Contador Geiger DIY com um ESP8266 e uma tela sensível ao toque: 4 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

ATUALIZAÇÃO: VERSÃO NOVA E MELHORADA COM WIFI E OUTROS RECURSOS ADICIONADOS AQUI

Eu projetei e construí um Contador Geiger - um dispositivo que pode detectar radiação ionizante e alertar seu usuário sobre níveis perigosos de radiação ambiente com o ruído de clique muito familiar. Também pode ser usado ao procurar por minerais para ver se a rocha que você encontrou contém minério de urânio!

Existem muitos kits e tutoriais disponíveis online para fazer seu próprio Contador Geiger, mas eu queria fazer um que seja único - projetei uma tela GUI com controles de toque para que as informações sejam exibidas de uma maneira bonita.

Etapa 1: Teoria Básica

O princípio de funcionamento de um Contador Geiger é simples. Um tubo de parede fina com um gás de baixa pressão dentro (chamado de tubo Geiger-Muller) é energizado com alta voltagem em seus dois eletrodos. O campo elétrico criado não é suficiente para causar ruptura dielétrica - portanto, nenhuma corrente flui através do tubo. Isso até que uma partícula ou fóton de radiação ionizante passe por ele.

Quando a radiação beta ou gama passa, ela pode ionizar algumas das moléculas de gás em seu interior, criando elétrons livres e íons positivos. Essas partículas começam a se mover devido à presença do campo elétrico, e os elétrons realmente ganham velocidade suficiente para que acabem ionizando outras moléculas, criando uma cascata de partículas carregadas que momentaneamente conduzem eletricidade. Este breve pulso de corrente pode ser detectado pelo circuito mostrado no esquema, que pode então ser usado para criar o som de clique, ou neste caso, alimentado para o microcontrolador que pode fazer cálculos com ele.

Estou usando o tubo Geiger SBM-20, pois é fácil de encontrar no eBay e bastante sensível à radiação beta e gama.

Etapa 2: Peças e construção

Usei a placa NodeMCU baseada no microcontrolador ESP8266 como o cérebro para este projeto. Eu queria algo que pudesse ser programado como um Arduino, mas que fosse rápido o suficiente para acionar a tela sem muito atraso.

Para o fornecimento de alta tensão, usei este conversor boost HV DC-DC da Aliexpress para fornecer 400 V ao tubo Geiger. Lembre-se de que, ao testar a tensão de saída, você não pode medi-la diretamente com um multímetro - a impedância é muito baixa e isso vai diminuir a tensão, de forma que a leitura será imprecisa. Crie um divisor de tensão com pelo menos 100 MOhms em série com o multímetro e meça a tensão dessa forma.

O dispositivo é alimentado por uma bateria 18650 que alimenta outro conversor boost que fornece 4,2 V constantes para o resto do circuito.

Aqui estão todos os componentes necessários para o circuito:

• Tubo SBM-20 GM (muitos vendedores no eBay)
• Conversor de reforço de alta tensão (AliExpress)
• Conversor Boost para 4,2 V (AliExpress)
• Placa NodeMCU esp8266 (Amazon)
• Tela sensível ao toque SPI de 2,8 "(Amazon)
• Célula de íon-lítio 18650 (Amazon) OU qualquer bateria LiPo de 3,7 V (mais de 500 mAh)
• Porta-células 18650 (Amazon) Nota: este porta-bateria acabou sendo um pouco grande para a placa de circuito impresso e tive que dobrar os pinos para dentro para poder soldá-lo. Eu recomendaria usar uma bateria LiPo menor e soldar os cabos JST às almofadas da bateria no PCB.

Vários componentes eletrônicos necessários (você pode já ter alguns deles):

• Resistores (Ohms): 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M. Recomende obter resistores de 10M para fazer o divisor de tensão necessário para medir a saída de alta tensão.
• Capacitores: 220 pF
• Transistores: 2N3904
• LED: 3mm
• Campainha: qualquer campainha piezoelétrica de 12-17 mm
• Porta-fusíveis 6.5 * 32 (para conectar o tubo Geiger com segurança)
• Chave seletora de 12 mm

Consulte o esquema em PDF em meu GitHub para ver onde vão todos os componentes. Geralmente é mais barato pedir esses componentes de um distribuidor em massa como DigiKey ou LCSC. Você encontrará uma planilha com minha lista de pedidos da LCSC na página do GitHub que contém a maioria dos componentes mostrados acima.

Embora uma PCB não seja necessária, ela pode ajudar a tornar a montagem do circuito mais fácil e com uma aparência organizada. Os arquivos Gerber para fabricação de PCBs também podem ser encontrados em meu GitHub. Fiz algumas correções no design do PCB desde que comprei o meu, então os jumpers adicionais não devem ser necessários com o novo design. No entanto, isso não foi testado.

A caixa é impressa em 3D em PLA e as peças podem ser encontradas aqui. Fiz alterações nos arquivos CAD para refletir as alterações de localização de perfuração no PCB. Deve funcionar, mas observe que não foi testado.

Etapa 3: código e interface do usuário

Usei a biblioteca Adafruit GFX para criar a interface do usuário para o monitor. O código pode ser encontrado em minha conta GitHub aqui.

A página inicial mostra a taxa de dose, contagens por minuto e a dose total acumulada desde que o dispositivo foi ligado. O usuário pode escolher um modo de integração lento ou rápido que altera o intervalo de soma contínua para 60 segundos ou 3 segundos. A campainha e o LED podem ser ativados ou desativados individualmente.

Há um menu de configurações básicas que permite ao usuário alterar as unidades de dose, o limite de alerta e o fator de calibração que relaciona o CPM à taxa de dose. Todas as configurações são salvas na EEPROM para que possam ser recuperadas quando o dispositivo for reiniciado.

Etapa 4: Teste e Conclusão

O Contador Geiger mede uma taxa de cliques de 15 a 30 contagens por minuto da radiação de fundo natural, que é aproximadamente o que se espera de um tubo SBM-20. Uma pequena amostra de minério de urânio é registrada como moderadamente radioativa, em torno de 400 CPM, mas um manto de lanterna toriado pode fazer o clique mais rápido do que 5000 CPM quando colocado contra o tubo!

O contador Geiger consome cerca de 180 mA a 3,7 V, portanto, uma bateria de 2000 mAh deve durar cerca de 11 horas com carga.

Pretendo calibrar adequadamente o tubo com uma fonte padrão de Césio-137, o que tornará as leituras de dose mais precisas. Para melhorias futuras, eu também poderia adicionar capacidade de WiFi e funcionalidade de registro de dados, uma vez que o ESP8266 já vem com WiFi integrado.

Espero que você tenha achado este projeto interessante! Por favor, compartilhe sua construção se você acabar fazendo algo semelhante!