Дозиметр «Rad-Boy»

Автор: MadOrc, madorc@gmx.com
Опубликовано 16.07.2013
Создано при помощи КотоРед.

Собирая и модифицируя представленные на сайте конструкции дозиметров, постепенно набрал для себя список «хочу, но сюда не влезет». И взялся за свой проект. Не знаю, лучше он или хуже других, не мне судить, но мне нравится.

Хочу высказать благодарности Shodan(за идею экономичного питания датчика на полевике и работы дозиметра в режиме сна МК), Aheir (за идею контроля питания датчика по амплитуде выходящего импульса), ELcat(за разъяснения по вч трансформаторам), Валерию Гончаренко (за лучшую, на мой взгляд, основу библиотеки под LCD Nokia 6100).

Основные функциональные возможности:

* Измерение радиационного фона в реальном времени, с ежесекундным уточнением, и автоматическим выбором расчетного интервала в контексте измеряемого фона.

* Часы с отображением времени, даты и дня недели.

* Индикатор опасности текущего фона на основном экране согласно норм радиационной безопасности 99/09.

* Графики на основном экране:

+ Поисковые - график регистрации частиц датчиком в виде гистограммы или кривой.

+ Статистические - краткая сводка по накопленной дозе, гистограммы среднего фона за последние от текущего момента 5 часов или 5 минут.

* Настраиваемая пороговая сигнализация по уровню фона (звук и вибрация).

* Точный замер уровня фона в точке (5/10/20/30 минут). При исполнении прибора в корпусе, оснащённом съемным металлическим экраном-шторкой - возможность замера плотности потока Beta – частиц в точке.

* Ведение расширенного журнала накопленной дозы:

+ Общая накопленная доза, с момента включения, либо сброса, с указанием количества дней накопления и наибольший зарегистрированный уровень фона за это время.

+ Накопленные дозы раздельно посуточно (память 30 суток).

+ Накопленные дозы раздельно по часам (последние, от текущего момента, 24 часа).

* Поддерживает 1 или 2 датчика СБМ-20 (два дадут ту же точность за вдвое меньший временной интервал измерения).

* Заряжается от USB.

* Микропотребление - автономность прибора на одной зарядке более 1,5 месяца, в зависимости от уровня фона и использования.

* Измерения производятся только в Рентгенах, поскольку СБМ-20 сертифицирован именно в Рентгенах. Кроме того, мне не известно ни одного газоразрядного датчика измеряющего в Зивертах, а "Зиверты" полученные делением Рентгенов на 100, ничем кроме профанации, назвать не могу.

Важное замечание по копирайтам: поскольку в интерфейсе не использована ни символика, ни иные зарегистрированные знаки, любые ассоциации с миром «Fallout» являются случайными и непреднамеренными. И… не кормите яо-гаев!(ц) :)

В дозиметре использован датчик СБМ-20, ничего другого за разумные деньги достать не удалось, да и не так уж они и плох для бытовых целей, как то померить фон, продукты или еще чего. Кроме того его найти проще других.

Прибор сделан на базе МК ATmega 128, питается от литиевого аккумулятора.

Дозиметр всегда находится в 1 из 3х режимов:

-Активный - включен экран, звук и/или вибра - потребление максимальное, пользователь видит на экране показания.

-Спящий(дежурный) - экран, звук, вибра - выключены, но идут часы, идет контроль фона и накопление показаний дозы, если установлен порог тревоги - прибор перейдет в активный режим и будет сигнализировать.

-Выключенный - не работает ничего, ток потребления практически отсутствует.

По потреблению, хочу отдельно выразить благодарность форумчанам за критику, советы, и даже поиск ошибок в прошивке, благодаря чему дозиметр потребляет теперь в зависимости от режима:

-Включено всё(LCD, подсветка максимум, звук и вибра) 20-22mA.

-Яркость подсветки снижена 14-15mA.

-Дежурный режим, а предполагается, что именно в нем дозиметр будет 90% времени (работает МК в режиме сна, просыпаясь по импульсам и секундам часового таймера, производит накачку и замер по ОС) 0,015-0,035 мА, с редкими пиками дежурной подкачки 0,2-0,5 мА

-Ну и включенный фонарик будет добавлять к потреблению ток используемых светодиодов.

