Introduction

J’ai développé au cours du temps plusieurs compteurs Geiger-Muller en cherchant à obtenir une autonomie de plusieurs années de fonctionnement avec affichage permanent.

PC-GM10 est la première réalisation « semi-industrielle » d’un tel compteur. Il reprend certaines des recettes les plus intéressantes des précédentes versions en termes d'ergonomie et de consommation.

À cette date (2026/06), il s’agit d’un projet pour lequel j’envisage de réaliser un circuit imprimé.

Spécifications fonctionnelles

Généralités

Le compteur Geiger-Muller PC-GM10 est un appareil permettant de mesurer la radioactivité détectée par un tube Geiger-Muller.

L’accent a été mis sur une très grande autonomie (plusieurs années) qui dépend de la capacité de la source d’énergie (pile lithium, pile alcaline, batterie Li-Ion).

Le compteur affiche la radioactivité et d’autres informations sur un afficheur LCD à segment QFY2968.

Clavier

L’interface de commande se fait via un clavier 12 touches ou via un logiciel sur PC lorsque le compteur est relié à un ordinateur en USB.

Le clavier utilisé dans le prototype est un modèle standard à membrane de faible coût numéroté de 0 à 9 + deux symboles (*, #).

Un clavier avec des symboles plus adaptés pourrait se présenter ainsi (mais à ce stade, pas prévu du fait du coût) :

Des touches du clavier permettent :

• De choisir un affichage en CPM ou µSievert (CPM/µSv).
• De connaitre la dernière valeur maximum de la détection (maximum).
• De connaitre la valeur moyenne du comptage sur 24H glissante en CPM (moyenne).
• De mettre en fonction ou arrêter la signalisation d’une détection par LED (signal LED).
• De mettre en fonction ou arrêter la signalisation d’une détection par buzzer (signal buzzer).
• D’activer une signalisation d’alarme (voir ci-après) par LED ou buzzer (alarme LED / Alarme buzzer).
• De régler un seuil d’alarme en CPM.
• D’avoir le niveau de tension exact de la pile (tension batterie).

Lorsque le seuil d’alarme est atteint :

• Une partie de l’affichage clignote en permanence.
• Si l’activation d’alarme par LED est activée, une LED blanche est allumée et s’éteint automatiquement au bout d’une vingtaine de secondes.
• Si l’activation d’alarme par buzzer est activée, le buzzer émet un signal sonore intermittent permanent pendant une vingtaine de secondes.
• Les alarmes en cours de signalisation peuvent être désactivée en appuyant sur une touche du clavier.

Afficheur

Les chiffres principaux affichent en permanence la valeur de comptage en CPM (comptage par minute glissante) ou en microsieverts selon le paramétrage.

Les chiffres secondaires (3 digits) affichent en permanence la moyenne du comptage en CPM sur 24 heures glissantes.

Le symbole « antenne » indique que le compteur est connecté à un ordinateur en USB.

Un bargraph permet d’avoir une visualisation graphique de l’évolution de la radioactivité.

Le symbole de la batterie donne une estimation de la valeur de la tension. Celle-ci dépend de la source et est paramétrée à la génération du logiciel.

D’autres éléments de l’afficheur sont disponibles pour d’autres fonctions non encore définies à ce jour.

Spécifications de conception

Schéma électronique

Schéma en cours de conception pour donner une idée. Il est incompet et peut comporter des erreurs.

Processeur et carte STM32L476

Le processeur utilisé est un STM32L476VET6 (famille STM32L4 basse consommation, ici, 100 broches (LQFP100)). Avec son petit frère (64 broches), sur un programme de complexité similaire à celui d'un compteur Geiger-Muller, j'obtiens une consommation de 16µA avec affichage permanent.

