Tự làm bộ đếm Geiger với ESP8266 và màn hình cảm ứng: 4 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

CẬP NHẬT: PHIÊN BẢN MỚI VÀ CẢI TIẾN VỚI WIFI VÀ CÁC TÍNH NĂNG BỔ SUNG KHÁC TẠI ĐÂY

Tôi đã thiết kế và chế tạo Geiger Counter - một thiết bị có thể phát hiện bức xạ ion hóa và cảnh báo người dùng về mức bức xạ xung quanh nguy hiểm bằng tiếng lách cách quá quen thuộc. Nó cũng có thể được sử dụng khi tìm kiếm khoáng chất để xem liệu tảng đá bạn tìm thấy có Quặng Uranium trong đó hay không!

Có rất nhiều bộ dụng cụ và hướng dẫn hiện có trên mạng để tạo Bộ đếm Geiger của riêng bạn, nhưng tôi muốn tạo một bộ công cụ duy nhất - tôi đã thiết kế một màn hình GUI với các điều khiển cảm ứng để thông tin được hiển thị một cách đẹp mắt.

Bước 1: Lý thuyết cơ bản

Nguyên lý hoạt động của Geiger Counter rất đơn giản. Một ống thành mỏng có chứa khí áp suất thấp bên trong (được gọi là Ống Geiger-Muller) được cung cấp năng lượng với một hiệu điện thế cao trên hai điện cực của nó. Điện trường được tạo ra không đủ để gây ra đánh thủng điện môi - vì vậy không có dòng điện nào chạy qua ống. Đó là cho đến khi một hạt hoặc photon của bức xạ ion hóa đi qua nó.

Khi bức xạ beta hoặc gamma đi qua, nó có thể ion hóa một số phân tử khí bên trong, tạo ra các điện tử tự do và các ion dương. Các hạt này bắt đầu chuyển động do sự hiện diện của điện trường, và các electron thực sự nhận đủ tốc độ để chúng ion hóa các phân tử khác, tạo ra một dòng hạt mang điện dẫn điện trong giây lát. Xung dòng điện ngắn này có thể được phát hiện bởi mạch hiển thị trong sơ đồ, sau đó có thể được sử dụng để tạo ra âm thanh nhấp chuột, hoặc trong trường hợp này, được cấp cho bộ vi điều khiển có thể thực hiện các phép tính với nó.

Tôi đang sử dụng ống Geiger SBM-20 vì nó rất dễ tìm thấy trên eBay và khá nhạy cảm với bức xạ beta và gamma.

Bước 2: Các bộ phận và xây dựng

Tôi đã sử dụng bảng NodeMCU dựa trên vi điều khiển ESP8266 làm bộ não cho dự án này. Tôi muốn một thứ gì đó có thể được lập trình như Arduino nhưng đủ nhanh để điều khiển màn hình mà không bị trễ quá nhiều.

Đối với nguồn cung cấp điện áp cao, tôi đã sử dụng bộ chuyển đổi tăng cường HV DC-DC này từ Aliexpress để cung cấp 400V cho ống Geiger. Chỉ cần lưu ý rằng khi kiểm tra điện áp đầu ra, bạn không thể đo trực tiếp bằng đồng hồ vạn năng - trở kháng quá thấp và nó sẽ giảm điện áp nên kết quả đọc sẽ không chính xác. Tạo một bộ chia điện áp có ít nhất 100 MOhms mắc nối tiếp với đồng hồ vạn năng và đo hiệu điện thế đó.

Thiết bị được cung cấp năng lượng bởi pin 18650 cấp vào một bộ chuyển đổi tăng cường khác cung cấp điện áp 4,2V không đổi cho phần còn lại của mạch.

Dưới đây là tất cả các thành phần cần thiết cho mạch:

• Ống SBM-20 GM (nhiều người bán trên eBay)
• Bộ chuyển đổi điện áp cao (AliExpress)
• Bộ chuyển đổi Boost cho 4.2V (AliExpress)
• Bo mạch NodeMCU esp8266 (Amazon)
• Màn hình cảm ứng SPI 2,8 "(Amazon)
• 18650 Li-ion cell (Amazon) HOẶC pin LiPo 3,7 V bất kỳ (500 mAh trở lên)
• Giá đỡ pin 18650 (Amazon) Lưu ý: giá đỡ pin này hóa ra hơi quá lớn so với PCB và tôi phải uốn cong các chân vào bên trong để có thể hàn nó. Tôi khuyên bạn nên sử dụng pin LiPo nhỏ hơn và hàn JST dẫn đến các miếng pin trên PCB để thay thế.