Переход в сон возможен либо выбором соответствующего пункта в меню "Питание", либо по времени исходя из установок авто-сна.
Выключение производится выбором соответствующего пункта в меню "Питание".
Выход из сна или включение происходит при нажатии кнопки 1 (первой слева).

Схему старался сделать максимально простой для повторения, многие детали без проблем заменяются на ближайшие аналоги.

Обращаю внимание на некоторые ньюснсы по схеме:

Стабилитрон D11 обеспечивает питание дисплея согласно ДШ — не более 3,3 вольта, однако практика показала что дисплей (по крайтей мере те экземпляры которые попадали мне в лапы) нормально себя чувствует и при 4,2 вольта. Если D11 не ставить — при полной зарядке аккумулятора на дисплее будет 3,7 вольт максимум. Если ставить - 3,3в, но потребление при включенном дисплее станет выше на 1мА. Ставить-не ставить решайте для себя сами.

Второй датчик СБМ-20 можно подключить паралельно первому, по току и нагрузочным резисторам запаса достаточно. Это даст подсчет уровня радиации за меньший интервал времени, что полезно для поискового прибора, бОльшую точность на «Точном замере», однако увеличит потребление, и соответственно, сократит время работы на одной зарядке аккумулятора. К статье прилагаются прошивки как под вариант с одним датчиком, так и с двумя.

По функциональным узлам дозиметра:

Экран используется от Nokia 6100 (6610,2600,7200,7250,3100). Выбран из соображений конечных габаритов прибора, и скромного, для цветных экранов, потребления. Их существует 3 типа. На чипе Epson, на Philips. Кроме того мне попадали в лапы по виду Epson, по ДШ – Philips, а по факту не совместимы ни с той ни с другой системой команд. В этой конструкции нужен именно Philips, контроллер PCF8833.

Для простоты восприятия сфотографировал те, что есть у меня.

Эти НЕ подойдут:

Эти то, что надо:

По опыту сборки, как мной, так и другими людьми, замечена особенность - несмотря на "разнобойную" маркировку дисплеев, у дисплеев с контроллером Philips сзади краской нанесена зелёная или синяя точка, такие работают без проблем. Маркированные красной точкой - с контроллером Epson в этой конструкции работать не будут.

Подробнее по отличиям дисплеев можно глянуть https://www.electricstuff.co.uk/noklcd.html

Кроме того, встречаются Philips-ы, во всём хороши, но картинка инверсная – тут ничего страшного, под такой меняется в прошивке одна из команд в инициализации, и всё чудесно работает, прошивка под вариант с инверсией прилагается.

Дисплей подключал разъёмом, припаянным на печатку. Разъемы сдул со старых мёртвых плат телефонов, их можно насобирать по ремонтным мастерским, всё равно их там выбрасывают.

Кстати покупать у ремонтников дисплеи – только с проверкой, так и норовят продать нерабочие, уже наступал на эти грабли, в конце концов просто заказал в Китае, там они от 1.5 до 3$ за штуку новые.

Подсветка дисплея требует около 6 вольт. В схеме это напряжение обеспечивает умножитель, подключенный к выводу МК с аппаратным ШИМ для регулировки яркости.

А RomenRZN успешно адаптировал немного другой дисплей на чипе Philips - "Дисплей Nokia 2650/ 2600/ 3200/ 5100/ 5410/ 6220/ 6610i/ 7210/ 7250i", его отличие - подсветка у них 2,6-4вольта вместо 5,5-8,5 а питание дисплея от 2,1в до 2,7в. Вот необходимые изменения в схеме для работы с таким дисплеем:

Звук.

Для вывода звука использована пищалка от компьютера, через конденсатор подключенная к выводу МК. Рекомендую брать пищалки с напряжением работы до 3 вольт - они значительно громче. МК проигрывает массивы PCM Wave из памяти, но поскольку усилитель в схеме не предусмотрен, звуковые сэмплы подобраны под резонансную частоту пищалки.

Коммутация фонарика и вибромотора сделана стандартно, на полевиках. Подтяжки на «-» на затворах не дают им реагировать на статику или радиопомехи от работающей рядом сотки.

