:: ПРИБОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ::

Чаще всего, в самодельных и многих заводских схемах дозиметров радиации, сначала производится подсчет импульсов от счетчика за примерно 30 секунд, с последующей индикацией в течении нескольких секунд. Для показа разультатов следующего измерения необходимо опять ждать окончания счета, как минимум, полминуты. После чего сброс и подсчёт пол минуты по новой. В этой же схеме запоминается число импульсов, поступивших от счетчика за каждую из последних 30 секунд, поэтому показания обновляются каждую секунду. Число импульсов поступивших за последнюю секунду заменяет соответствующее значение в списке 30-секундной давности. Затем все 30 сохраненных значений суммируются, и получается число импульсов N за последние 30 секунд, актуализируемое ежесекундно. 

Схема дозиметра на микроконтроллере

Прибор предназначен для измерения ионизирующих излучений, вызванных бета - и гамма-лучи и имеет следующие параметры:

• Диапазон измеряемой дозы: 0 - 250 миллирентген/час 
• Напряжение питания: 2 – 3.3 В две батареи АА
• Средний потребляемый ток: 0.5 мА при отключенной звуковой индикации
• Время выхода на рабочий режим: 30 секунд
• Период обновления показаний: 1 секунда

Далее идёт сокращенный статьи, опубликованной в Радио 11-2010. Прибор состоит из следующих функциональных блоков: генератор высокого напряжения для питания газоразрядного счетчика, формирователь импульсов счетчика, узел управления жидкокристаллическим дисплеем, блок звуковой индикации, и стабилизаторы напряжения для питания различных цепей устройства. Синхронное управление всеми блоками обеспечивается микроконтроллером DD2. Высокое напряжение формируется преобразователем на транзисторе VT2 и трансформаторе T1. На затвор VT2 поступают импульсы частотой 244 Гц и скважностью примерно 4-15% от микроконтроллера DD2. В момент импульса транзистор открыт и в магнитопроводе T1 накапливается магнитная энергия. При закрывании транзистора в обмотке I трансформатора формируется ЭДС самоиндукции, приводящая к короткому импульсу положительной полярности амплитудой порядка 60 В на стоке VT2. Это напряжение повышается обмоткой II и поступает на утроитель напряжения на диодах VD3-VD5 и конденсаторах C12-C14. Использование утроителя напряжения снижает требования к трансформатору и упрощает его конструкцию. 

Высокое напряжение порядка 400 В поступает на счетчик Гейгера BD1 через нагрузочный резистор R10. При таком напряжении счетчик работает в середине плато своего рабочего диапазона. Стабилитроны VD6-VD8 ограничивают напряжение на выходе утроителя до уровня 430 В и защищают от пробоя конденсаторы C11-C13 с номинальным рабочим напряжением 630 В. Такая защита необходима в процессе налаживания или при резком удалении дозиметра от источника радиации. Без стабилитронов напряжение на конденсаторах может превысить 800-900 В и привести к их пробою. Средний потребляемый ток по цепи T1-VT2 не превышает 0.3 мА при сопротивлении нагрузки от 40 МОм и выше.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя обеспечивается широтно-импульсной модуляцией, формируемой микроконтроллером. Стабилизация необходима для поддержания рабочего режима счетчика Гейгера при регистрации значительных доз радиации и компенсации падения напряжения батарей при их разряде. Слежение за величиной выходного напряжения производится с помощью обмотки обратной связи III. Напряжение на этой обмотке выпрямляется диодом VD1 и фильтруется конденсатором C9. Емкость C9  в сочетании с сопротивлением резисторов R7-R8 выбрана из условий  его быстрого перезаряда при слежении за выходным напряжением. Напряжение около 5 В с C9 поступает через делитель R6-R7 нa вход аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер DD2. Конденсатор C11 сглаживает острые пики сигнала обратной связи. Напряжение, поступающее с обмотки III, сравнивается микроконтроллером с эталонным напряжением 1.235 В, формируемым источником опорного напряжения на DА1. Эта микросхема работоспособна при токе стабилизации от 10 мкА, что позволяет увеличить номинал балластного резистора R4 и ощутимо уменьшить ток, потребляемой этой цепью по сравнению с обычными стабилитронами.

При регистрации частиц на счетчике Гейгера формируется импульс отрицательной полярности амплитудой порядка 100 В, поступающий на вход таймера TMR0 микроконтроллера через делитель и  формирующую цепочку на резисторах R2,R5,R6 и конденсаторах C7,C10. Число поступивших за последнюю секунду импульсов сохраняется в кольцевом буфере микроконтроллера. В буфере хранятся результаты последних 30 измерений, которые обрабатываются микроконтроллером каждую секунду по специальному алгоритму перед индикацией. При использовании старых или долго проработавших газоразрядных счетчиков, с приходом каждой частицы вместо одного импульса они могут выдавать серию из 5-50 коротких импульсов. Цепочка C7-R8 отфильтровывает все импульсы из серии кроме первого. Емкость C7 следует подобрать так, чтобы высокое напряжение на счетчике BD1 восстанавливалось как можно быстрее при фильтрации серии импульсов. Чрезмерное увеличение емкости C7 приведет к снижению быстродействия всего устройства и, как следствие, верхнего предела измерений. При указанной емкости C7 время восстановления соответствует времени неактивности СБМ-20. Во многих опубликованных схемах вместо цепочки C7-R8 использован одновибратор. 

