категории: первую рисовали или студенты для курсовой, что бы от них отстал преподаватель, или безумцы, которым голоса в голове нашептали спроектировать схему дозиметра, других причин что бы рисовать нерабочую схему я не могу придумать, некоторые из них я даже повторил и их разработчикам было настолько плевать, что они даже не удосужились открыть даташит и понять, что обвязку они выбрали неверно, подключили микросхемы неправильно и выбранные оптроны или ключи просто неспособны открыться, так как для их срабатывание необходим больший ток, чем способен выдать датчик дозиметра.

Второе. Схемы дозиметров рабочие, но их помимо того, что очень сложно повторить, так еще и некоторые радиодетали трудно достать, что сделает данный проект недоступным для большинства подписчиков, поэтому обратимся за помощью к нашим друзьям из Китая, а конкретно к повышающему DC-DC модулю на микросхеме MAX.

Однако готовый модуль с AliExpress выдаёт только 220 вольт, так еще и неверно спроектирован, поэтому соберём свой модуль, благо его схема есть в интернете, а сам он состоит из небольшого количества компонентов, которые имеют много аналогов и легко заменяются близкими по характеристикам радиодеталями.

В качестве счётчика дозиметра будет ESP8266 по следующим причинам:

1.  Датчик будет универсальным, он будет применяться как в стационарных приборах, так и переносных, поэтому модуль с WI-FI и Bluetooth на борту в неконкуренции перед другими микроконтроллерами, при этом другие микроконтроллеры из семейства ESP дороже и избыточны для нашей задачи.

2.  Он уже экранирован от внешних помех и при этом имеет низкое энергопотребление - 16 мА, что всего в два раза больше потребления ATmega328P, которой необходимо 8 mA.

Понижать напряжение для ESP8266 будет высокоэффективный модуль с КПД до 98%, название которого я не нашёл, поэтому надеюсь, Вы напишите его название в комментариях.

Принимать сигнал с датчиков дозиметра будет схема, которую я позаимствовал у дозиметра ArDos.

Велосипед изобрели (со схемами разобрались) давайте перейдём к коду.

Алгоритмы дозиметров так же делятся на два вида:

1.  Измерение радиационного фона. Тут всё просто, мы в соответствии с документацией проводим измерение за определённый промежуток времени, а затем по формуле вычисляем радиационный фон.

2.  Поисковый алгоритмы. В данном случае первый алгоритм нам не подходит, так как он накапливает данные за определённый промежуток времени, например возьмём самый популярный датчик СБМ-20, для измерения радиационного фона нам необходимо производить измерения за последние 34 секунды, то есть на момент получения данных, они будут уже, как 34 секунды устаревшими, что ни коем образом не подходит для поисковых алгоритмов. Просто представьте Вы попали в зону заражения и Вам нужно, как можно скорее, выбраться оттуда, но для понимания в какую сторону идти, Вам нужно будет останавливаться каждый раз на 34 секунды, чтобы понять снижается ли радиационный фон в том направлении, куда Вы направляетесь.

В интернете полно разных поисковых алгоритмов, но все они основываются на предсказаниях будущего, только представьте: радиация не имеет линейной зависимости, счётчике Гейгера-Мюллера может за первую секунду поймать 6 частиц, за вторую 0, за третью 2 и на основе этих данных поисковый алгоритм должен предсказать радиационный фон, и какие бы фильтры Вы не применяли к данным алгоритмам, точность предсказания может достигать не более 10%, что для меня не приемлемо.

Поэтому я решил сделать, как делали Советские инженеры, а именно выводить данные за последнюю секунду, тем самым мы с Вами будем получать самые актуальные данные, то есть наш с Вами дозиметр выводит стразу два значения, одно радиационный фон, второе количество импульсов за последнюю секунду и если нам нужно найти источник радиации, то по увеличению данного значения можно понять где находится источник (чем больше сигналов за последнюю секунду, тем ближе к источнику), а по спаду показаний можно убедиться, что мы удаляемся из заражённой зоны в правильном направлении.

Перед тем как мы перейдём к самому прибору, давайте поговорим о радиации, её видах и датчиках для её обнаружения, а также какие из них нужно покупать, а какие обходить стороной:

Начнём с Гамма-излучения.

Масса Гамма-частиц в состоянии покоя равна нулю, они не заряжены, поэтому большинство из них пролетают через счетчик Гейгера, никак не взаимодействуя с ним. Всего от 1 до 4% Гамма-частиц, в зависимости от их энергии, регистрируется счетчиком. Для их регистрации подойдёт почти любой счётчик, мы же в своём проекте будем использовать СБМ-20 и СИ-3БГ.

Бета-излучение.

