Дозиметр "Нанит"

Автор: MadOrc
Опубликовано 27.02.2014
Создано при помощи КотоРед.

Решил повозиться с мелкогабаритными датчиками, и довести до ума систему обратной связи в накачке высокого напряжения для датчика, ну и заодно сделать интересный проект.
Выражаю Shodan искреннюю благодарность за полезные идеи по коду и схемотехнике. Он, кстати, готовит аналогичный проект на миниатюрных датчиках и STM32.

Основные функциональные возможности:

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

* Работа в "Дежурном режиме", когда мониторится фон и полученная доза, в случае превышения установленного порога - включается тревожная сигнализация.

* Часы.

* График импульсов от датчика на основном экране, что полезно для поиска "фонящего" объекта.

* Сбрасываемая накопленная доза, с момента включения, либо сброса, с указанием количества дней накопления.

* Поддерживает датчики СБМ-10, СБМ-20, СБМ-21.

* Версия с аккумулятором заряжается от USB, плата сделана под разъём micro-usb.

* Версия с батарейками работает от любых батарей дающих 3 вольта, в приведенной схеме и плате использованы LR44, хотя это и не принципиально.

* Микропотребление - очень большая автономность прибора на одной зарядке, потребляемый в дежурном режиме (в котором дозиметр находится более 90% времени работы) ток составляет 5-10мкА с пиками подкачики 30-60 мкА. Кроме того время работы зависит от уровня фона и использования активного режима, когда дисплей кушает примерно 1mA, подсветка ещё 7-10mA (зависит от используемых дляподсветки светодиодов и резистора на них).

К недостаткам следует отнести бОльшую погрешность и бОльшее время счёта, а это означает и более медленную реакцию на изменение уровня фона датчиков СБМ-10/СБМ-21 по сравнению с СБМ-20 на низких уровнях фона. Для получения большей точности можно собрать эту схему и на СБМ-20, соответствующая прошивка имеется, но это плохо отразится на габаритах устройства.

В зависимости от выбранных в меню параметров дозиметр через некоторое время гасит подсветку и уходит в сон/дежурный режим, отключается дисплей, подсветка и звук, но идут часы и ведётся мониторинг фона. Из дежурного режима его можно вывести нажатием на кнопку [1].
В случае если выставлен порог тревоги по превышению фона, и текущий фон выше этого уровня - дозиметр включит дисплей и звуковой сигнал тревоги. Тревога отменяется нажатием на любую клавишу, однако по прошествии 5 минут, если фон по-прежнему превышает установленное пороговое значение - срабатывает снова.
Предусмотрена так же выдача информационных сообщений в случае, если не зарегистрировано ни одного импульса от датчика в течение 10 минут, что скорее всего свидетельствует о неисправности датчика или схемы питания/регистрации импульсов и сообщения о низком уровне заряда аккумулятора/батарей. Однако для этого в целях экономии питания дозиметр не выходит из дежурного режима и не использует звуковых сигналов, просто нажав кнопку [1], чтобы посмотреть показания пользователь в первую очередь увидит на экране сообщение.

Главный экран:

1. текущий фон. Если показания мигают - значит замер ещё не окончен, данные предварительные. Когда мигать перестаёт - фон измерен, и ежесекундно уточняется.
2. интервал измерения в секундах, в зависимости от уровня фона автоматически меняется. Чем выше фон - тем меньше времени на замер. Проценты соответственно показывают насколько полно произведено измерение в текущем интервале времени.
3. График поступающих с датчика импульсов. По нему удобно искать "фонящий" предмет и смотреть динамику изменения фона. В случае использования датчика СБМ-20 1 линия на гистограмме соответствует 1 секунде, СБМ-10 - 2м секундам, СБМ-21 - 3м секундам. Это сделано с целью повышения информативности графика, поскольку, если СБМ-20 минимально считает 34-36 секунд, то СБМ-10 для получения той же статистики необходимо уже 6,5 в раз больше времени, а СБМ-21 уже в 10,4 раз больше.
4. в этой строке отображается один из трех видов информации:
- Накопленная доза за указанное в строке количество дней
- Накопленная доза за текущие сутки
- максимальный зарегистрированный фон за текущие сутки
Переключается нажатием на кнопку [1].
5. Часы и заряд аккумулятора/батареек в процентах.

