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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Indicador de nível de radiação
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Dosímetros Uma característica distintiva do indicador de nível de radiação radioativa proposto é que ele é controlado por um microcontrolador PIC12F683. Ao desenvolver o dispositivo, o autor se familiarizou com muitos projetos de rádios industriais e amadores existentes sobre esse assunto. Por exemplo, a descrição de um deles foi publicada na revista Radio nº 10 do ano passado. Ao criar este dispositivo, o autor pretendia aproximar as suas capacidades das necessidades de uma pessoa comum. O dispositivo levado ao conhecimento dos leitores possui as seguintes características: - LED (número de flashes) indicação do nível de radiação radioativa diretamente em microR/h; - indicação forçada de som e luz (flashes) dos pulsos registrados da fonte de radiação (no modo normal é desabilitado para economizar energia da bateria e aliviar efeitos psicológicos irritantes); - ativação automática da indicação sonora e luminosa dos pulsos registrados da fonte de radiação quando o limite de 50 μR/h é excedido; - ativação automática de um alarme quando o segundo limite de 75 μR/h for excedido; - os valores do primeiro e segundo limites, bem como os parâmetros da bateria utilizada e o tipo específico de contador Geiger necessário ao funcionamento do dispositivo são armazenados na memória não volátil do microcontrolador (EEPROM) e pode ser facilmente alterado de acordo com requisitos individuais; - o consumo de corrente ao operar em condições naturais de fundo radioativo é inferior a 1 mA (realmente medido - 0,86 mA), o tempo de operação com uma bateria de íon de lítio usada com capacidade de 750 mAh é superior a 35 dias; - Indicação por LED dos dias restantes de vida útil da bateria; - controle de uma condição de tensão do acumulador; - carregamento da bateria via conexão USB padrão; - dimensões máximas (determinadas principalmente pelo contador Geiger SBM-20 utilizado) 120x30x25 mm. Assim, o dispositivo proposto tem um longo tempo de operação (mais de um mês) sem recarregar a bateria, emite um alarme se um determinado nível de radiação radioativa for ultrapassado e indica o nível de radiação diretamente em micro-roentgens por hora. Uma fotografia do medidor indicador é mostrada na Fig. 1. O diagrama do dispositivo é mostrado na Fig. 2.
Antes de descrever o funcionamento do dispositivo, é necessário considerar como o nível de radiação radioativa é determinado a partir dos pulsos de um contador Geiger, no nosso caso o SBM-20. Segundo dados do fabricante [1], a sensibilidade deste contador à radiação gama é de 420±20 pulsos/s com intensidade de radiação radioativa de 4 μR/s, o que corresponde a 14,4 mR/h. Assim, um nível de radiação de 1 mR/h corresponderá a 420±20/14,4 = 29,17±1,39 pulsos/s ou, o que é o mesmo, 1750±83 pulsos/min. Vamos decompor 1 mR/h em fatores, por exemplo, 50x20 μR/h, neste caso, em um nível de radiação de 20 μR/h, o contador Geiger SBM-20 produzirá 1750 ± 83/50 = 35 ± 1,7 pulsos/ min. Tendo encontrado o tempo durante o qual o contador Geiger produzirá 20 pulsos a uma taxa calculada de 35±1,7 pulsos/min, obtemos o período de tempo durante o qual o número de pulsos do contador Geiger corresponde ao nível de radiação em microroentgens por hora: (60 s/35±1,7 imp.) x 20 = 34,3 s (levando em consideração a propagação - de 32,7 a 36 s). Este intervalo de tempo de contagem de pulsos é formado pelo temporizador 12 embutido no microcontrolador PIC683F1. Levando em consideração as configurações do software, o período do temporizador 1 é igual a 0,524288 s, o que significa que o período de medição necessário consiste em 34,3 s / 0,524288 s = 65 ( incluindo arredondamento) períodos de temporizador 1. Na forma hexadecimal 65 = 0x41, o número 41 é escrito na célula zero (primeira) da memória não volátil do microcontrolador EEPROM, e pode ser facilmente alterado se um tipo diferente de contador Geiger é usado. A próxima, primeira (segunda consecutiva) célula de memória EEPROM armazena o valor hexadecimal do número planejado de dias de operação da bateria: (750 mAh/0,9 mA)/24 h = 35 (incluindo arredondamento) = 0x23. A segunda célula EEPROM é o valor do primeiro limite (liga a indicação sonora e luminosa dos pulsos do contador Geiger) 50 µR/h = 0x32. A terceira célula da EEPROM é o segundo limiar (alarme) 75 μR/h = 0x4V. A quarta célula EEPROM é a duração do pulso para gerar a tensão necessária no contador Geiger; para o SBM-20, a tensão de operação deve ser de 400 V [1]. A fórmula para calcular a duração do pulso é K x 3 μs + 5 μs, onde K é o valor decimal da quarta célula. Não adianta calcular a duração do pulso de “bombeamento”, pois a tensão dependerá dos parâmetros reais do circuito formador. Este coeficiente deve ser