Управление ЖКИ в статическом режиме производится микросхемой DD1, подключенной к микроконтроллеру DD2 через последовательный интерфейс SPI. Конденсатор C8 определяет частоту обновления ЖКИ, которая для указанной его емкости равна примерно 80 Гц. Этим полностью исключается мерцание дисплея.  Для питания ЖКИ и DD1 требуется напряжение 3.3 В, которое снимается с обмотки обратной связи T1 и стабилизируется микросхемой DA2. Напряжение 3.3 В на  выходе DA2 таким образом не зависит от напряжения батарей, чем гарантируется постоянная контрастность ЖКИ. Отметим, что суммарный ток, потребляемый ЖКИ и DD1, не превышает 8 мкА и использование микромощного стабилизатора именно типа MCP1700 здесь принципиально. Дело в том, что собственный потребляемый ток обычных стабилизаторов, подобных L78L33, составляет порядка 5 мА даже без нагрузки. Улучшенные стабилизаторы типа LDO потребляют, как правило, порядка 0.5 мА. Однако даже это слишком много и приводит к срыву стабилизации высокого напряжения. У MCP1700 собственный потребляемый ток не превосходит 1.6 мкА и нарушения стабилизации не происходит.

При превышении дозы радиации значения 100 мкР/час прибор начинает издавать каждую секунду короткий звуковой сигнал длительностью 50 мс и частотой около 2480 Гц. Соответствующие импульсы поступают от микроконтроллера на затвор VT1, а через него на пьезоэлектрический излучатель BF1 или на телефонный капсюль, подключенный через разъем XS1. В момент закрывания VT1 на его стоке формируются очень короткие импульсы ЭДС самоиндукции излучателя амплитудой порядка 50 В. Эти импульсы используются для индикации светодиодом VD2 наличия радиации, превышающей упомянутый выше пороговый уровень, который можно устанавливать программно. Резистор R9 ограничивает импульсный ток через светодиод на уровне 100 мА, что безопасно для большинства светодиодов. Таким образом, для световой индикации дополнительной энергии от батарей не потребляется. В то же время R9 и VD2 ограничивают пики напряжения на стоке VT1 на уровне 15 В.

Питание прибора производится от двух батарей типа АА или от внешнего выпрямителя с выходным напряжением 5-15 В при токе не менее 10 мА. При подключении выпрямителя к разъему XS2 батарея автоматически отключается контактами разъема. Напряжение выпрямителя стабилизируется микросхемой DA3. Диод VD9 исключает влияние DA3 на батарею и уменьшает питающее напряжение до 3 В, то есть до номинального напряжения батарей. Использование диода Шоттки продиктовано малым прямым падением напряжения на нем. Диод VD10 предохраняет прибор от ошибочного подключения неправильной полярности внешнего выпрямителя. Разъем Х1 служит для программирования микроконтроллера на плате через интерфейс ICSP. 

Трансформатор T1 намотан на кольце размером 25х15х10 мм, изготовленном из феррита с магнитной проницаемостью 10000. Кольцо поставляется в пластиковой оболочке, исключающей необходимость в дополнительной изоляции сердечника перед намоткой. Первичная обмотка содержит 100 витков провода диаметром 0.35 мм в эмалевой изоляции, намотанных виток к витку равномерно по кольцу в 1 слой. Индуктивность этой обмотки около 0.1 Гн при сопротивлении по постоянному току 5 Ом. Поверх нее виток к витку в 3 слоя намотана вторичная обмотка, состоящая из 200 витков монтажного провода диаметром 0.25 мм в пластиковой изоляции. Поверх этой обмотки расположена обмотка обратной связи, состоящая из 10 витков провода диаметром 0.3 мм (желательно также применить провод в пластиковой изоляции). При такой конструкции межобмоточная изоляция не требуется. Сравнительно большое кольцо выбрано для упрощения ручной намотки. Можно также использовать ферритовое кольцо и без пластиковой оболочки, а все обмотки выполнить проводом в пластиковой либо фторопластовой изоляции, или проводом ПЭЛШО. Кольцо прикреплено к плате пластмассовым болтом М6 через резиновые прокладки

Счетчики Гейгера имеют разброс чувствительности и для обеспечения желаемой точности все дозиметры требуют калибровки в лабораторных условиях, недоступных большинству радиолюбителей. Поэтому дозу радиоактивности, показанную и нашим прибором, можно считать лишь ориентировочной, что, однако, приемлемо для большинства бытовых целей. Прибор работает при разряде батарей вплоть до 1,7 В. При таком напряжении микроконтроллер и, соответственно, преобразователь напряжения не запускаются, но будучи запущенными от более высокого напряжения батарей, продолжают работать фактически до их полного разряда. Все файлы проекта, в том числе описание настройки - в архиве. Другие схемы дозиметров смотрите здесь.