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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Indicatore del livello di radiazione
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / dosimetri Una caratteristica distintiva dell'indicatore proposto del livello di radiazione radioattiva è che è controllato dal microcontrollore PIC12F683. Durante lo sviluppo del dispositivo, l'autore ha familiarizzato con molti progetti di radio industriali e amatoriali esistenti su questo argomento. Ad esempio, una descrizione di uno di loro è stata pubblicata sulla rivista "Radio" n. 10 l'anno scorso. Creando questo dispositivo, l'autore intendeva avvicinare le sue capacità alle esigenze di una persona comune. Il dispositivo offerto all'attenzione dei lettori ha le seguenti caratteristiche: - LED (mediante il numero di lampeggi) indicazione del livello di radiazione radioattiva direttamente in μR/h; - indicazione sonora e luminosa (lampeggiante) forzata degli impulsi registrati della sorgente di radiazione (in modalità normale, è disabilitata per risparmiare la carica della batteria e rimuovere fastidiosi effetti psicologici); - inclusione automatica dell'indicazione sonora e luminosa degli impulsi registrati della sorgente di radiazione al superamento della soglia di 50 μR/h; - attivazione automatica dell'allarme al superamento della seconda soglia di 75 μR/h; - i valori della prima e della seconda soglia, nonché i parametri della batteria utilizzata e il tipo specifico di contatore Geiger necessario al funzionamento del dispositivo, sono memorizzati nella memoria non volatile del microcontrollore (EEPROM) e può essere facilmente modificato in base alle esigenze individuali; - consumo di corrente durante il funzionamento in condizioni di fondo radioattivo naturale - meno di 1 mA (effettivamente misurato - 0,86 mA), tempo di funzionamento con una batteria agli ioni di litio usata con una capacità di 750 mAh - più di 35 giorni; - LED di indicazione dei giorni rimanenti di autonomia della batteria; - controllo di una condizione di tensione dell'accumulatore; - ricarica della batteria tramite connessione USB standard; - dimensioni massime (determinate principalmente dal contatore Geiger utilizzato SBM-20) 120x30x25 mm. Pertanto, il dispositivo proposto ha una lunga durata (più di un mese) di funzionamento senza ricaricare la batteria, emette un allarme in caso di superamento del livello specificato di radiazione radioattiva e indica il livello di radiazione direttamente in microroentgen all'ora. Una fotografia del misuratore indicatore è mostrata in fig. 1. Lo schema del dispositivo è mostrato in fig. 2.
Prima di descrivere il funzionamento del dispositivo, è necessario considerare come il livello di radiazione radioattiva sia determinato dagli impulsi del contatore Geiger, nel nostro caso SBM-20. Secondo i dati del produttore [1], la sensibilità di questo contatore alle radiazioni gamma è di 420 ± 20 impulsi/s con un'intensità di radiazione di 4 μR/s, che corrisponde a 14,4 mR/h. Di conseguenza, il livello di radiazione di 1 mR / h corrisponderà a 420 ± 20 / 14,4 = 29,17 ± 1,39 imp./s o, che è lo stesso, 1750 ± 83 imp./min. Scomponiamo 1 mR/h in fattori, ad esempio 50x20 μR/h, in questo caso, a un livello di radiazione di 20 μR/h, il contatore Geiger SBM-20 produrrà 1750±83/50 = 35±1,7 impulsi /min. Avendo trovato il tempo durante il quale il contatore Geiger emetterà 20 impulsi alla velocità calcolata di 35 ± 1,7 impulsi / min, otteniamo l'intervallo di tempo durante il quale il numero di impulsi del contatore Geiger corrisponde al livello di radiazione in microroentgen all'ora : (60 s / 35 ± 1,7, 20 impulsi) x 34,3 = 32,7 s (tenendo conto dello spread - da 36 a XNUMX s). Questo intervallo di tempo per il conteggio degli impulsi è formato dal timer 12 integrato nel microcontrollore PIC683F1 Tenendo conto delle impostazioni del software, il periodo del timer 1 è 0,524288 s, il che significa che il periodo di misurazione richiesto è di 34,3 s / 0,524288 s = 65 (tenendo conto dell'arrotondamento) periodi del timer 