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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Indicador de nivel de radiación
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / dosímetros Una característica distintiva del indicador propuesto del nivel de radiación radiactiva es que está controlado por el microcontrolador PIC12F683. Al desarrollar el dispositivo, el autor se familiarizó con muchos diseños de radioaficionados industriales y existentes sobre este tema. Por ejemplo, una descripción de uno de ellos fue publicada en la revista "Radio" No. 10 el año pasado. Al crear este dispositivo, el autor pretendía acercar sus capacidades a las necesidades de una persona común. El dispositivo que se ofrece a la atención de los lectores tiene las siguientes características: - LED (por el número de parpadeos) indicación del nivel de radiación radiactiva directamente en μR/h; - indicación forzada de sonido y luz (destellos) de los pulsos registrados de la fuente de radiación (en modo normal, se desactiva para ahorrar energía de la batería y eliminar los molestos efectos psicológicos); - inclusión automática de indicación sonora y luminosa de los pulsos registrados de la fuente de radiación cuando se supera el umbral de 50 μR/h; - activación automática de la alarma cuando se supera el segundo umbral de 75 μR/h; - los valores del primer y segundo umbral, así como los parámetros de la batería utilizada y el tipo específico de contador Geiger necesario para el funcionamiento del dispositivo, se almacenan en la memoria no volátil del microcontrolador (EEPROM) y se puede cambiar fácilmente de acuerdo con los requisitos individuales; - consumo de corriente durante el funcionamiento en condiciones de fondo radiactivo natural - menos de 1 mA (medido realmente - 0,86 mA), tiempo de funcionamiento con una batería de iones de litio usada con una capacidad de 750 mAh - más de 35 días; - Indicación LED de los días restantes de duración de la batería; - el control del estado de la tensión del acumulador; - carga de la batería a través de una conexión USB estándar; - dimensiones máximas (determinadas principalmente por el contador Geiger usado SBM-20) 120x30x25 mm. Así, el dispositivo propuesto tiene una larga duración (más de un mes) de funcionamiento sin recargar la batería, da una alarma en caso de superar el nivel especificado de radiación radiactiva e indica el nivel de radiación directamente en microroentgens por hora. En la fig. 1. El esquema del dispositivo se muestra en la fig. 2.
Antes de describir el funcionamiento del dispositivo, es necesario considerar cómo el nivel de radiación radiactiva está determinado por los pulsos del contador Geiger, en nuestro caso SBM-20. Según datos del fabricante [1], la sensibilidad de este contador a la radiación gamma es de 420 ± 20 pulsos/s a una intensidad de radiación de 4 μR/s, lo que corresponde a 14,4 mR/h. En consecuencia, el nivel de radiación de 1 mR/h corresponderá a 420 ± 20 / 14,4 = 29,17 ± 1,39 imp./s o, lo que es lo mismo, 1750 ± 83 imp./min. Descompongamos 1 mR/h en factores, por ejemplo, 50x20 μR/h, en este caso, a un nivel de radiación de 20 μR/h, el contador Geiger SBM-20 producirá 1750±83/50 = 35±1,7 pulsos /min. Habiendo encontrado el tiempo durante el cual el contador Geiger emitirá 20 pulsos a la tasa calculada de 35 ± 1,7 pulsos / min, obtenemos el intervalo de tiempo durante el cual el número de pulsos del contador Geiger corresponde al nivel de radiación en microroentgens por hora : (60 s / 35 ± 1,7, 20 pulsos) x 34,3 = 32,7 s (teniendo en cuenta la dispersión - de 36 a XNUMX s). Este intervalo de tiempo para contar pulsos está formado por el temporizador 12 integrado en el microcontrolador PIC683F1. Teniendo en cuenta la configuración del software, el período del temporizador 1 es de 0,524288 s, lo que significa que el período de medición requerido consta de 34,3 s / 0,524288 s = 65 ( teniendo en cuenta el redondeo) períodos del temporizador 1. En forma hexadecimal 65 = 0x41, el número 41 se escribe en la celda cero (primero en una fila) de la memoria no volátil del microcontrolador EEPROM, y se puede cambiar fácilmente si otro Se utiliza un tipo de contador Geiger. La siguiente, la primera (segunda en una fila) celda de memoria EEPROM almacena el valor hexadecimal del número planificado de días para que funcione la batería: (750 mAh / 0,9 mA) / 24 horas = 35 (redondeado) = 0x23. La segunda celda de la EEPROM es el valor del primer umbral (enciende la indicación sonora y luminosa de los pulsos del contador Geiger) 50 μR/h = 0x32. La tercera celda de la EEPROM es el segundo umbral (alarma) 75 μR/h = 0x4V. La cuarta celda de la EEPROM es la duración del pulso para generar el voltaje necesario en el contador Geiger; para el SBM-20, el voltaje de operación debe ser de 400 V [1]. La fórmula para calcular la duración del pulso es K x 3 µs + 5 µs, donde K es el valor decimal de la cuarta celda. No tiene sentido calcular la duración del pulso de "bomba", ya que el voltaje dependerá de los parámetros reales del circuito de formación. Este coeficiente debe seleccionarse experimentalmente midiendo el voltaje resultante. Es importante señalar que