selecionado experimentalmente medindo a tensão resultante. É importante ressaltar que como a tensão de alimentação do contador Geiger é de baixa potência (outra não é necessária, pois a corrente máxima do contador não ultrapassa 20 μA [1]), esta tensão deve ser medida através de um medidor de alta resistência. divisor. Para tanto, o autor utilizou um divisor com resistência de entrada gigaohm, a medição foi realizada com osciloscópio TDS-210. Na quinta, sexta e sétima (sexta-oitava na ordem, respectivamente) células EEPROM, são escritos coeficientes que fornecem o intervalo diário. Isso é necessário para calcular a vida útil da bateria. O produto destes três números deve ser igual ao número de períodos de medição durante o dia. A duração do dia em segundos 60x60x24 = 86400 s é convertida no número de intervalos de medição (valor real 65 x 0,524288 s = 34,07872 s), obtemos 86400 s / 34,07872 s = 2535 intervalos inteiros. Fatoramos o número 2535 = 13x 13x 15, respectivamente, escrevemos nas células 13 = 0x0D, 13 = 0x0D, 15 = 0x0F. Nota importante. Para o funcionamento normal do programa embarcado no microcontrolador é necessário que os dados de origem satisfaçam a condição 0 < X < 127, pois esta condição deve ser atendida para alguns comandos utilizados no programa. É conveniente usar o site calc-x.ru/conversion_number.php para converter números em diferentes sistemas numéricos. Agora considere o circuito do dispositivo. O dispositivo é alimentado por uma bateria de íon de lítio; para carregá-lo é utilizada uma placa pronta com dimensões de 20x25 mm fabricada na China; se desejar, você mesmo pode fazer usando o microcircuito TP4056. Para alimentar o dispositivo com tensão estabilizada de 3,3 V, é utilizado o microcircuito LP2980-3.3. Sua característica importante é a operação com baixa corrente de carga e baixo consumo de corrente intrínseca (com corrente de carga de 1 mA não excede 170 μA). A unidade para receber a tensão de alimentação do contador Geiger corresponde totalmente ao circuito de um dispositivo semelhante [2]. No pino 7 do microcontrolador (GP0), é gerado um pulso curto com duração determinada pelo conteúdo da quarta célula EEPROM. Segue-se então uma pausa de 250 μs e a execução do programa retorna à geração de pulsos. Inicialmente, o autor planejou usar um bloco separado para gerar alta tensão (existem muitos circuitos de blocos semelhantes), isso liberaria um pino do microcontrolador, mas testes práticos mostraram que tais nós consomem uma corrente de 1 mA ou mais, microcorrente não pôde ser alcançada. A contagem dos pulsos do contador Geiger (pino 4) e a resposta ao botão de medição SB1 (pino 3) são implementadas habilitando as interrupções de programa correspondentes no microcontrolador. Também são permitidas interrupções utilizando o temporizador 1, garantindo a formação de um intervalo de medição. A indicação luminosa e sonora dos pulsos registrados do contador Geiger é realizada da seguinte forma. No caso em que não há necessidade de indicar pulsos de entrada, nas saídas GP1, GP2 (pinos 6, 5) os pulsos de indicação com frequência em torno de 4 kHz estão em fase, portanto nem o LED vermelho HL2 nem o emissor piezo HA1 responda a eles. Ao pressionar o botão de indicação forçada SB2, um dos terminais do LED e do emissor piezoelétrico é conectado ao fio comum e a indicação é ligada à força. É importante ressaltar que o resistor R9 neste caso evita a falha da saída do microcontrolador GP1, portanto não pode ser excluído (por exemplo, para aumentar o volume do som). Quando o primeiro limite do nível de radiação radioativa é ultrapassado, os pulsos de indicação nas saídas GP1, GP2 ficam em antifase, a indicação é ligada automaticamente. No próximo ciclo de medição, a indicação permanecerá acesa e continuará até que o nível medido caia abaixo do primeiro limite. Se o segundo limite for excedido, um sinal de alarme é exibido, que é um flash triplo do LED HL2 com duração de 0,25 s, acompanhado por um sinal sonoro de dupla frequência (cerca de 4 kHz). Depois disso, a medição do nível de radiação é retomada. Um toque curto (não mais que 0,25 s) no botão SB1 inicia o modo de indicação do nível medido de radiação radioativa em micro-roentgens por hora com flashes do LED HL1 (azul na versão do autor). Primeiro, as dezenas são exibidas com segundos pulsos de luz e, em seguida, as unidades da medição resultante são exibidas com pulsos de um quarto de segundo. Para evitar confusão no caso de unidades zero (por exemplo, 10 ou 20 µR/h), os valores da unidade zero são indicados por um pulso curto. Quando você pressiona o botão SB1 por mais de um quarto de segundo, o dispositivo entra no modo de exibição dos dias restantes previstos de vida útil da bateria. Primeiramente, o LED HL2 (vermelho) pisca brevemente, sinalizando a transição para o modo de indicação de controle da bateria; após uma pausa, o