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CHOUR - Compteur Geiger Muller très faible consommation PC-GM9

en construction

Appareil : Compteur Geiger Muller/Geiger Muller counter
Date : 2019
Type : PC-GM9
Marque : Chour
Principaux constituants : Tube SBM20, J305 ou LND712, processeur Texas-Instrument famille MSP430FR6989, module haute tension IMEX, afficheur e-paper
Principale caractéristique : consommation moyenne de l'ordre de 60~80µA / Average power consumption arround 60~80µA.
Logiciel : page de téléchargement/Downloading page.

Fiche produit

PC-GM9 est un compteur Geiger-Muller qui est une variante de PC-GM8. Il propose les fonctionnalités suivantes :

Par rapport à PC-GM8, les principales différences sont les suivantes :

Plutôt que de réaliser PC-GM8, je conseille de réaliser cette version qui est plus légère du point de vue logiciel, plus simple à utiliser et plus performante pour la mémorisation des données

La documentation technique du compteur et sa façon de le réaliser est fourni sur cette page. Le logiciel du compteur est disponible sur cette page. Le logiciel GeigerPC pour Windows est disponible sur cette page.

Introduction

Hormis le Gamma-Scout, la plupart des compteurs Geiger du marché (en 2013-2019), qu'ils soient vendus tout fait ou en kit, ont une autonomie limitée, du moins pour ceux qui utilisent un microprocesseur pour gérer le traitement des données. Les raisons sont multiples :

Toutes ces raisons et d'autres m'ont amené à réaliser une série de compteurs nommés PC-GM3 à PC-GM9 visant la basse consommation. Objectif atteint puisque la consommation moyenne de ces compteurs est de l'ordre de 20~30µA ce qui leur donne une autonomie appréciable avec une simple batterie LIPO (environ 10 ans pour 2400mA.h).

Le compteur PC-GM9 présenté sur cette page est une variante plus simple et plus performante de PC-GM8.

Présentation du compteur basse consommation PC-GM9

Comme ses prédécesseurs, PC-GM9 est un compteur Geiger-Müller utilisant un microprocesseur pour la gestion de l'affichage, des alarmes et la mémorisation des données.

Il est communicant en ce sens qu'il peut être connecté en USB à un ordinateurs sous Windows sur lesquel s'exécute le logiciel Geiger-PC téléchargeable sur ce site.

Par rapport aux versions précédentes, il présente les différences suivantes :

Le schéma de la partie analogique

Le circuit a été réalisé par pcbway sur la base des fichiers générés par Kicad.

la version 1 du circuit présentait deux défauts :

La version 2 présentée ci-après corrige ces deux défauts. Je tiens les fichiers de fabrication à disposition de ceux qui sont intéressés.

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Schéma de la partie détection, comptage, communication et alimentation (cliquer pour agrandir)

img
img Circuit imprimé version 2

Dans cette version, la partie analogique du montage réalise 7 fonctions :

Vous trouverez ci-dessous des photos des modules utilisés.

img  img
FTDI232 et chargeur LIPO (cliquer pour agrandir)

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Module HT IMEX avec sa documentation et clavier membrane

Assignation des touches du clavier

Le clavier utilisé est donc un module standard pré-imprimé qui coûte environ 1à 2€. Les images ci-après donnent une idée de ce que pourrait être un clavier imprimé spécifiquement pour cette application et donne l'affectation des touches du clavier :

img

Signification des touches et correspondance avec un clavier numérique :

A noter que l'appui successif sur "CPM/µSv (#)" et "Validation" (0) en moins de 3 secondes permet de verrouiller (LOCK) ou déverrouiller (UNLOCK) le clavier.

Alimentation basse et haute tension

Alimentation par batterie LIPO

La charge de cette batterie se fait en USB via le chargeur LIPO lorsque le module FTI232 est connecté.

L’alimentation basse tension (3V à 3.3V) est réalisée par un régulateur MCP1702 dont la consommation est très faible et la tension de seuil peu élevée. Un connecteur permet de relier cette tension à la carte processeur.