Датчик.

Цепь питания датчика реализована на полевике, который получает разное количество импульсов от МК в зависимости от текущего напряжения на датчике. Трансформатор намотан на ферритовой гантельке со внешним диаметром 9мм и длиной 12мм. Первичная обмотка 8 витков проводом 0.5мм, вторичная 406 витков проводом 0.1мм . Наматывается сначала вторичка, с пропиткой лаком и сушкой через каждые 50 витков, затем изолируется термоусадочной трубкой подходящего диаметра, и поверх нее наматывается вторичка.

Напряжение на выходе такого трансформатора при непрерывной накачке может достигать 200 вольт, однако под контролем МК поддерживается примерно 135в. Умножитель повышает напряжение до требуемых 400вольт.

Импульсы с датчика снимаются схемой «на 1 транзисторе», и кроме того через стабилитроны срабатывает/либо нет цепь подтверждения достаточности питающего напряжения датчика. В зависимости от этого, в контексте импульса МК решает в каком режиме производить накачку повышающего трансформатора. У СБМ-20 документирована амплитуда исходящего импульса не менее 50 вольт при достаточном питающем напряжении. Эта система успешно корректирует накачку при изменении питания от 4,2в до 3в при разрядке аккумулятора, а так же при резких изменениях измеряемого фона. Подробнее можно почитать у товарища Aheir в его дозиметре GreenRay, откуда и взял эту замечательную идею, преимущества обратной связи, не просаживающей слаботочное питание датчика и как следствие не повышающей потребляемый устройством ток самоочевидны.

В программе дозиметра встроена тревога при отсутствии импульсов продолжительное время и тревога на недостаточное питание датчика, при недостаточной амплитуде импульсов.

Теперь по программной начинке:

Прошивка написана на Си WinAvr в среде Atmel Studio 6. МК тактируется внутренним генератором 8мГц. Для связи с дисплеем используется аппаратный SPI МК.

Часы реализованы на стандартном часовом кварце.

Яркость подсветки регулируется аппаратным ШИМ, еще 2 таймера используются под синтез звука из массивов данных в формате PCM Wave 8 bit Mono 8kHz, и тактирование времени включения вибромотора.

Данные доз и переменные настроек хранятся в eeprom МК. Чтобы максимально продлить ресурс, все они за, редким исключением некоторых настроек, обновляются раз в сутки. На случай если дозиметр долгое время был выключен и данные уже неактуальны, есть возможность обнулить их через соответствующее меню.

Поскольку запитан контроллер напрямую от аккумулятора, для замера напряжения не используется делитель, измерение происходит по схеме «измеряем ИОН, с опорой на AVCC». Чуть ниже написано про подстройку прошивки к конкретному ИОН вашего МК.

При падении напряжения ниже 3.6 вольт включается сигнал и выдаётся сообщение о необходимости зарядки. При напряжении ниже 2.9 вольт прибор отключается, чтобы не допустить переразряда литиевого аккумулятора.

Кроме того, начиная с версии прошивки 2.0 дозиметр способен производить измерения плотности потока Бета-частиц с использованием съёмного защитного экрана на датчике. Измерение из меню «Точный замер» происходит в два этапа — с установленным, а затем со снятым экраном по алгоритму, аналогичному использованному в серийных дозиметрах "Припять".

После прошивки и успешного запуска необходимо установить в “Service menu” два параметра:

*Площадь открытой для бета-излучения поверности датчика(-ов) в квадратных миллиметрах.

*Коэффициент подстройки под внутренний ИОН МК. (добавлено в связи с тем, что производители в последнее время вообще не соблюдают ТУ, и даже в пределах одной партии Atmega128 колебания напряжения опорного источника очень велики). Тут всё просто, подстраиваем, пока отображаемое на экране не совпадет с измеренным вольтметром.

 В «Service menu», кроме настройки ИОН, и площади датчика, выставляются параметры накачки, для использования другого типа повышающего трансформатора и выдается диагностика с обратной связи, на корректно собранном приборе эти параметры менять не нужно.

По функционалу.
Управление старался сделать максимально удобным и интуитивно понятным.

