DIY Geiger Counter พร้อม ESP8266 และหน้าจอสัมผัส: 4 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

อัปเดต: เวอร์ชันใหม่และปรับปรุงพร้อม WIFI และคุณสมบัติเพิ่มเติมอื่นๆ ที่นี่

ฉันออกแบบและสร้าง Geiger Counter - อุปกรณ์ที่สามารถตรวจจับรังสีไอออไนซ์และเตือนผู้ใช้ถึงระดับการแผ่รังสีรอบข้างที่เป็นอันตรายด้วยเสียงคลิกที่คุ้นเคยทั้งหมด นอกจากนี้ยังสามารถใช้เมื่อสำรวจหาแร่ธาตุเพื่อดูว่าหินที่คุณพบมีแร่ยูเรเนียมอยู่หรือไม่!

มีชุดเครื่องมือและแบบฝึกหัดที่มีอยู่มากมายทางออนไลน์เพื่อสร้าง Geiger Counter ของคุณเอง แต่ฉันต้องการสร้างชุดที่ไม่เหมือนใคร - ฉันออกแบบจอแสดงผล GUI พร้อมระบบควบคุมแบบสัมผัสเพื่อให้ข้อมูลแสดงได้อย่างสวยงาม

ขั้นตอนที่ 1: ทฤษฎีพื้นฐาน

หลักการทำงานของ Geiger Counter นั้นเรียบง่าย ท่อผนังบางที่มีก๊าซแรงดันต่ำอยู่ภายใน (เรียกว่าท่อไกเกอร์-มุลเลอร์) ได้รับพลังงานจากไฟฟ้าแรงสูงผ่านอิเล็กโทรดทั้งสอง สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการสลายไดอิเล็กตริก ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไหลผ่านท่อ นั่นคือจนกว่าอนุภาคหรือโฟตอนของรังสีไอออไนซ์จะผ่านเข้าไป

เมื่อรังสีบีตาหรือแกมมาผ่านเข้าไป มันสามารถแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลของแก๊สภายใน ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก อนุภาคเหล่านี้เริ่มเคลื่อนที่เนื่องจากการมีอยู่ของสนามไฟฟ้า และจริง ๆ แล้วอิเล็กตรอนสามารถรับความเร็วได้มากพอที่จะทำให้โมเลกุลอื่นแตกตัวเป็นไอออน ทำให้เกิดการเรียงตัวของอนุภาคที่มีประจุซึ่งจะนำไฟฟ้าชั่วขณะ สามารถตรวจจับพัลส์กระแสสั้นๆ นี้ได้จากวงจรที่แสดงในแผนผัง ซึ่งสามารถใช้เพื่อสร้างเสียงคลิก หรือในกรณีนี้ ป้อนไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ที่สามารถคำนวณได้

ฉันใช้หลอดไกเกอร์ SBM-20 เนื่องจากหาได้ง่ายบนอีเบย์ และค่อนข้างไวต่อรังสีบีตาและแกมมา

ขั้นตอนที่ 2: ชิ้นส่วนและการก่อสร้าง

ฉันใช้บอร์ด NodeMCU ที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP8266 เป็นสมองสำหรับโครงการนี้ ฉันต้องการบางอย่างที่สามารถตั้งโปรแกรมได้เหมือน Arduino แต่เร็วพอที่จะขับเคลื่อนจอแสดงผลโดยไม่เกิดความล่าช้ามากเกินไป

สำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงสูง ฉันใช้ตัวแปลงเพิ่ม HV DC-DC จาก Aliexpress เพื่อจ่าย 400V ให้กับหลอด Geiger โปรดจำไว้ว่าเมื่อทำการทดสอบแรงดันไฟขาออก คุณไม่สามารถวัดโดยตรงด้วยมัลติมิเตอร์ได้ เนื่องจากอิมพีแดนซ์ต่ำเกินไปและจะทำให้แรงดันไฟฟ้าตก ดังนั้นค่าที่อ่านได้จะไม่ถูกต้อง สร้างตัวแบ่งแรงดันไฟที่มีมัลติมิเตอร์อย่างน้อย 100 MOhms และวัดแรงดันด้วยวิธีนั้น

อุปกรณ์นี้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 18650 ที่ป้อนเข้าตัวแปลงเพิ่มอื่นที่ให้ค่าคงที่ 4.2V สำหรับส่วนที่เหลือของวงจร

นี่คือส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับวงจร:

• หลอด SBM-20 GM (ผู้ขายจำนวนมากบน eBay)
• ตัวแปลงบูสต์แรงดันสูง (AliExpress)
• Boost Converter สำหรับ 4.2V (AliExpress)
• บอร์ด NodeMCU esp8266 (อเมซอน)
• จอทัชสกรีน SPI ขนาด 2.8" (อเมซอน)
• เซลล์ Li-ion 18650 (Amazon) หรือแบตเตอรี่ LiPo 3.7 V ใดๆ (500+ mAh)
• ที่ยึดเซลล์ 18650 (Amazon) หมายเหตุ: ที่ใส่แบตเตอรี่นี้ดูใหญ่เกินไปสำหรับ PCB เล็กน้อย และฉันต้องงอหมุดเข้าด้านในเพื่อให้สามารถบัดกรีได้ ฉันอยากจะแนะนำให้ใช้แบตเตอรี่ LiPo ที่มีขนาดเล็กลงและการบัดกรี JST จะนำไปสู่แผ่นแบตเตอรี่บน PCB แทน

