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 (2026/07), 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 (*, #).

Il est possible de recouvrir la membrane d'origine par une autre plus "parlante" ou de faire un clavier sur mesure (mais à ce stade, pas prévu du fait du coût) :

Des touches du clavier permettent :

• De connaitre la dernière valeur maximum de la détection.
• De connaitre la valeur moyenne du comptage sur 24H glissante en CPM.
• 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'allumer le rétroéclairage de l'afficheur.
• De paramétrer d'autres fonctions comme le choix d'en CPM ou µSievert (CPM/µSv) ou le niveau de tension exact de la batterie par exemple.

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 est allumée périodiquement 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 (sirène) 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.

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

• +Batt est le plus de l'alimentation interne (pile par la suite).
• +5V vient de VBus (USB) lorsque l'appareil est branché sur une prise USB.
• Vcc est soit la tension produite par la pile, soit celle fournie par l'USB (+5V). Elle alimente les parties de l'appareil qui n'ont pas besoin d'une tension régulée (génération de la haute tension par exemple).
• Vdd est la tension d'alimentation régulée et stabilisée via un régulateur MCP1700. Elle alimente l'essentiel de l'électronique. Elle est issue de Vcc.
• GND / Vss est la masse commune.

On a donc : [+5V ] ou [+BATT] -> Vcc -> Vdd. Le [+5V ] est prioritaire sur le [+BATT]. En d'autres termes, lorsqu'une prise USB est branchée (et fournit du 5V), la pile est déconnectée. Lorsque l'USB est débranchée, la pile est (re)connectée. La commutation automatique entre [+5V] et [+BATT] est faite via Q1 et Q2

La source d'alimentation interne peut être soudée sur le circuit imprimé (pile type Saft 14500 filaire par exemple) ou mise dans un support adapté (pile type Saft 14500 format AA ou bloc de 3 piles de 1,5VAA par exemple).

Un point de connexion est prévu pour fournir le +5V de l'USB à un chargeur externe au montage si la source est une batterie LIPO. Par contre, il n'y a pas de chargeur de batterie intégré au compteur.

Un interrupteur d'urgence est accessible pour couper complètement l'alimentation interne. Cet interrupteur n'est normalement jamais utilisé. L'idée est qu'en cas de dysfonctionnement pouvant entrainer une alarme sonore permanente, il soit possible de couper l'alimentation sans démonter l'appareil.

L’afficheur utilise 32 pins dont 8 COM et est directement piloté par le STM32L476.

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 d'un BC807 (Q6).

Les communications avec un ordinateur utilisent un module USB à base de CP2102 qui permet de récupérer un signal asynchrone sur USB lui-même connecté à des broches RX/TX du microcontrôleur.

Lorsque le compteur est alimenté en USB, un signal (USBACTIF) est envoyé au processeur pour l'autoriser à initialiser les communications (TX/RX). Lorsque ce signal disparait, le processeur coupe TX/RX (broches correspondantes en mode ANALGOG)

Le connecteur J9 permet le branchement d'un clavier à membrane de 3x4.

Le connecteur J8 est la prise JTAG.

Le connecteur J10 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.

Un signal logique (3,3V) peut être généré par le compteur pour déclencher un équipement externe (sirène...) en cas d'alarme. La sortie se fait sur une broche dédiée de la prise JTAG.

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.
• 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. Elle est également injectée en direct (sans régulation) au générateur haute-tension et à d’autres parties du montage.

L'alimentation du contrôleur du LCD utilise directement le Vdd filtré par un condensateur de 1µF et 100nF (donc pas d'utilisation de la pompe de charge interne du microcontrôleur pour gagner 1 à 1,5µA en consommation).

Le montage comporte plusieurs points permettant de souder l'alimentation interne. j5 et j6 permettent de souder les fils de l'alimentation externe. Le circuit imprimé permet de souder directement 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 delà de 10ans (à souder sur J11 (+) et J12 (-)).

Lorsqu'on soude les fils de la pile ou batterie, il est conseillé de couper l'alimentation du montage avec l'interrupteur SW1.

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 (Buzzer piezo passif) et de deux indicateurs visuels (LED). 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 (BUZ1 et BUZ2 génèrent un signal PWM en mode complémentaire. La fréquence variable du signal donne un son de sirène).
• Signalement sonore de détection d’une particule (BUZ1 et BUZ2 génèrent un signal PWM en mode complémentaire .Un Tic correspond à un signal à 1000Hz sur une courte durée).
• Alarme visuelle active (LED sur le signal LED_ALARM).
• Signalement visuel de détection d’une particule (LED sur le signal LED_TIC).

Communication en USB

Le compteur peut être raccordé en USB à un ordinateur et peut communiquer avec le logiciel GeigerPC sous Windows. A noter que le logiciel peut lui-même déclencher une alarme sonore avec des sons variés..

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/J305.

Génération haute-tension

La génération haute-tension est confiée aux remarquables générateurs 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 ou P3-HVg-210813 (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.
• Note1 : en septembre 2026, le PK-HVg-22A9 n'était plus proposé par le vendeur.
• Note2 : le vendeur se trouve sur ebay. Faire une recherche avec le mot clé Impexeris.

Le circuit imprimé prévu accepte les deux modules.

Prise JTAG

La prise JTAG est disponible via un connecteur 6 broches de type SB7-PH-K-S de chez JST. Il est évidemment utilisé pour la mise au point mais aussi, pour le téléchargement du programme et de ses mises à jour via une sonde ST-LINK.

La prise comporte les signaux suivants :

• GND : obligatoire.
• JTAG_5V : pour fournir une alimentation. Facultatif mais conseillé. Voir note ci après.
• SWDIO : obligatoire.
• SWDLK : obligatoire.
• NRST : facultatif mais conseillé.
• AL_SIG : ce n'est pas un signal JTAG mais une sortie qui signale que le compteur a détecté une alarme (dépassement d'un seuil de nombre de particule par minute paramétrable). Eventuellement, à utiliser (avec GND) pour commander quelque chose (0V = pas d'alarme, 3,3V = alarme. Résistance de sortie = 10 kohms).

Note sur JTAG_5V : Les sondes JTAG ST_LINK V2 peuvent délivrer du 5V. Pour alimenter le compteur avec la prise JTAG, il faut connecter JTAG_5V au 5V de la sonde.

Cette alimentation est compatible avec la présence ou non d'une pile et/ou d'une connexion USB sur le port d'entrées-sorties. Il n'y a donc pas de risque à l'utiliser même si le compteur est alimenté par ailleurs. On doit la supprimer si l'on veut tester à part la commutation entre pile et alimentation par USB (ou JTAG).

Le fait d'alimenter le compteur par la prise JTAG ne déclenche pas la détection d'alimentation par USB (USBACTIF). Pour déclencher ce signal, il faut effectivement brancher une prise USB reliée à un port USB délivrant du 5V.

Pour une mise a jour du logiciel, il est conseillé d'alimenter le compteur par JTAG_5V : ça évite de consommer sur la pile pendant la mise à jour.

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 quelques mA en pointe lorsque le buzzer et les LED sont actifs simultanément.

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 (voir schéma PC-GM3).

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, voire deux fois plus avec la consommation calculée.

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 152mm sur 80mm

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).

Chargement

A venir

juin 2026- juillet 2026