Бета-частицы — это электроны, их можно разделить на две категории: высокоэнергетические или жёсткое Бета-излечение – преодолевают металлическую стенку счетчика и низкоэнергетические или мягкое Бета-излучение – неспособны преодолеть металлическую стенку и регистрируются только слюдяными датчиками. Бета-частицы заряжены, поэтому проникнув внутрь датчика они будут с вероятностью 99% зарегистрированы. В проекте Бета-излучение будут регистрировать СБМ-20 и СБТ-11А.

Альфа-излучение.

Альфа-частицы — состоят из 2х протонов и 2х нейтронов, а их вес в 7344 раза тяжелее электрона, они положительно заряжены, поэтому, как и Бета частицы, попав внутрь датчика будут зарегистрированы с вероятностью 99%.

Из-за своих размеров, массы и положительного заряда, Альфа-частицы сталкиваются с молекулами вещества и быстро теряют энергию. Например, они не могут преодолеть более 10 см. воздуха или 40 микрон металлической пластины, поэтому для их регистрации необходимы особые датчики, с тонким слюдяным окном, имеющие букву «А» в конце своего названия.

Из всех представленных выше излучений, Альфа-излучение является самым опасным, его не регистрируют бытовые дозиметры, для его обнаружения необходим очень близкий контакт с заражённым объектом (не более 2 см. от источника заражения), при этом при таком близком контакте легко получить загрязнение рук и дозиметра, однако пока источник Альфа-излучения находится снаружи, он нам ни чем не угрожает, Альфа-частицы врезаются в наружный слой кожи и остаются там, а как мы знаем наружный слой кожи состоит из омертвевших клеток, которые со временем отшелушиваются. Но не всё так просто, как только источник Альфа-излучая попадает нам внутрь, например с продуктами питания, Альфа-частицы начинают атаковать внутренние органы, которые не имею омертвевшего слоя клеток, что делает Альфа-излучение самым опасным из всех источников радиации. Только представите, как огромные, массивные Альфа-частицы врезаются в стенки ваших внутренних органов, вызывая травмирование тканей, при более интенсивном излучении - кровотечения, в последствии могут привезти к развитию рака. В проекте Альфа-излучение будет регистрировать СБТ-11А.

Теперь поговорим о самих датчиках и советах при покупке их с рук.

Итак, представим, что какая-то частица одного из трёх излучений попала внутрь датчика, в котором находится инертный газ (например Неон (Ne) + Аргон (Ar)) При пролете через газ, электроны производят вокруг своего трека ионизацию молекул газа, т. е. разрывают эти молекулы на заряженные частицы, тем самым создавая еще кучу медленных электронов и ионов. Эти вторичные заряженные частицы начинают притягиваться: отрицательные электроны к положительно заряженной проволоке в центре счетчика, а положительные ионы — к отрицательной наружной стенке. В процессе они ускоряются, снова сталкиваясь с молекулами газа тем самым создавая вторичную ионизацию или так называемую «лавину» заряженных частиц, которая фактически является искровым пробоем внутри счетчика, в результате этого возникает проседание напряжения на электродах счетчика, и мы получаем импульс около 50 вольт и длительностью несколько микросекунд.

В первых счётчиках Гейгера использовали в качестве гасящей высокомолекулярной добавки - пары спирта, однако такие датчики имели малую выработку и быстро выходили из строя, позже пары спирта заменили на Бром (Br), который имеет значительно большую выработку, но при этом производить датчики в которых используются пары спирта не перестали, так как их производство намного дешевле, поэтому покупая дешёвые бытовые дозиметры на AliExpress есть огромная вероятность, что в его датчике в качестве высокомолекулярной добавки используются пары спирта.

Как покупать датчики с рук?

Перед покупкой попросите продавца прислать видео замера радиационного фона, этого будет достаточно для понимания работоспособности датчика, обычно нечестные продавцы при продаже датчика с высокой выработкой прибегают к следующему обману, как например это продавец с Авито. При включении дозиметра он тут же поднёс к датчику источник радиации и дозиметр моментально начал сигнализировать о превышении радиационного фона, однако, когда датчик пришёл ко мне, я выяснил, что моя покупка имеет большую выработку из-за чего внутри датчика возникает непрерывный искровой пробой и показания счётчика Гейгера моментально зашкаливают.

Со схемой и кодом разобрались, они, как всегда, будут в описании под видео, теперь давайте я отвечу на некоторые Ваши вопросы.

Почему в дозиметре я применил сразу 3 датчика, а не 1, как делают в промышленных приборах?

1.  В промышленных приборах экономят на всём, а данный проект мы делаем для себя, поэтому нет смысла экономить на себе.