1. Nella forma esadecimale 65 = 0x41, il numero 41 viene scritto nella cella zero (la prima di una riga) della memoria non volatile della EEPROM del microcontrollore e può essere facilmente modificato se viene utilizzato un altro tipo di contatore Geiger. La successiva, prima (seconda di fila) cella di memoria EEPROM memorizza il valore esadecimale del numero pianificato di giorni di funzionamento della batteria: (750 mAh / 0,9 mA) / 24 ore = 35 (arrotondato) = 0x23. La seconda cella della EEPROM è il valore della prima soglia (attiva l'indicazione sonora e luminosa degli impulsi del contatore Geiger) 50 μR/h = 0x32. La terza cella della EEPROM è la seconda soglia (allarme) 75 μR/h = 0x4V. La quarta cella della EEPROM è la durata dell'impulso per generare la tensione necessaria sul contatore Geiger; per l'SBM-20, la tensione operativa dovrebbe essere di 400 V [1]. La formula per il calcolo della durata dell'impulso è K x 3 µs + 5 µs, dove K è il valore decimale della quarta cella. Non ha senso calcolare la durata dell'impulso "pompa", poiché la tensione dipenderà dai parametri reali del circuito di formatura. Questo coefficiente deve essere selezionato sperimentalmente misurando la tensione risultante. È importante notare che poiché la sorgente di tensione di alimentazione del contatore Geiger è a bassa potenza (non ne occorre un'altra, poiché la corrente massima del contatore non supera i 20 μA [1]), tale tensione deve essere misurata attraverso un -divisore di resistenza. A tale scopo, l'autore ha utilizzato un divisore con una resistenza di ingresso gigaohm, la misurazione è stata effettuata con un oscilloscopio TDS-210. Nelle celle quinta, sesta e settima (rispettivamente sesto-ottava in ordine) della EEPROM vengono registrati i coefficienti che forniscono l'intervallo giornaliero. Questo è necessario per calcolare la durata della batteria. Il prodotto di questi tre numeri deve essere uguale al numero di periodi di misurazione al giorno. La durata del giorno in secondi 60x60x24 = 86400 s viene tradotta nel numero di intervalli di misurazione (il valore effettivo è 65 x 0,524288 s = 34,07872 s), otteniamo 86400 s / 34,07872 s = 2535 intervalli interi. Fattorizziamo il numero 2535 \u13d 13x 15x 13, rispettivamente, nelle celle scriviamo 0 \u0d 13x0D, 0 \u15d 0x0D, XNUMX \uXNUMXd XNUMXxXNUMXF. Nota importante. Per il normale funzionamento del programma incorporato nel microcontrollore, è necessario che i dati iniziali soddisfino la condizione 0 < X < 127, poiché questa condizione deve essere soddisfatta per alcuni comandi utilizzati nel programma. È conveniente utilizzare il sito calc-x.ru/conversion_number.php per convertire i numeri in diversi sistemi numerici. Consideriamo ora il circuito del dispositivo. Il dispositivo è alimentato da una batteria agli ioni di litio, per caricarlo viene utilizzata una scheda già pronta delle dimensioni di 20x25 mm prodotta in Cina, se lo si desidera, può essere realizzata in modo indipendente utilizzando il microcircuito TP4056. Per alimentare il dispositivo con una tensione stabilizzata di 3,3 V, viene utilizzato un chip LP2980-3.3. La sua caratteristica importante è il funzionamento a bassa corrente di carico e un basso consumo di corrente intrinseco (con una corrente di carico di 1 mA, non supera i 170 μA). Il nodo per ottenere la tensione di alimentazione del contatore Geiger è pienamente coerente con il circuito di un dispositivo simile [2]. Al pin 7 del microcontrollore (GP0) viene generato un breve impulso di durata determinata dal contenuto della quarta cella EEPROM. Segue una pausa di 250 μs e l'esecuzione del programma ritorna nuovamente alla formazione dell'impulso. Inizialmente, l'autore prevedeva di utilizzare un blocco separato per formare un'alta tensione (ci sono molti circuiti di tali blocchi), questo libererebbe un'uscita del microcontrollore, ma test pratici hanno dimostrato che tali nodi consumano una corrente di 1 mA o più , la microcorrente non può essere raggiunta. Il conteggio degli impulsi del contatore Geiger (pin 4) e la risposta al pulsante