DIY Geigerteller met een ESP8266 en een touchscreen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

UPDATE: NIEUWE EN VERBETERDE VERSIE MET WIFI EN ANDERE TOEGEVOEGDE FUNCTIES HIER

Ik heb een geigerteller ontworpen en gebouwd - een apparaat dat ioniserende straling kan detecteren en de gebruiker kan waarschuwen voor gevaarlijke omgevingsstralingsniveaus met het al te bekende klikgeluid. Het kan ook worden gebruikt bij het zoeken naar mineralen om te zien of het gesteente dat je hebt gevonden uraniumerts bevat!

Er zijn veel bestaande kits en tutorials online beschikbaar om je eigen geigerteller te maken, maar ik wilde er een maken die uniek is - ik ontwierp een GUI-display met aanraakbediening zodat de informatie op een mooie manier wordt weergegeven.

Stap 1: Basistheorie

Het werkingsprincipe van een geigerteller is eenvoudig. Een dunwandige buis met een lagedrukgas erin (een Geiger-Muller-buis genoemd) wordt bekrachtigd met een hoge spanning over de twee elektroden. Het gecreëerde elektrische veld is niet voldoende om diëlektrische doorslag te veroorzaken - er stroomt dus geen stroom door de buis. Totdat er een deeltje of foton van ioniserende straling doorheen gaat.

Wanneer bèta- of gammastraling passeert, kan het enkele van de gasmoleculen binnenin ioniseren, waardoor vrije elektronen en positieve ionen ontstaan. Deze deeltjes beginnen te bewegen vanwege de aanwezigheid van het elektrische veld, en de elektronen nemen daadwerkelijk genoeg snelheid op om andere moleculen te ioniseren, waardoor een cascade van geladen deeltjes ontstaat die tijdelijk elektriciteit geleiden. Deze korte stroompuls kan worden gedetecteerd door het circuit dat in het schema wordt getoond, dat vervolgens kan worden gebruikt om het klikgeluid te creëren, of in dit geval, toegevoerd aan de microcontroller die er berekeningen mee kan doen.

Ik gebruik de SBM-20 Geiger-buis omdat deze gemakkelijk te vinden is op eBay en behoorlijk gevoelig is voor bèta- en gammastraling.

Stap 2: Onderdelen en constructie

Ik gebruikte het NodeMCU-bord op basis van de ESP8266-microcontroller als brein voor dit project. Ik wilde iets dat kan worden geprogrammeerd als een Arduino, maar snel genoeg is om het scherm zonder al te veel vertraging aan te sturen.

Voor de hoogspanningsvoeding heb ik deze HV DC-DC boost-converter van Aliexpress gebruikt om 400V aan de Geiger-buis te leveren. Houd er rekening mee dat u bij het testen van de uitgangsspanning deze niet rechtstreeks met een multimeter kunt meten - de impedantie is te laag en de spanning zal dalen, zodat de meting onnauwkeurig is. Maak een spanningsdeler met minimaal 100 MOhms in serie met de multimeter en meet op die manier de spanning.

Het apparaat wordt gevoed door een 18650-batterij die wordt gevoed door een andere boost-converter die een constante 4.2V levert voor de rest van het circuit.

Hier zijn alle componenten die nodig zijn voor het circuit:

• SBM-20 GM-buis (veel verkopers op eBay)
• Hoogspanningsversterkingsconverter (AliExpress)
• Boost-converter voor 4.2V (AliExpress)
• NodeMCU esp8266-bord (Amazon)
• 2,8" SPI-touchscreen (Amazon)
• 18650 Li-ion-cel (Amazon) OF Elke 3,7 V LiPo-batterij (500+ mAh)
• 18650 celhouder (Amazon) Let op: deze batterijhouder bleek iets te groot voor de print en ik moest de pinnen naar binnen buigen om hem te kunnen solderen. Ik zou aanraden om een kleinere LiPo-batterij te gebruiken en in plaats daarvan JST-kabels naar de batterijpads op de PCB te solderen.

Diverse elektronische componenten nodig (misschien heb je er al een aantal):

• Weerstanden (Ohm): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1.8M, 3M. Beveel aan om 10M-weerstanden te krijgen voor het maken van een spanningsdeler die nodig is om de hoogspanningsoutput te meten.
• Condensatoren: 220 pF
• Transistoren: 2N3904
• LED: 3mm
• Zoemer: elke piëzo-zoemer van 12-17 mm
• Zekeringhouder 6.5*32 (om Geigerbuis stevig te bevestigen)
• Tuimelschakelaar 12 mm

Raadpleeg het PDF-schema in mijn GitHub om te zien waar alle componenten naartoe gaan. Het is meestal goedkoper om deze componenten te bestellen bij een bulkdistributeur zoals DigiKey of LCSC. Je vindt een spreadsheet met mijn bestellijst van LCSC op de GitHub-pagina die de meeste van de hierboven getoonde componenten bevat.

Hoewel een PCB niet nodig is, kan het de assemblage van het circuit eenvoudig maken en er netjes uit laten zien. De Gerber-bestanden voor PCB-productie zijn ook te vinden in mijn GitHub. Ik heb een paar reparaties aan het PCB-ontwerp aangebracht sinds ik de mijne heb, dus de extra jumpers zouden niet nodig moeten zijn met het nieuwe ontwerp. Dit is echter niet getest.

De behuizing is 3D geprint uit PLA en de onderdelen zijn hier te vinden. Ik heb wijzigingen aangebracht in de CAD-bestanden om de veranderingen in de boorlocatie op de PCB weer te geven. Het zou moeten werken, maar houd er rekening mee dat dit niet is getest.

Stap 3: Code en gebruikersinterface

Ik heb de Adafruit GFX-bibliotheek gebruikt om de gebruikersinterface voor het display te maken. De code is hier te vinden in mijn GitHub-account.

De startpagina toont de dosissnelheid, tellingen per minuut en de totale geaccumuleerde dosis sinds het apparaat is ingeschakeld. De gebruiker kan een langzame of snelle integratiemodus kiezen die het rolling sum-interval verandert in 60 seconden of 3 seconden. De zoemer en LED kunnen afzonderlijk worden in- of uitgeschakeld.

Er is een menu met basisinstellingen waarmee de gebruiker de dosiseenheden, de waarschuwingsdrempel en de kalibratiefactor die de CPM aan de dosissnelheid relateert, kan wijzigen. Alle instellingen worden opgeslagen in de EEPROM, zodat ze kunnen worden opgehaald wanneer het apparaat wordt gereset.

Stap 4: Testen en conclusie

De geigerteller meet een klikfrequentie van 15 - 30 tellen per minuut van natuurlijke achtergrondstraling, wat ongeveer is wat wordt verwacht van een SBM-20-buis. Een klein monster van uraniumerts wordt geregistreerd als matig radioactief, rond 400 CPM, maar een getoriseerde lantaarnmantel kan ervoor zorgen dat het sneller klikt dan 5000 CPM wanneer het tegen de buis wordt gehouden!

De geigerteller trekt ongeveer 180 mA bij 3,7 V, dus een batterij van 2000 mAh zou ongeveer 11 uur mee moeten gaan op een lading.

Ik ben van plan de buis goed te kalibreren met een standaardbron van Cesium-137, waardoor de dosismetingen nauwkeuriger zullen zijn. Voor toekomstige verbeteringen zou ik ook WiFi-mogelijkheden en datalogging-functionaliteit kunnen toevoegen, aangezien de ESP8266 al wordt geleverd met ingebouwde WiFi.

Ik hoop dat je dit project interessant vond! Deel je build als je uiteindelijk iets soortgelijks maakt!