2.  Для расширения диапазона чувствительности, датчик СБМ-20 используется в связке с СИ-3БГ, как например в профессиональном дозиметре-радиометре ДП-5В.

3.  СБМ-20 и СИ-3БГ не могут детектировать Альфа-излучения, поэтому нам потребуется третий датчик: СБТ-11А, где А означает, что датчик особенно чувствителен к Альфа-излучению. Конечно, можно обойтись одним датчиком СБТ-11А, как например делают многие промышленные приборы, однако, чтобы определить таким дозиметром тип излучения Вам потребуется вначале поднести прибор к источнику радиации, произвести замер, затем установить в прибор фильтр от Альфа-излучения, снова провести замер, если пробор продолжает показывать превышение уровня радиации, значит это не Альфа-излучение и нам потребуется снова установить фильтр, но уже от Бетта-излучения, и вновь провести замер радиации, если радиация снова выше нормы, значит перед нами Гамма-излучение, если же нет, то Бетта-излучение.

В нашем же с Вами приборе, всё просто, если превышение дозы показывает только датчик СБМ-20 и СИ-3БГ, значит перед нами источник Гамма-излучения, если же превышение фона регистрирует СБТ-11А, а СБМ-20 и СИ-3БГ молчат, значит перед нами Альфа-излучение, если же все три датчика активны значит перед нами Бетта-излучение.

Как всегда я снял для Вас подробную инструкцию и подготовил печатную плату в Sprint-Layout и PDF, все ссылки в описании под видео на ютубе.

Скетч Вы можете скачать с github https://github.com/chevichelov/GEIGER_COUNTER
Для скачивание не требуется регистрация или оплата, просто жмите на зелёную кнопку "CODE" -> "Download ZIP"

Давайте перейдём к страницам нашего трёхканального вольтамперметра на базе ESP32-S3, на главной у нас отображается текущее время модуля, значок WI-FI сигнализирующий нам, что на модуле включена точка доступа и мы можем подключиться к ней с телефона, планшета или ноутбука и скачать все данные. Далее идут показания трёх модулей INA226 подключённых по шине I2C, кнопки переключения профилей позволяющие сохранять данные в EEPROM для продолжения отложенных тестов.

На этом моменте остановимся и рассмотрим данный функционал подробно, представьте Вы решили узнать ёмкость батареи разрядив её или зарядив до определённого значения, но во время теста Вам срочно потребовалось зарядить, например аккумулятор от автомобиля, что бы Ваша жена смогла уехать по делам, если Вы прервёте тест, то все данные будут утеряны и Вам придётся начинать тест заново, но благодаря профилям Вы можете просто переключиться на другой профиль и тем самым сохранить данные Вашего первого теста. Прошу заметить, что данные сохраняются во время переключения профилей, так как количество записей в EEPROM ограничено и записывать данные онлайн в EEPROM, мы не можем, мы просто испортим память. При получении данных из EEPROMа, вольтамперметр сначала использует алгоритмы CRC для проверки целостности данных и только потом начинает с ними работать.

На каждый канал у нас по 5 профилей, что в общей сумме нам даёт 15 профилей на вольтамперметр.

Так же на главной странице у нас имеется кнопка включения/выключения защиты электронной нагрузки. Первый канал я буду использовать под электронную нагрузку в своём лабораторном блоке питания, поэтому в вольтамперметре реализована зашита от глубокого разряда с помощью программного гистерезиса.
Защита управляет пином номер 6 вольтамперметра, подавая на него сигнал высокого уровня, когда источник питания нужно отключить, а программный гистерезис не позволяет снова включить нагрузку, чтобы не допустить глубокого разряда источника питания.

Говоря рабоче-крестьянским языком, когда мы разряжаем батарею большими токами, напряжение на ней сильно проседает, но как только мы отключаем батарею от нагрузки, напряжение на ней снова поднимается и электронная нагрузка может включиться снова и продолжить разряжать батарею, чтобы этого не произошло, и электронная нагрузка не включилась повторно, и был реализовать программный гистерезис.

Так же на против каждого канала имеется индикатор, который сигнализирует нам, ведется ли сейчас запись с этого канала в лог на SD карту, если карта конечно же вставлена в модуль, и она им поддерживается, а её размер не превышает 32 Гб, в противном случае включить данную опцию не получится.

На этом моменте у Вас конечно же возник вопрос, почему я использовал 3 модуля INA226, а не один модуль INA3221, что сделало бы вольтамперметр ещё компактнее?
Всё просто, модуль INA3221 рассчитан на максимальное напряжение в 26 вольт, а у меня источники питания с напряжением в 36 вольт, поэтому пришлось использовать несколько модулей INA226, что бы не городить делители напряжения, что сделало бы сам вольтамперметр сложнее в изготовлении, тем более модуль INA226 позволяет одновременно использовать до 16 модулей и это без учёта плат расширения.