Các thành phần điện tử khác cần thiết (bạn có thể đã có một số trong số này):

• Điện trở (Ohms): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M. Khuyến nghị nhận điện trở 10M để làm bộ chia điện áp cần thiết để đo đầu ra điện áp cao.
• Tụ điện: 220 pF
• Bóng bán dẫn: 2N3904
• LED: 3mm
• Bộ rung: Bất kỳ bộ rung piezo 12-17 mm nào
• Giá đỡ cầu chì 6.5 * 32 (để gắn chặt ống Geiger)
• Chuyển đổi công tắc 12 mm

Vui lòng tham khảo sơ đồ PDF trong GitHub của tôi để xem tất cả các thành phần đi đến đâu. Thường sẽ rẻ hơn nếu đặt hàng các thành phần này từ một nhà phân phối số lượng lớn như DigiKey hoặc LCSC. Bạn sẽ tìm thấy một bảng tính có danh sách đơn hàng của tôi từ LCSC trong trang GitHub chứa hầu hết các thành phần được hiển thị ở trên.

Mặc dù không cần PCB nhưng nó có thể giúp lắp ráp mạch dễ dàng và làm cho nó trông gọn gàng. Các tệp Gerber để sản xuất PCB cũng có thể được tìm thấy trong GitHub của tôi. Tôi đã thực hiện một số bản sửa lỗi đối với thiết kế PCB kể từ khi tôi nhận được thiết kế của mình, vì vậy không cần thiết phải có thêm jumper với thiết kế mới. Tuy nhiên, điều này đã không được thử nghiệm.

Vỏ được in 3D từ PLA và các bộ phận có thể được tìm thấy tại đây. Tôi đã thực hiện các thay đổi đối với các tệp CAD để phản ánh những thay đổi về vị trí khoan trong PCB. Nó sẽ hoạt động, nhưng xin lưu ý rằng điều này chưa được thử nghiệm.

Bước 3: Mã và giao diện người dùng

Tôi đã sử dụng thư viện Adafruit GFX để tạo giao diện người dùng cho màn hình. Có thể tìm thấy mã trong tài khoản GitHub của tôi tại đây.

Trang chủ hiển thị tỷ lệ liều, số đếm mỗi phút và tổng liều tích lũy kể từ khi thiết bị được bật. Người dùng có thể chọn chế độ tích hợp chậm hoặc nhanh để thay đổi khoảng thời gian tổng luân phiên thành 60 giây hoặc 3 giây. Bộ rung và đèn LED có thể được bật hoặc tắt riêng lẻ.

Có một menu cài đặt cơ bản cho phép người dùng thay đổi đơn vị liều, ngưỡng cảnh báo và hệ số hiệu chuẩn liên quan đến CPM với tốc độ liều. Tất cả cài đặt được lưu trong EEPROM để chúng có thể được truy xuất khi thiết bị được đặt lại.

Bước 4: Kiểm tra và kết luận

Bộ đếm Geiger đo tốc độ nhấp từ 15 - 30 lần đếm mỗi phút từ bức xạ phông nền tự nhiên, tương đương với những gì mong đợi từ ống SBM-20. Một mẫu nhỏ của Quặng Uranium được ghi nhận là có tính phóng xạ vừa phải, vào khoảng 400 CPM, nhưng một lớp áo lồng đèn có thể khiến nó nhấp nhanh hơn 5000 CPM khi được giữ chặt vào ống!

Bộ đếm Geiger thu được khoảng 180 mA ở 3.7V, vì vậy pin 2000 mAh sẽ kéo dài khoảng 11 giờ sau mỗi lần sạc.

Tôi dự định hiệu chuẩn ống đúng cách với nguồn Cesium-137 tiêu chuẩn, điều này sẽ giúp kết quả đo liều chính xác hơn. Để có những cải tiến trong tương lai, tôi cũng có thể thêm khả năng WiFi và chức năng ghi dữ liệu vì ESP8266 đã tích hợp sẵn WiFi.

Tôi hy vọng bạn thấy dự án này thú vị! Vui lòng chia sẻ bản dựng của bạn nếu bạn kết thúc việc tạo ra thứ gì đó tương tự!