dado que la fuente de tensión de alimentación del contador Geiger es de baja potencia (no se necesita otra, ya que la corriente máxima del contador no supera los 20 μA [1]), esta tensión debe medirse a través de un alto -divisor de resistencia. Para ello, el autor utilizó un divisor con una resistencia de entrada de gigaohmios, la medición se realizó con un osciloscopio TDS-210. En las celdas quinta, sexta y séptima (sexta-octava en orden, respectivamente) de la EEPROM, se registran los coeficientes que proporcionan el intervalo diario. Esto es necesario para calcular la duración de la batería. El producto de estos tres números debe ser igual al número de períodos de medición por día. La duración del día en segundos 60x60x24 = 86400 s se traduce en el número de intervalos de medición (el valor real es 65 x 0,524288 s = 34,07872 s), obtenemos 86400 s / 34,07872 s = 2535 intervalos enteros. Factorizamos el número 2535 \u13d 13x 15x 13, respectivamente, en las celdas escribimos 0 \u0d 13x0D, 0 \u15d 0x0D, XNUMX \uXNUMXd XNUMXxXNUMXF. Nota IMPORTANTE. Para el normal funcionamiento del programa embebido en el microcontrolador, es necesario que los datos iniciales cumplan la condición 0 < X < 127, ya que esta condición debe cumplirse para algunos comandos utilizados en el programa. Es conveniente usar el sitio calc-x.ru/conversion_number.php para convertir números a diferentes sistemas numéricos. Ahora considere el circuito del dispositivo. El dispositivo funciona con una batería de iones de litio, se usa una placa prefabricada con dimensiones de 20x25 mm fabricada en China para cargarlo; si lo desea, se puede hacer de forma independiente con el microcircuito TP4056. Para alimentar el dispositivo con un voltaje estabilizado de 3,3 V, se utiliza un chip LP2980-3.3. Su característica importante es el funcionamiento a baja corriente de carga y un pequeño consumo de corriente intrínseco (a una corriente de carga de 1 mA, no supera los 170 μA). El nodo para obtener el voltaje de suministro del contador Geiger es totalmente consistente con el circuito de un dispositivo similar [2]. En el pin 7 del microcontrolador (GP0), se genera un pulso corto con una duración determinada por el contenido de la cuarta celda EEPROM. A esto le sigue una pausa de 250 μs, y la ejecución del programa vuelve nuevamente a la formación del pulso. Inicialmente, el autor planeó usar un bloque separado para formar un alto voltaje (hay muchos circuitos de tales bloques), esto liberaría una salida del microcontrolador, pero las pruebas prácticas mostraron que tales nodos consumen una corriente de 1 mA o más. , no se pudo lograr la microcorriente. El conteo de pulsos del contador Geiger (pin 4) y la respuesta al botón de medición SB1 (pin 3) se implementan habilitando las interrupciones de programa correspondientes en el microcontrolador. Las interrupciones del temporizador 1 también están permitidas, proporcionando la formación del intervalo de medición. La indicación luminosa y sonora de los pulsos registrados del contador Geiger se realiza de la siguiente manera. En el caso de que no haya necesidad de indicar los pulsos de entrada, en las salidas GP1, GP2 (pines 6, 5) los pulsos de indicación con una frecuencia de aproximadamente 4 kHz están en fase, por lo tanto, ni el LED rojo HL2 brillan, ni el El emisor piezoeléctrico HA1 reacciona a ellos. Cuando se presiona el botón de indicación forzada SB2, una de las salidas del LED y el emisor piezoeléctrico se conectan a un cable común y la indicación se enciende a la fuerza. Es importante tener en cuenta que la resistencia R9 en este caso evita la falla de la salida GP1 del microcontrolador, por lo que no se puede excluir (por ejemplo, para aumentar el volumen del sonido). Cuando se supera el primer umbral del nivel de radiación radiactiva, los pulsos de indicación en las salidas GP1, GP2 están desfasados, la indicación se enciende automáticamente. En el próximo ciclo de medición, la indicación permanecerá encendida, y esto continúa hasta que el nivel medido esté por debajo del primer umbral. Si se supera el segundo umbral, se muestra una señal de alarma, que es un parpadeo tres veces del LED HL2 con una duración de 0,25 s, acompañado de una señal de sonido de dos frecuencias (alrededor de 4 kHz). Después de eso, se reanuda la medición del nivel de radiación. Una pulsación breve (no más de 0,25 s) del botón SB1 inicia el modo de indicación del nivel medido de radiación radiactiva en microroentgens por hora mediante el parpadeo del LED HL1 (azul en la versión del autor). Primero se muestran las decenas con segundos pulsos de luz, y luego, con pulsos de cuartos de segundo, las unidades de la medida obtenida. Para evitar confusiones en el caso de unidades cero (por ejemplo, 10 o 20 µR/h), los valores cero de las unidades se muestran en un pulso corto. Cuando se presiona el botón SB1 durante más de un cuarto de segundo, el dispositivo cambia al modo de visualización de los días restantes previstos de funcionamiento de la batería. Primero, el LED HL2 (rojo) parpadea brevemente, señalando la transición al modo de indicación de control de batería, después de una pausa, el mismo LED indica el estado de