Вообще для данного вольтамперметра мною было придумано множество вариантов, от одного модуля INA3221 до сложной схемы с защитой на ATTINY13, но после большого количества экспериментов, я остановился на плате с 4 модулями.

Следующие три страницы — это графики, для каждого из каналов. В первой строчке у нас отображаются данные онлайн текущего канала, индикатор записи в лог файл на SD карту и время работы модуля с момента включения.

Ниже мы с Вами видим адаптивный график, где максимальное и минимальное значение рассчитываются онлайн на основе данных графика, так же по мимо шкалы времени и значений на графике присутствуют два курсора, которые управляются с помощью двух пальцев.

У данного модуля ёмкостный сенсор способный одновременно обрабатывать до 5 касаний, поэтому было глупо этим не воспользоваться и не реализовать два курсора. С помощью этих курсоров можно узнать значение и время нужных нам пиков или спадов на графике, данные, полученные с курсоров, отображаются в левом нижнем углу и идут в следующей последовательности, вольты, амперы, ватты, номер измерения и T это разница в измерениях между курсорами.

Следующая страница — это настройка цветов отображаемых данных, в данном разделе мы можем выбрать цвет для любого значения, например вольты, первого канала, затем с помощью клавиатуры задать новый цвет и сохранить — нажав кнопку ОК, теперь везде, где отображаются данные для которых мы изменили цвет, они будут отображаться заданного нами цвета.

Ну и последняя страница – это остальные настройки трёхканального вольтамперметра.
В первой строке мы с Вами можем включить запись необходимых нам каналов, если в слот установлена SD карта и она не более 32 Гб.

Давайте остановимся на слоте для SD карты и поговорим о нём более подробно, для управления SD картой, компания waveshare, из-за нехватки свободных пинов, выбрала такое же решение, что и я в предыдущих проектах — они использовали расширитель ввода-вывода CH422G, который управляется по шине I2C, однако данный расширитель не захотел работать с аппаратной шиной I2C, а создавал свою виртуальную, из-за чего аппаратная шина легла и отказалась работать, а вместе с ней и все устройства подключённые к этой шине, из-за чего я потратил кучу времени изучая все форумы, документацию, примеры от производителя и ни где не нашёл решения данной проблемы. Тогда мне пришлось закопаться в код библиотеки, причём библиотеки родителя и там я нашёл в комментариях сообщение, что после успешного выполнения работы, класс для управления расширителем CH422G нужно дистроить.

Далее у нас идут кнопки очистки профиля, зелёный означает, что в профиле имеются данные, красный, что профиль чист.
Кнопка WIPE DATA сбрасывает вольтамперметр на заводские настройки.
Кнопка CLEAR SD – очищает карту памяти.
WI-FI точка доступа включается/выключается переключателем в самом низу, тут же отображается IP адрес по которому необходимо подключиться к модулю, имя точки доступа и пароль.

Давайте подключимся к точке доступа и посмотрим, что доступно там:

На главной странице мы с Вами видим логи вольтамперметра, при чём мы с Вами можем без проблем скачать файл, например на 2.3 Мб, да, я понимаю, что многие из Вас разбалованы высокоскоростным интернетом и Вы сейчас думаете, что в этом такого, это же всего 2.3 Мб.

А теперь только вдумайтесь, насколько крутой микроконтроллер ESP32 S3, он может одновременно обрабатывать данные с трёх модулей INA226, модуля DS3231, записывать полученные данные на SD карту, отображать изображение размером 800 на 480 точек почти в 30 FPS, поддерживать свою точку доступа и параллельно всем этим действиям отдавать Вам файл размером в 2.3 Мб, это просто поразительно.

Ну и на второй странице у нас настройки, где Вы можете задать пароль от WI-FI сети, текущее время, при чём галочка поддерживает актуальное время и коррекционные поправки для каждого из каналов.

Ну и сама монтажная схема (в картинках, в прошлом видео большинство проголосовало за схемы в картинках):

Так же я снял для Вас подробную инструкцию и подготовил печатную плату в Sprint-Layout и PDF все ссылки в описании под видео на ютубе.

Скетч Вы можете скачать с github github.com/chevichelov/VOLTAMMETER_ESP32_S3_YCHEV003
Для скачивание не требуется регистрация или оплата, просто жмите на зелёную кнопку "CODE" -> "Download ZIP"
(Для тех, кто не знает, github эта специальная платформа для того, что бы программисты могли делится своим кодом и дорабатывать его вместе)