di misurazione SB1 (pin 3) sono implementati abilitando i corrispondenti interrupt di programma nel microcontrollore. Sono consentiti anche gli interrupt del timer 1, che forniscono la formazione dell'intervallo di misurazione. L'indicazione luminosa e sonora degli impulsi registrati del contatore Geiger viene eseguita come segue. Nel caso in cui non vi sia la necessità di indicare gli impulsi di ingresso, alle uscite GP1, GP2 (pin 6, 5) gli impulsi di segnalazione con frequenza di circa 4 kHz sono in fase, quindi non si accendono né il LED rosso HL2, né il L'emettitore piezoelettrico HA1 reagisce a loro. Quando si preme il pulsante di indicazione forzata SB2, una delle uscite del LED e dell'emettitore piezo è collegata a un filo comune e l'indicazione è forzata ad accendersi. È importante notare che il resistore R9 in questo caso impedisce il guasto dell'uscita GP1 del microcontrollore, quindi non può essere escluso (ad esempio, per aumentare il volume del suono). Quando viene superata la prima soglia del livello di radiazione radioattiva, gli impulsi di indicazione alle uscite GP1, GP2 sono sfasati, l'indicazione si accende automaticamente. Nel ciclo di misurazione successivo, l'indicazione rimarrà accesa e ciò continuerà fino a quando il livello misurato sarà al di sotto della prima soglia. Se la seconda soglia viene superata, viene visualizzato un segnale di allarme, che è un lampeggio di tre volte del LED HL2 con una durata di 0,25 s, accompagnato da un segnale acustico a due frequenze (circa 4 kHz). Successivamente, riprende la misurazione del livello di radiazione. Una breve pressione (non più di 0,25 s) del pulsante SB1 avvia la modalità di indicazione del livello misurato di radiazione radioattiva in microroentgens all'ora facendo lampeggiare il LED HL1 (blu nella versione dell'autore). Dapprima vengono visualizzate le decine con secondi impulsi luminosi e poi, con impulsi di un quarto di secondo, le unità di misura ottenute. Per evitare confusione in caso di unità zero (ad es. 10 o 20 µR/h), i valori zero delle unità vengono visualizzati in un breve impulso. Quando il pulsante SB1 viene premuto per più di un quarto di secondo, il dispositivo passa alla modalità di visualizzazione dei restanti giorni previsti di funzionamento a batteria. Dapprima il LED HL2 (rosso) lampeggia brevemente segnalando il passaggio alla modalità di indicazione del controllo della batteria, dopo una pausa lo stesso LED indica lo stato della batteria. Al termine della durata prevista della batteria, in questa modalità verrà visualizzato il numero di giorni "riciclati", l'elaborazione verrà segnalata da un breve lampeggio del LED blu HL1. Le decine e le unità vengono visualizzate in modo simile alla modalità di visualizzazione precedente. Il pulsante SB3 consente di controllare lo stato corrente della batteria. Per fare ciò, i resistori R13, R14 sono selezionati in modo tale che a una tensione operativa nominale (3,3 V) si accenda il LED verde HL3 ea una tensione di circa 3 V (livello di batteria scarica) no. Il transistor VT1 porta l'ampiezza degli impulsi del contatore Geiger al livello richiesto per il funzionamento del microcontrollore. Il transistor VT3, l'induttore L2 e un moltiplicatore di diodi sui diodi VD1, VD2, VD5-VD9 e i condensatori C2-C4, C6, C7, C9, C10 forniscono la tensione di alimentazione necessaria al contatore Geiger. L'uso del transistor VT2 è causato dalla necessità di inizializzare il microcontrollore. Il microcontrollore PIC12F683 ha sei opzioni per l'installazione iniziale, tuttavia, o l'autore si è imbattuto in un'istanza del genere o è stato commesso un errore nel programma, ma quando la modalità di interruzione è stata inizializzata, il microcontrollore "ha rifiutato" di funzionare senza un "reset "quando è acceso. Poiché le dimensioni della scheda lo consentivano, si decise di lasciare il transistor VT2. Il dispositivo è assemblato su una scheda universale di dimensioni 100x15 mm con un ritaglio per la batteria (Fig. 3), i collegamenti necessari sono realizzati con un filo di montaggio.