Survol du schéma

• Vdd est la tension d'alimentation du processeur et du double monostable via un régulateur MCP1700.
• Vcc est une alimentation directe à partir de la source interne ou de l'USB d'autres parties de l'appareil (buzzer, LED, génération de tension par le module Imex...
• Vss est la masse commune (GND)
• +Batt est le plus de l'alimentation interne (pile, batterie...).
• +5V vient de VBus (USB) lorsque l'appareil est branché sur une prise USB.
• Un connecteur 3 broches permet de brancher la pile ou la batterie sur 2 des broches. La troisième qui vient de Vbus de l'USB permet de fournir du 5V à un éventuel chargeur de batterie (si utilisation de batteries dans l'appareil).
• Un emplacement est prévu pour souder une pile type Saft 14500 filaire (voir chapitre suivant)
• Un connecteur 2 broches permet de récupérer le Vcc.
• Une commutation permet de couper l'alimentation interne lorsque l'appareil est branché sur une prise USB (Q1 et Q2).

L’afficheur utilise 32 pins dont 8 COM et est directement piloté par le STM32L4.

La tension de la pile ou de la batterie est mesurée par l'entrée VBat du microcontrôleur via un diviseur de tension commandé par le signal ENBAT envoyé sur la base du BC807 (Q8).

Les communications avec un ordinateur utilisent l'USB2.0 du microcontrôleur et se font en asynchrone sur USB via une prise USB-C.

Lorsque le compteur est alimenté en USB, un signal (USBACTIF) est envoyé au processeur por l'autoriser à communiquer.

Un double monostable (U2) permet de générer des signaux de largeur constante pour déclencher un son et/ou l'allumage ponctuel d'une LED. Ce déclenchement est généré par la détection d'une particule (DETECT1) sous réserve que le processeur autorise la génération d'un son et/ou d'un allumage de la LED (EN_BUZ et EN_LED). Le processeur peut lui aussi piloter directement le buzzer pour signaler une alarme (AL_BUZ). Il peut également allumer une LED pour les mêmes raisons (AL_LED).

Q4, Q5, Q6, Q7 permettent de gérer les alimentations du buzzer ou des LED.

Le connecteur J8 permet le branchement d'un clavier à membrane de 3x4.

Le connecteur J7 est la prise JTAG.

Le connecteur J9 sert à gérer le boot0 du processeur. Valeur normale : cavalier entre le point milieu et la masse.

Un bouton Reset est présent.

Le signal du tube Geiger-Muller est récupéré sur la cathode et passe par un NMOS (Q3) protégé sur sa porte (gate) par une diode zener 5,1V.

Sources d'alimentation

On part du principe que la source d’énergie interne typique utilise 3 piles (Alcaline) de 1,5V en série soit 4,5V ou une pile lithium de 3,6V~3,7V (l’appareil fonctionne avec une source d’énergie de 3,3V à 5V). On peut remplacer ces éléments par une batterie LIPO au prix d'une baisse de l'autonomie (à cause du courant d'autodécharge de la batterie) :

• Le plus de l'alimentation (piles, batterie...) est branché sur la source d’un PMOS (Q1). Son drain est relié au drain d’un autre PMOS (Q2). Les portes sont reliées ensembles à la masse via une résistance de 100kohms ou plus et sont également reliées au +5V de l’USB (FTDI232).
• Le +5V de l’USB est donc relié aux portes des PMOS et à l’anode d’une diode (1N4001). La cathode de la diode est reliée à la source de Q2.
• La tension délivrée par ce montage est de l’ordre de (3,6V à 4,5V ou légèrement moins) à 4,5V (via l’USB). Cette tension est injectée dans un circuit LDO type MCP1700 (consommation à vide de 1,6µA) pour produire le 3,3V (Vdd) qui alimente le microcontrôleur et le circuit CD4538 . Elle est également injectée en direct (sans régulation) au générateur haute-tension et à d’autres parties du montage (buzzer, LED de signalisation).

L'alimentation du contrôleur du LCD utilise directement le VDD filtré par un condensateur de 1µF. C'est une nouveauté par rapport à mes réalisations précédentes où j'utilisais la pompe de charge interne du microcontrôleur. Normalement, je devrais gagner 1,5µA en consommation par rapport à mes projets précédents.