Меню:

При нажатии на кнопку [2] - перейдём в "Меню". Тут, думаю, всё понятно, замечу лишь, что переход по пунктам сверху вниз здесь осуществляется кнопкой [2], а выбор пункта или изменение значения - кнопкой [1].
После использования пункта "Выключение" дозиметр включается нажатием кнопки [1].
При нажатии кнопки [1] на пункте "Настройки>>>" попадаем на следующий экран.

Настройки:

"Уровень накачки" показывает среднее количество импульсов на ОХ-преобразователь выбираемое обратной связью в зависимости от заряженности конденсаторов умножителя, то есть расхода их заряда датчиком. Нужно только для первичной настройки ширины положительного импульса под ваш трансформатор в пункте "накачка". При рекомендованных в схеме параметрах настройка обычно не требуется.
"Часы" - именно часы, здесь выставляем точное время.
"Без инверсии"/ "Инверсно" - режим работы дисплея. Как кому нравится. Отмечу, что в режиме без инверсии всё прекрасно видно без использования подсветки, что позволяет еще больше увеличить время работы на одной зарядке/комплекте батарей.
"Контраст" дисплея, по умолчанию выставлен средний, можно сделать еще больше или меньше.
"ИОН" - Источник Опорного Напряжения в ATmega88 - по умолчанию 1.1в, то есть 110, если у вас напряжение батареи/аккумулятора МК измеряет не точно, здесь это можно подкорректировать. Впрочем в той партии МК, на которых собирал я коррекция не требовалась, но мало ли.

Устройство:

Схема варианта дозиметр с питанием от батарей:

Схема варианта дозиметр с питанием от аккумулятора:

Проект сделан на ATmega88PA работает на частоте 8мГц от внутреннего генератора. Часы тактируются от стандартного часового кварца.
Звук выводится пьезодинамиком, он как раз обеспечивает минимальные габариты/потребление при вполне достойной громкости.
Зарядка аккумулятора производится через контроллер LTC4054.
Аккумулятор обязательно должен быть снабжён платой защиты, чтобы не допустить критического переразряда, в программе не предусмотрено принудительное выключение дозиметра при разряде - в МК практически уже нет места в памяти, да и плата защиты справится с этой задачей значительно лучше.
При батарейном питании - батарейки просто используются полностью, "до суха", что тоже считаю полезным.

Дисплей использован для Nokia 2660/2760 малый, он же внешний, 24 на 24мм. Обращаю внимание, что в этой конструкции не использовано повышаек для питания заводской подсветки 6в. (кушают лишний ток, добавляют лишние детали), поэтому нужен именно такой дисплей как на фото, он идеально подходит для трансплантации светодиодов подсветки.

Острым канцелярским ножом по периметру окошек, их прекрасно видно, вырезаем светодиоды. Задеть что-либо ещё и попортить дисплей тут нереально, он словно создан для такой операции.

Сделали. Далее решаем, устроит ли нас ядовито-синий цвет, если да, то их же и припаиваем на плату(не путаем анод/катод), если хочется чего-то другого - ставим любые другие светодиоды в таком же корпусе(их можно как купить, так и сдуть с плат старых соток).

Наилучший результат, кроме штатных синих, дали белые, а вот зелёный и желтый блекловаты на мой вкус.
Позже, на финальном этапе сборки сможем приклеить дисплей на плату и получить желаемую подсветку того же качества, что и в оригинале, но теперь достаточно даже 2,5 вольт, сплошная выгода налицо.
Дисплей работает с МК по аппаратному SPI.

Здесь применено анодное считывание импульсов с датчика, при таком плотном размещении деталей на плате оно дает большую помехозащищённость и стабильность работы.

Принцип работы обратной связи получился простым и надёжным - стабилитрон D8 ограничивает амплитуду импульсов на трансформаторе, делая в конечном итоге невозможным превышение выше 400-410в напряжения на датчике, при этом каждый его пробой формирует импульс для МК, сигнализирующий о достаточности питания и необходимости прекращения генерации импульсов для обратноходового преобразователя. Таким образом МК дает ровно столько импульсов накачки, сколько нужно для поддержания рабочего напряжения на датчике, и ни импульсом больше.