mesmo LED mostra o estado da bateria. Após o término da vida útil prevista da bateria, o número de dias “reciclados” será exibido neste modo; a reciclagem será sinalizada por um breve flash do LED azul HL1. Dezenas e unidades são exibidas de forma semelhante ao modo de exibição anterior. O botão SB3 permite controlar o estado atual da bateria. Para isso, os resistores R13, R14 são selecionados de forma que na tensão nominal de operação (3,3 V) o LED verde HL3 acenda, mas em uma tensão de cerca de 3 V (nível de bateria descarregada) não. O transistor VT1 traz a amplitude dos pulsos do contador Geiger ao nível necessário para o funcionamento do microcontrolador. O transistor VT3, o indutor L2 e um multiplicador de diodo nos diodos VD1, VD2, VD5-VD9 e nos capacitores C2-C4, C6, C7, C9, C10 fornecem a tensão de alimentação necessária para o contador Geiger. A utilização do transistor VT2 é causada pela necessidade de inicializar inicialmente o microcontrolador. O microcontrolador PIC12F683 possui seis opções de instalação inicial, mas ou o autor se deparou com tal instância, ou houve um erro no programa, mas ao inicializar o modo de interrupção, o microcontrolador “recusou-se” a funcionar sem um “reset” quando ligado sobre. Como o tamanho da placa permitia, optou-se por deixar o transistor VT2. O dispositivo é montado sobre uma placa universal de 100x15 mm com recorte para bateria (Fig. 3), as conexões necessárias são feitas com fio de montagem.
O terminal de alta tensão do contador Geiger está localizado dentro da caixa, o terminal de baixa tensão é fechado externamente com uma tampa decorativa (Fig. 4). A placa de carregamento da bateria USB e o emissor piezoelétrico estão localizados sob a placa principal. Para monitorar o carregamento da bateria usando os indicadores da placa de carregamento, dois furos com diâmetro de 1 mm são feitos na parte inferior do gabinete. O microcontrolador é instalado na placa através de um painel padrão, o que permite sua reprogramação se necessário. O contador Geiger é instalado em suportes de fusíveis soldados na placa; se estes não estiverem disponíveis, os suportes podem ser feitos de fios de cobre duros. Soldar os cabos do medidor pode danificá-lo. Uma vista do dispositivo com a tampa removida é mostrada na Fig. 5.
Não há requisitos especiais para as peças utilizadas, exceto que o transistor VT3 deve ser de alta tensão (para KSP42, a tensão coletor-emissor máxima permitida é 300 V), a tensão nominal do capacitor C1 deve ser de pelo menos 40 V (com um Tensão de alimentação do contador Geiger de 400 V). Ressalta-se que apesar da simetria do corpo do medidor SBM-20, ele possui polaridade e deve ser instalado de acordo com a mesma. Concluindo, gostaria de chamar sua atenção para o seguinte. Apesar do pleno desempenho funcional do dispositivo proposto (o teste foi realizado utilizando uma fonte de radiação radioativa de um dispositivo industrial DP-5A), ele pode ser melhorado, a saber: - exclua o transistor VT2 com elementos adicionais; - eliminar o transistor VT1 com elementos adicionais, substituindo-o por um divisor resistivo convencional com proteção de diodo da tensão de entrada do microcontrolador, alterando a polaridade dos pulsos de entrada em software; - se você não planeja operar o dispositivo 1 horas por dia, programe o registro automático do tempo atual de operação da bateria na memória não volátil do microcontrolador para que os dados corretos sejam exibidos na próxima vez que você ligá-lo. Neste caso também é necessário programar um modo adicional para o botão SBXNUMX para realizar a instalação inicial após o carregamento da bateria; também é possível a inicialização automática baseada em sinais da placa de carregamento. Na versão proposta, cada ligação faz com que o contador de operação da bateria seja zerado; - gerar tensão para o contador Geiger usando uma unidade de micropotência separada, neste caso é liberado um pino do microcontrolador, que pode ser usado, por exemplo, para um comparador analógico embutido. Isso permitirá que você controle com mais precisão a tensão da bateria. Mas o mais importante é que neste caso o microcontrolador pode ser colocado no modo “Sleep” com uma interrupção por pulsos do contador Geiger e um temporizador. A corrente consumida pelo microcontrolador neste modo não excede 100 μA; - usando um contador Geiger menor, por exemplo SBM-21, para criar um chaveiro baseado neste dispositivo que monitorará a segurança radiológica por um ano ou mais sem recarregar; - usando um microcontrolador com grande número de pinos, implemente a saída do nível de radiação radioativa para um indicador digital, mas então será um dispositivo diferente. O programa e o firmware do microcontrolador podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/ind_rad.zip. Literatura
Autor: S. Makaretz
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