Le montage comporte trois prises en lien avec l'alimentation :

• j10 est une prise 3 broches. L'une (2) est pour la masse, une autre (3) pour l'entrée de la tension délivrée par la pile ou une batterie, la dernière (1) délivre la tension provenant de l'USB (+5V) qui peut permettre d'alimenter un module de chargeur de batterie intégré avec une batterie pour recharger cette dernière lorsque le compteur est branchée sur l'USB. Il existe des modules tout fait comportant un support pour une batterie Li-Ion associé un chargeur de batterie. En cas d'alimentation par pile, cette sortie n'est pas utilisée.
• J8 est une sortie qui délivre la tension non régulée provenant soit de l'USB, soit de la pile ou de la batterie (tension ente 3,7V et 5V environ). Elle peut permettre d'alimenter un autre module si quelqu'un veut bricoler.
• j11 et j12 permettent de souder une pile type Saft 14500 qui délivre 3,6V~3,7V et dont le courant d'autodécharge quasi nul et la technologie utilisée autorise une durée de vie qui va bien au dela de 10ans.
  Les fils de la piles se soudent sur un trou métalisée de J12 (pour le pôle négatif) et de J11 (pour le pôle positif). J11 dispose de deux pins permettant de mettre un cavalier. Si le cavalier est présent, la pile alimente le montage. S'il est absent, la pile est isolée du montage.
  Ce cavalier doit être retiré lors du soudage de la pile afin de ne pas créer des suites de marche-arrêt lors du soudage. Une fois la pile soudée, on peut mettre le cavalier.
  Etant donné les très faibles courants mis en jeu, il est conseillé de prendre des connecteurs dorés pour J11. Une autre solution est de faire un pont de soudure sur JP1. Dans ce cas, le cavalier doit rester en place durant la création du pont de soudure. Une fois créé, on peut (ou pas) le retirer.

Il n'y a pas de sortie régulée 3,3V accessible. Celle-ci est disponible en sortie du MCP1700 mais est très limité en courant (environ 100mA maximum). C'est largement au delà de la consommation moyenne visée (50µA) sur cette ligne d'alimentation mais mieux vaut ne pas trop jouer avec.

Il n'y a pas de protection contre les court-circuits.

Indicateurs visuels et auditifs

En plus de l’afficheur LCD, l’appareil dispose d’un indicateur sonore (BUZ1) et de deux indicateurs visuels (LED VERTE-LED BLANCHE). L’utilisation de ces indicateurs est paramétrable (au clavier ou via un logiciel sous Windows).

Paramétrages :

• Alarme sonore active si dépassement d’un certain seuil de radioactivité : AL_BUZ actif.
• Signalement sonore de détection d’une particule : EN_BUZ actif.
• Alarme visuelle active (LED_BLANCHE) : AL_LED actif.
• Signalement visuel de détection d’une particule (LED_VERTE) : EN_LED actif.

On note que les signalements sonores et visuels ne font pas intervenir le processeur (hors paramétrage initial).

Communication en USB

Le compteur peut être raccordé en USB à un ordinateur et peut communiquer avec le logiciel GeigerPC sous Windows.

Tube Geiger-Muller

Le tube Geiger-Muller utilisé est par défaut un SBM20 russe ou son équivalent chinois J305. On peut utiliser n’importe quel tube fonctionnant sous une tension similaire (400V) comme par exemple, le tube américain LND712 utilisé sur le Gamma Scout. Le circuit imprimé est prévu pour accepter un SBM20.

Génération haute-tension

La génération aute-tension est confiée aux remarquables générateur Imex (consommation entre 7µA et 10µA selon modèle. Mes mesures donnent plutôt 5µA) que j'utilise depuis des années sans jamais avoir eu d'ennuis.

Il existe deux modèles :

• Le IMEX-38-56-1 (environ 40€ en 2026) pour lequel j'ai fait une traduction de la documentation. C'est le modèle que j'utilise habituellement. Il peut générer une tension entre environ 400V et 550V. Il convient donc parfaitement pour le tube SMB20 (400V) et sa taille est raisonnable (36mm x 23mm x 6mm).
• Le PK-HVg-22A9 (environ 25€ en 2026) qui est une nouvelle version très miniaturisée du modèle précédent (18mm x 11mm x 3,5mm) et qui ne délivre qu'une tension fixe de 400V et ne dispose pas de la résistance habituelle de 4,7Mohms.