Нет никаких «длинных нажатий» и хитрых комбинаций. Прерывания на кнопках принципиально не используются, кроме случаев, когда это нужно для выхода из сна или Power-Down, однако сразу после выхода они становятся просто кнопками.

Основной экран выглядит так:

По «Маркеру погрешности». Измерение фона производится методом подсчёта импульсов в некий временной интервал. Чем этот интервал больше, тем статистически точнее будут результаты. Однако чем больше импульсов, тем меньший интервал требуется для той же точности. Кроме того чем фон выше, тем важнее оперативные данные по нему. Поэтому интервал расчета меняется в контексте фона. При ЕРФ до 120 мкр/ч прибор считает 72 секунды, выше 120 мкр/ч – 36 секунд, и так далее. При использовании двух датчиков, все временные интервалы соответственно вдвое меньше.

Маркер показывает насколько полно произведен подсчет импульсов в текущем интервале:

- Красный – данным не стОит доверять, расчет идет меньше половины необходимого времени.

- Жёлтый-можно считать показания «предварительными данными».

- Зеленый – цифрам можно верить, подсчёт произведен в заданном интервале времени и ежесекундно уточняется.

В области графика будет отображаться один из 5 вариантов (выбирается в Настройках):

- статистика текстом,

- импульсы в виде гистограммы,

- импульсы в виде кривой,

- фон в предыдущие 5 минут в виде гистограмм с подписями, при этом цвет столбцов показывает опасность/безопасность фона согласно НРБ 99/09, цвет подписей – жёлтым микрорентгены в час, красным – миллирентгены в час.

- фон в предыдущие 5 часов в виде гистограмм с подписями, те же правила по цветам, что и в предыдущем пункте.

Структура меню выглядит так:

Думаю, тут тоже всё понятно, в процессе использования разобраться проще, чем в сотовом.

По сборке:

Платы сделаны ЛУТ-ом.

Дозиметр сделан на двух платах – на основной вся электроника и управление, на дополнительной – датчик, преобразователь напряжения и аккумулятор. Платы надежно соединяются разъёмами.

Это позволило минимизировать помехи и реакцию на статику, сотовые рядом и так далее.

Очень рекомендую после сборки и проверки всё промыть изопропиловым спиртом и аккуратно покрыть лаком Plastik, не заливая разъёмы и кнопки. На плате без лака были прецеденты отказа накачки и ресетов из-за отсыревания в кармане от пота в очень жаркую погоду при полевых испытаниях.

Корпус Gainta G434 с соответствующей доработкой. Сетка над датчиком для бета-излучения взята от микроволновки. Сразу под сеткой тонкая пленка от сигаретных пачек, использую ее давно и успешно, бету пропускает свободно, а пыль и грязь – нет. Прорезь можно и не делать, тогда будет считать только гамму. Однако можно сделать вместо сетки и съёмную шторку/экран отсекающий Beta-частицы, в этом случае будет возможно использовать функцию измерения плотности потока Бета-частиц.

Для упрощения сборки, тем кому размеры не важны, сделана и проверена односторонняя плата под корпус от китайского мультиметра. В готовом виде дозиметр будет выглядеть примерно так (лицевая панель прилагается к статье):

Внутри корпуса такая плата (кстати аккумулятор сюда влезет уже со значительно бОльшей ёмкостью):

Корпусовка была сделана еще без учёта возможности использования шторки-экрана для измерения беты, возможно вы найдёте другое решение.

Успешной сборки, и низкого фона!

Файлы:
Платы в SL5 v3.0
Прошивка 3,0
Вариант лицевой панели

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Дозиметр Ультра-Микрон

Цифровой дозиметр "Гамма_3".

Поисковый зонд для обнаружения гамма-активных изотопов

Дозиметр "Нанит"

Дозиметр Сталкера

Дозиметр Ликвидатора 2

RadAlert - радиационный показометр

Радиометрический дозиметр GreenRay

Дозиметр X-Scan v1.0 или бытовой прибор с намеком на звание профессионального.

Апгрейд дозиметра Гамма до версии 4

Серия дозиметров Микрон

Дозиметр «USB Geiger»