la batería. Una vez finalizada la duración prevista de la batería, en este modo se mostrará el número de días "reciclados", el procesamiento se indicará con un parpadeo breve del LED azul HL1. Las decenas y las unidades se muestran de forma similar al modo de visualización anterior. El botón SB3 le permite controlar el estado actual de la batería. Para ello, se seleccionan las resistencias R13, R14 de manera que a una tensión nominal de funcionamiento (3,3 V) se encienda el LED verde HL3, ya una tensión de unos 3 V (nivel de batería descargada) no. El transistor VT1 lleva la amplitud de los pulsos del contador Geiger al nivel requerido para la operación del microcontrolador. El transistor VT3, el inductor L2 y un multiplicador de diodos en los diodos VD1, VD2, VD5-VD9 y los condensadores C2-C4, C6, C7, C9, C10 proporcionan la tensión de alimentación necesaria al contador Geiger. El uso del transistor VT2 se debe a la necesidad de una inicialización inicial del microcontrolador. El microcontrolador PIC12F683 tiene seis opciones para la instalación inicial, sin embargo, el autor se encontró con una instancia de este tipo o se cometió un error en el programa, pero cuando se inicializó el modo de interrupción, el microcontrolador "se negó" a funcionar sin un "reinicio". "cuando está encendido. Dado que las dimensiones de la placa lo permitían, se decidió dejar el transistor VT2. El dispositivo se ensambla en una placa universal de 100x15 mm de tamaño con un recorte para la batería (Fig. 3), las conexiones necesarias se realizan con un cable de montaje.
La salida de alto voltaje del contador Geiger se encuentra dentro de la caja, la salida de bajo voltaje está cerrada desde el exterior con una tapa decorativa (Fig. 4). La placa de carga de la batería USB y el emisor piezoeléctrico se encuentran debajo de la placa principal. Para controlar la carga de la batería, se perforan dos orificios con un diámetro de 1 mm en la parte inferior de la caja utilizando los indicadores de la placa de carga. El microcontrolador se instala en la placa a través de un panel estándar, lo que permite reprogramarlo si es necesario. El contador Geiger se instala en portafusibles soldados a la placa; en su defecto, los portafusibles pueden fabricarse con hilos de cobre rígidos. Soldar los cables del medidor puede dañarlo. Una vista del dispositivo con la cubierta quitada se muestra en la Fig. 5.
No existen requisitos especiales para las piezas utilizadas, excepto que el transistor VT3 debe ser de alto voltaje (para KSP42, el voltaje colector-emisor máximo permitido es de 300 V), el voltaje nominal del capacitor C1 debe ser de al menos 40 V (con una tensión de alimentación del contador Geiger de 400 V). Cabe señalar que, a pesar de la simetría del cuerpo del medidor SBM-20, tiene una polaridad y debe instalarse de acuerdo con ella. En conclusión, me gustaría llamar la atención sobre lo siguiente. A pesar del rendimiento funcional completo del dispositivo propuesto (la prueba se realizó utilizando una fuente de radiación radiactiva de un dispositivo industrial DP-5A), se puede mejorar, a saber: - excluir el transistor VT2 con elementos adicionales; - eliminar el transistor VT1 con elementos adicionales, reemplazándolo con un divisor resistivo convencional con protección de voltaje de diodo de la entrada del microcontrolador, cambiando la polaridad de los pulsos de entrada mediante programación; - si no está previsto que el dispositivo funcione las 1 horas del día, programe el registro automático del tiempo actual de funcionamiento de la batería en la memoria no volátil del microcontrolador para que se muestren los datos correctos la próxima vez que se encienda. En este caso, también es necesario programar un modo adicional para el botón SBXNUMX para realizar la configuración inicial después de cargar la batería, y también es posible la inicialización inicial automática basada en las señales de la placa de carga. En la variante propuesta, cada encendido conduce a la puesta a cero del contador de funcionamiento de la batería; - generar un voltaje para el contador Geiger usando una unidad de micropotencia separada, en este caso se libera una salida del microcontrolador, que puede usarse, por ejemplo, para el comparador analógico incorporado. Esto permitirá un control más preciso del voltaje de la batería. Pero lo que es más importante, en este caso, el microcontrolador se puede poner en modo "dormir" con una interrupción en los pulsos del contador Geiger y el temporizador. La corriente consumida por el microcontrolador en este modo no supera los 100 μA; - usar un contador Geiger más pequeño, por ejemplo, SBM-21, para crear un llavero basado en este dispositivo, que controlará la seguridad radiológica durante un año o más sin recargar; - utilizando un microcontrolador con una gran cantidad de salidas, implemente la salida del nivel de radiación radiactiva a un indicador digital, pero luego será un dispositivo diferente. El programa y el firmware del microcontrolador se pueden descargar desde ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/ind_rad.zip. Literatura
Autor: S. Makaretz
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