Le circuit imprimé prévu accepte les deux modules.

Consommation et autonomie

Consommation

La consommation moyenne visée en régime normal (radioactivité de l’ordre de 20 impulsions par minute (bruit de fond en Bretagne avec un SBM20) et sans signalisation (buzzer et LED) est de l’ordre de 50µA. Le bilan énergétique théorique de la consommation montre que l’on pourrait descendre aux alentours de 25µA. La consommation maximum peut monter jusqu’à 5 ou 6mA lorsque le buzzer est actif.

Mon record en matière de consommation est obtenu par la première version de la série de compteurs basse-consommation que j’ai réalisé à savoir PC-GM3 (autonomie théorique de près de 10 ans avec une pile de 2,4A.h) mais il a moins de fonctionnalités que les autres (pas de mémorisation du comptage), ne se réveille que toutes les 10 secondes, et utilise une astuce que je n’ai pas réutilisé par la suite.

Concernant PC-GM10 avec une consommation de 50µA, voici deux illustrations de l'autonomie que l'on peut viser :

• Avec 3 piles AA 1,5V de 1,5A.h, on peut viser une autonomie de 3,4 ans en fonctionnement permanent avec la consommation visée, voire deux fois plus avec la consommation calculée.
• Avec une pile lithium de 3,7V, 2,4A.h, on peut viser une autonomie de 5,4 ans en fonctionnement permanent (même remarque que précédemment).

Mais voir ci-après pour d'autres précisions.

Piles, accus...

Pour l'alimentation, faut-il choisir des piles alcaline, une pile lithium ou une batterie LI-ION ?

Les piles alcalines AA sont peu coûteuses et facile à trouver. Leur principal inconvénient est l'encombrement, une autodécharge et une capacité plus limitée (entre 1800 et 2700mA.h) que les autres sources à encombrement égal . Pour limiter l'encombrement, on peut utiliser des piles AAA mais leur capacité (1200mA.h pour les meilleures en 2026) est évidemment encore plus faible que les piles AA. D'un autre côté, comme ces piles ont un courant d'autodécharge, sacrifier l'autonomie théorique face au vieillissement réel et naturel de la pile n'est pas forcément un vrai problème.

Les piles lithium de 3,6V au format AA (par exemple, SAFT 14500, SL-360/S) ont une capacité de 2400mA.h, une quasi absence de courant d'autodécharge donc une très importante longévité (largement supérieure à 10 ans) et ont un encombrement réduit (format AA). C'est un très bon choix pour un prix à peine plus élevé que 3 piles alcalines. Par contre, elles sont plus rares.

Les batteries LI-ION de 3,7V comme la 18650 ont une taille de 18mmx65mm soit un peu plus qu'une pile AA, peuvent avoir des capacités élevées (2400 à 3500mA.h voire plus) mais ont un courant d'autodécharge. C'est le choix (sous un autre format plus plat) que j'avais adopté pour mes précédent compteurs qui disposaient donc d'un chargeur de batterie. Je n'ai pas retenu cette solution pour PC-GM10 à cause du courant d'autodécharge. Le schéma ne comporte donc plus le chargeur de batterie. Ceci-dit, si la solution avec ce type de batterie est retenue, un accumulateur avec son module chargeur prend beaucoup moins de place que 3 piles alcalines.

Réalisation

Circuit-imprimé

Le circuit imprimé prévu pour la réalisation avec composants CMS et traversants. Ses dimensions sont d'environ 149mm sur 81mm

Boitier

A venir

Il est prévu la réalisation d'un boitier en impression 3D.

Logiciel

A venir

Plutôt qu'un paramétrage, j'ai prévu deux versions de logiciel selon que le montage est alimenté en 3,6~3,7V (pile ou batterie Li-Ion) ou 4,5V (piles alcalines). La seule différence entre ces deux version est lié à l'évolution de la tension en fonction de la décharge et à l'affichage du nombre de barres sur le symbole qui représente une pile.

Le source du logiciel et son exécutables sont disponibles en téléchargement.

L'environnement de développement est celui proposé par ST (STM32cubeIDE et STM32CubeMX).

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A venir

juin 2026