L'uscita ad alta tensione del contatore Geiger si trova all'interno della custodia, l'uscita a bassa tensione è chiusa dall'esterno con un cappuccio decorativo (Fig. 4). La scheda di ricarica della batteria USB e l'emettitore piezo si trovano sotto la scheda principale. Per controllare la ricarica della batteria, vengono praticati due fori con un diametro di 1 mm nella parte inferiore della custodia utilizzando gli indicatori della scheda di ricarica. Il microcontrollore viene installato sulla scheda tramite un pannello standard, che ne consente la riprogrammazione in caso di necessità. Il contatore Geiger è installato in portafusibili saldati nella scheda, in assenza di ciò, i portafusibili possono essere realizzati con fili di rame rigidi. Saldare i cavi del misuratore può danneggiarlo. Una vista del dispositivo con il coperchio rimosso è mostrata in Fig. 5.
Non ci sono requisiti speciali per le parti utilizzate, tranne che il transistor VT3 deve essere ad alta tensione (per KSP42, la tensione massima consentita collettore-emettitore è 300 V), la tensione nominale del condensatore C1 deve essere di almeno 40 V (con una tensione di alimentazione del contatore Geiger di 400 V) . Va notato che nonostante la simmetria del corpo del misuratore SBM-20, ha una polarità e deve essere installato in conformità con essa. In conclusione, vorrei attirare l'attenzione su quanto segue. Nonostante la piena prestazione funzionale del dispositivo proposto (il test è stato effettuato utilizzando una sorgente di radiazioni radioattive da un dispositivo industriale DP-5A), può essere migliorato, vale a dire: - escludere il transistor VT2 con elementi aggiuntivi; - eliminare il transistor VT1 con elementi aggiuntivi, sostituendolo con un partitore resistivo convenzionale con protezione di tensione a diodi dell'ingresso del microcontrollore, modificando programmaticamente la polarità degli impulsi di ingresso; - se il dispositivo non è previsto per funzionare 1 ore su XNUMX, programmare la registrazione automatica dell'attuale tempo di funzionamento della batteria nella memoria non volatile del microcontrollore in modo che i dati corretti vengano visualizzati alla successiva accensione. In questo caso è inoltre necessario programmare una modalità aggiuntiva per il pulsante SBXNUMX per poter eseguire l'impostazione iniziale dopo aver caricato la batteria ed è anche possibile l'inizializzazione iniziale automatica basata sui segnali provenienti dalla scheda di ricarica. Nella variante proposta, ogni accensione comporta l'azzeramento del contamanovre da batteria; - generare una tensione per il contatore Geiger utilizzando un'unità micropower separata, in questo caso viene rilasciata un'uscita del microcontrollore, che può essere utilizzata, ad esempio, per il comparatore analogico integrato. Ciò consentirà un controllo più preciso della tensione della batteria. Ma soprattutto, in questo caso, il microcontrollore può essere messo in modalità "Sleep" con un'interruzione sugli impulsi del contatore Geiger e del timer. La corrente consumata dal microcontrollore in questa modalità non supera i 100 μA; - utilizzando un contatore Geiger più piccolo, ad esempio SBM-21, per creare un portachiavi basato su questo dispositivo, che controllerà la sicurezza dalle radiazioni per un anno o più senza ricaricare; - utilizzando un microcontrollore con un numero elevato di uscite, implementare l'uscita del livello di radiazione radioattiva su un indicatore digitale, ma poi sarà un dispositivo diverso. Il programma e il firmware del microcontrollore possono essere scaricati da ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/ind_rad.zip. Letteratura
Autore: S. Makaretz
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