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เบ็ดเตล็ดที่จำเป็น (คุณอาจมีอยู่แล้วบางส่วน):

• ตัวต้านทาน (โอห์ม): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M แนะนำให้รับตัวต้านทาน 10M สำหรับทำตัวแบ่งแรงดันไฟที่จำเป็นในการวัดเอาท์พุตไฟฟ้าแรงสูง
• ตัวเก็บประจุ: 220 pF
• ทรานซิสเตอร์: 2N3904
• LED: 3mm
• Buzzer: ออดเซอร์ขนาด 12-17 มม. ใดก็ได้
• ตัวยึดฟิวส์ 6.5*32 (สำหรับติดท่อไกเกอร์อย่างแน่นหนา)
• สวิตช์เปิดปิด 12 มม.

โปรดดูแผนผัง PDF ใน GitHub ของฉันเพื่อดูว่าส่วนประกอบทั้งหมดไปที่ใด โดยปกติแล้วการสั่งซื้อส่วนประกอบเหล่านี้จากผู้จัดจำหน่ายจำนวนมากเช่น DigiKey หรือ LCSC มักจะถูกกว่า คุณจะพบสเปรดชีตที่มีรายการคำสั่งซื้อของฉันจาก LCSC ในหน้า GitHub ที่มีส่วนประกอบส่วนใหญ่ที่แสดงด้านบน

แม้ไม่จำเป็นต้องใช้ PCB แต่ก็ช่วยให้ประกอบวงจรได้ง่ายและทำให้ดูเรียบร้อย ไฟล์ Gerber สำหรับการผลิต PCB สามารถพบได้ใน GitHub ของฉันเช่นกัน ฉันได้แก้ไขการออกแบบ PCB เล็กน้อยตั้งแต่ได้รับของฉัน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้จัมเปอร์เพิ่มเติมกับการออกแบบใหม่ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ยังไม่ได้รับการทดสอบ

ตัวเคสเป็นแบบ 3 มิติที่พิมพ์จาก PLA และสามารถดูชิ้นส่วนต่างๆ ได้ที่นี่ ฉันได้ทำการเปลี่ยนแปลงไฟล์ CAD เพื่อให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งการเจาะใน PCB ควรจะใช้งานได้ แต่โปรดทราบว่าสิ่งนี้ยังไม่ได้รับการทดสอบ

ขั้นตอนที่ 3: รหัสและ UI

ฉันใช้ไลบรารี Adafruit GFX เพื่อสร้างอินเทอร์เฟซผู้ใช้สำหรับจอแสดงผล รหัสสามารถพบได้ในบัญชี GitHub ของฉันที่นี่

หน้าแรกแสดงอัตราปริมาณรังสี จำนวนต่อนาที และปริมาณที่สะสมทั้งหมดตั้งแต่เปิดเครื่อง ผู้ใช้สามารถเลือกโหมดการรวมที่ช้าหรือเร็วซึ่งเปลี่ยนช่วงเวลาผลรวมการทบเป็น 60 วินาทีหรือ 3 วินาที ออดและไฟ LED สามารถเปิดหรือปิดแยกกันได้

มีเมนูการตั้งค่าพื้นฐานที่อนุญาตให้ผู้ใช้เปลี่ยนหน่วยขนาดยา เกณฑ์การแจ้งเตือน และปัจจัยการสอบเทียบที่เกี่ยวข้องกับ CPM กับอัตราปริมาณยา การตั้งค่าทั้งหมดจะถูกบันทึกไว้ใน EEPROM เพื่อให้สามารถเรียกคืนได้เมื่อรีเซ็ตอุปกรณ์

ขั้นตอนที่ 4: การทดสอบและสรุปผล

Geiger Counter วัดอัตราการคลิก 15 - 30 ครั้งต่อนาทีจากการแผ่รังสีพื้นหลังตามธรรมชาติ ซึ่งเกี่ยวกับสิ่งที่คาดหวังจากหลอด SBM-20 ตัวอย่างเล็กๆ ของแร่ยูเรเนียมมีกัมมันตภาพรังสีปานกลาง ที่ประมาณ 400 CPM แต่เสื้อคลุมโคมที่มีทรวงอกสามารถทำให้คลิกได้เร็วกว่า 5,000 CPM เมื่อยกขึ้นแนบท่อ!

ตัวนับ Geiger ใช้พลังงานประมาณ 180 mA ที่ 3.7V ดังนั้นแบตเตอรี่ขนาด 2000 mAh ควรใช้งานได้นานประมาณ 11 ชั่วโมงต่อการชาร์จ

ฉันวางแผนที่จะปรับเทียบหลอดอย่างเหมาะสมด้วยแหล่งกำเนิดซีเซียม-137 มาตรฐาน ซึ่งจะทำให้การอ่านค่าขนาดยาแม่นยำยิ่งขึ้น สำหรับการปรับปรุงในอนาคต ฉันยังสามารถเพิ่มความสามารถ WiFi และฟังก์ชันการบันทึกข้อมูล เนื่องจาก ESP8266 มาพร้อมกับ WiFi ในตัวแล้ว

ฉันหวังว่าคุณจะพบว่าโครงการนี้น่าสนใจ! โปรดแชร์งานสร้างของคุณหากคุณสร้างสิ่งที่คล้ายกัน!