La batterie est protégée par un polyswitch.

Lorsque le montage est alimenté en USB, l’information « alimentation externe » peut être récupérée, via le signal « SLEEP » (état haut) généré par le module FTDI232. Cette information est utilisée par le processeur pour désactiver le mode « basse consommation » et permettre le dialogue avec un éventuel ordinateur connecté qui exécute le programme GeigerPC. Lorsque ces signaux sont à l’état bas, le processeur fonctionne en mode « basse consommation ».

Alimentation haute-tension

L’alimentation haute-tension est réalisée par un module IMEX dont la consommation est très faible (quelques µA). Il est directement alimenté par la batterie LIPO qui peut donc varier de 3.7V (batterie chargée) à près de 4.2V (batterie en charge).

Communications entre un ordinateur et le compteur

Le programme GeigerPC téléchargeable sur ce site permet de dialoguer avec le compteur (paramétrage, récupération du comptage…). Cette communication se fait en série sur USB via le module FTDI232.

Signal de détection d’une particule (DETECT1)

Ce signal véhicule une impulsion à l’état haut lorsqu’une particule est détectée. La durée de ce signal peut être réglée via R9/C5. En pratique, cette durée a peu d’influence sur le comptage et les valeurs par défaut du montage conviennent au moins pour les tubes SBM20, J305 ou LND712.

On peut aussi utiliser DETECT2 (même signal mais avec une résistance en série de 15k. Non utilisé dans cette réalisation).

Le signal DETECT doit être connecté à un compteur du MSP430.

Alarmes et tics

Lorsqu’une particule est détectée, le compteur peut émettre un son et/ou allumer fugitivement une LED. L’activation de ces fonctions se fait par le processeur via les signaux EN_LED (Enable LED) et EN_BUZ (Enable buzzer). Ces fonctions sont actives lorsque les signaux sont à l’état haut.

Le processeur peut également générer une alarme via les signaux AL_LED (alarme visuelle par LED) et/ou AL_BUZ (alarme audible par buzzer).

L’activation de ces signaux est paramétrable par le programme du compteur.

Conseils de réalisation

Partie analogique

img Partie analogique montée

Avec la valeur de R5 (100k) et de C1 (47pF), la largeur de l'impulsion est de l'ordre de 150µS ce qui est parfait pour un tube SBM20 ou J305. On notera toutefois que ce temps peut varier selon les composants utilisés (en particulier, j'ai eu des surprises selon le type de D2).

Gestion des alarmes et des "tics" de détection

Pour chaque impulsion détectée, il est possible d'allumer une LED et/ou de produire un son (buzzer). Il est également possible de créer une alarme visuelle (LED) ou sonore (buzzer) en cas de dépassement d'un certain seuil paramétrable. Les commandes AL_BUZ, AL_EN, AL_LED, EN_LED permettent de gérer ces différentes possibilités selon la table de vérité suivante :

AiBiDiCommentaire
A1=0B1=KbD1 = KbCâblé. B1 suit la valeur de Kb/G1. Sortie signal.
A2=0=AL_BUZB2=0=EN_BUZD2 = 0Buzzer éteint (pas d'alarme ou d'information sonore).
A2=1=AL_BUZB2=1=EN_BUZD2 = 1Buzzer sonne. Utilisé pour générer une alarme sonore.
A2=0=AL_BUZB2=1=EN_BUZD2 = Kb/G1Buzzer actif. Un signal sonore est produit en cas de détection d'une particule.
A3=0=AL_LEDB3=0=EN_LEDD3 = 0LED éteinte (pas d'alarme ou d'information visuelle).
A3=1=AL_LEDB3=1=EN_LEDD3 = 1LED allumée. Utilisé pour générer une alarme visuelle.
A3=0=AL_LEDB3=1=EN_LEDD3 = Kb/G1LED active. Une impulsion lumineuse est produite en cas de détection d'une particule.

Avec les valeurs de R11 et C6 (10Mohms et 1nF), la durée de l'impulsion pour le buzzer est de 5mS ce qui est suffisant pour l'entendre correctement. On peut augmenter cette durée en augmentant C6.