В зависимости от параметров повышающего трансформатора нужно лишь подобрать необходимое количество энергии "вливаемой" в магнитопровод, то есть ширины импульса для получения на выходе нужной амплитуды импульса, это и делается в настройках, регулировкой параметра "накачка".
Перепробовал много магнитопроводов и вариантов, эффект зависимости амплитуды от "заряженности" умножителя наиболее выражен на магнитопроводах 1000 и меньше, на 2000 - малозаметен (колебание амплитуды менее вольта).

В этой конструкции примерено кольцо 600НН, размерами 8x3x2. При намотке обязательно соблюдать фазировку обмоток и использовать рекомендуемые диаметры проводов.

Сначала обработаем кольцо: при помощи наждачки и шарошек сглаживаем все острые края, покрываем на 2-3слоя с промежуточной сушкой лаком Plastik-70 или Plastik-71.

На фото - слева кольцо обработано и покрыто лаком, справа - ещё нет.

Мотаем вторичную обмотку. 170 витков проводом 0,1. Не забываем где начало где конец обмотки.

Ппропитываем тем же лаком и сушим.

Теперь первичная обмотка. 16 витков проводом 0,3. Соблюдаем направление намотки. Снова всё пропитываем лаком и сушим.

Зачищаем, лудим концы. Соединяем конец первичной обмотки с началом вторичной.

Монтируем на уже подготовленную плату. Можно потом прихватить к плате капелькой клея или двухсторонним скотчем. Готово.

Отдельно отмечу сборку платы. Чистота в данном случае не только залог здоровья, но обязательное условие низкого потребления. Грязная плата работать, конечно, будет, но системе накачки придется формировать избыточное количество импульсов, а это значительно увеличит ток, потребляемый устройством.
Сначала паяем всё, кроме трансформатора, кнопок и датчика. Паятть рекомендую со спиртоканифолью, или канифолью, даже если оно где и не вымоется до конца, не натворит таких дел, как более навороченные флюсы. Проверяем и прошиваем. Подключаем дисплей, убеждаемся, что всё работает(кроме счёта, понятно).
Теперь отключаем и убираем дисплей, а плату отправляем купаться в изопропиловом спирте, можно в виброванне, можно в УЗ-ванне, они снизят необходимое время отмывки. В виброванне, где-то часа на 2-3.
Достаем, и тщательно всё "продуваем" средством FLUX-OFF, уделяя внимание местам между деталями и текстолитом, особенно касается умножителя.
После этого включаем фен паяльной станции на 100 цельсия и максимальный поток воздуха и высушиваем до лёгкого нагрева платы. Не давая остыть покрываем лаком PLASTIK-71(или PLASTIK-70 - то же самое, но в аэрозольном варианте) схему от умножителя до датчика и от датчика до МК. Внимательно следим, чтобы не залить разъёмы дисплея, micro-usb, места под батарейки.

То, что не дали остыть, гарантирует отсутствие конденсата под деталями и исключит влияние влажности воздуха в помещении на покрытие. Сушим под лампой накаливания 100ватт с расстояния 15-20см (при этом температура платы градусов 30) часа 4-5, или без подогрева сутки.

После этого можно припаивать трансформатор, кнопки, датчик и приклеивать дисплей, и размещать в корпусе.

Дозиметр делался под корпус Sanhe 20-23-2, самый маленький, который смог найти из серийных "корпусов для РЭА". Доработка заключается только в выпиливании окошек под дисплей, датчик, кнопки, ну и на заднюю стенку крепим пьезодинамик. В случае с боковыми кнопками толкатели изготовлены из резиновых кнопок от пульта музыкального центра.

В принципе не вижу проблемы вместить всё и в подходящий корпус наручных часов, вроде того, который сейчас самсунг производит, платы сделаны не особенно кучно по-месту, вопрос желания и фантазии.
Под вариант с СБМ-20 плата не делалась, если захотите - сделаете сами, вопрос только в подходящем корпусе, датчик там займёт большую часть места.

Небольшое видео работы:

Успешной сборки, вопросы - в форум.

Файлы:
Прошивка для датчика СБМ-10
Прошивка для датчика СБМ-20
Прошивка для датчика СБМ-21
Платы в SL6Rus

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Дозиметр Ультра-Микрон

Дозиметр «Rad-Boy»

Цифровой дозиметр "Гамма_3".

Поисковый зонд для обнаружения гамма-активных изотопов

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»