Avec les valeurs de R13 et C7 (10Mohms et 10nF), la durée de l'impulsion pour la diode est de 50mS ce qui est suffisant pour qu'elle soit bien visible. On peut diminuer ce temps en diminuant C7.

AL_BUZ, AL_EN, AL_LED, EN_LED sont prévus pour être gérés par le processeur. Toutefois, dans ma réalisation, comme je craignais de ne pas avoir assez de GPIO, AL_BUZ et AL_LED sont commandés par des interrupteurs (voir schéma de câblage plus loin).

Sans Buzzer ni LED, la consommation moyenne du montage est de l'ordre de 10µA une fois stabilisé le générateur HT.

Contrôle de la tension d'alimentation

J'avais oublié d'intégrer un contrôle de la tension d'alimentation sur le circuit imprimé. Du coup, j'ai réalisé ce petit montage complémentaire.

Le module chargeur (connecteur J11) est branché en "J11+ +" (positif de l'alimentation) et "J11- -" (masse de l'alimentation). La batterie elle même est connecté sur JBat.

"BatEn" est connecté à un GPIO du processeur. Lorsqu'il est actif, il permet la mesure. Lorsqu'il est inactif, le transistor est bloqué et aucun courant ne circule dans le circuit de mesure.

La sortie "BatVolt" est connectée à un convertisseur analogique du processeur.

Pour le réglage, déconnectez la batterie. Alimentez "J11+" et "J11" en 5.1V et "BatEn" en 3.3V. Ajustez le potentiomètre pour obtenir 1,45V en "BatVolt".

img
Mesure tension batterie

Partie processeur et afficheur

Préparation de la carte processeur

L'afficheur de la plate-forme de développement est placé au ras du circuit-imprimé. Les barrettes de connexions sont beaucoup plus hautes que cet afficheur. Résultat, si vous souhaitez mettre ce compteur dans un boitier, l'afficheur sera difficilement visible car très en retrait de la façade. Il faut donc retirer ces barrettes ce qui n'est pas une partie de plaisir ! Idem pour les poussoirs (sauf le Reset) et de manière générale, tout ce qui dépasse de l'afficheur.

Pour la liaison entre la partie processeur et la partie programmation de la carte, je n'ai laissé que SBWTDIO, SBWTCK et 3V3. Ils doivent être connectés lorsque l'on programme la carte. Et dans ce cas, l'alimentation du processeur doit être déconnectée de la carte analogique afin d'éviter un conflit dans les alimentations.

En fonctionnement normal, l'alimentation du processeur est fournie par la carte analogique (et sa batterie) et les signaux SBWTDIO, SBWTCK et 3V3 doivent être déconnectés.

Câblage final

Vue des périphériques (carte analogique, FDTI232, clavier)

PériphériqueProcesseur PériphériqueProcesseur
DETECT1P3.7 (TB0)DETECT1P3.3 (PBCLK)
Clavier 1P2.1Clavier 2P2.2
Clavier 3P2.3Clavier 4P2.4
Clavier 5P2.5Clavier 6P2.6
Clavier 7P2.7
Sleep (FTDI232)P3.2Rx (FTDI232)P4.2 (Tx)
Tx (FTDI32)P4.3 (Rx)
AL_LEDP8.4AL_BUZP8.5
EN_LEDP8.6EN_BUZP8.7
BatEnP9.1BatVoltP9.0

Vue du processeur

DETECT1
ProcesseurPériphérique ProcesseurPériphérique
P2.1Clavier 1P2.2Clavier 2
P2.3Clavier 3P2.4Clavier 4
P2.5Clavier 5P2.6Clavier 6
P2.7Clavier 7P3.2Sleep (FTDI232)
P3.3DETECT1P3.7
P4.2 TxRx (FTDI232)P4.3 RxTx (FTDI32)
P9.1BatEnP9.0BatVolt
P8.4AL_LEDP8.5AL_BUZ
P8.6EN_LEDP8.7EN_BUZ

img
intérieur du compteur