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CHOUR - Compteur Geiger Muller très faible consommation PC-GM8

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Appareil : Compteur Geiger Muller/Geiger Muller counter (EN COURS DE REALISATION)
Date : 2017
Type : PC-GM8
Marque : Chour
Principaux constituants : Tube SBM20 ou LND712, processeur Texas-Instrument famille MSP430, module haute tension IMEX
Principale caractéristique : consommation moyenne de l'ordre de xx~xxµA / Average power consumption arround xx~xxµA.

Introduction

Hormis le Gamma-Scout, la plupart des compteurs Geiger du marché (en 2013), 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-GM6 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-GM8 présenté sur cette page est (encore) une nouvelle version de PC-GM. A ce jour, il est en cours de réalisation.

Présentation du compteur basse consommation PC-GM8

Comme ses prédécesseurs, PC-GM8 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

Plusieurs versions existent avec de légères variations. Celle présentée ci-dessous est la dernière. Par rapport aux précédentes, elle est moins large (environ 54mm contre 63mm) ce qui facilite l'intégration dans certains boitiers. De plus, elle propose le câblage d'un contacteur rotatif avec poussoir. Par contre, elle a quelques connecteurs de moins et ne propose que le signal SLEEP pour détecter l'alimentation du compteur en USB.

Les circuits imprimés sont fournis pour information. Les schémas ont été testés sur platine d'essais.

Les autres versions sont présentées à la fin de cette page.

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

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img Circuit imprimé, variante

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

Vous trouverez ci-dessous des photos des modules utilisés.

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FTDI232 et chargeur LIPO (cliquer pour agrandir)

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Module HT IMEX et sa documentation

Alimentation basse et haute tension

L’alimentation se fait via une batterie LIPO. La charge de cette batterie se fait en USB lorsque le module FTI232 est connecté en USB. Le module FTDI232 est connecté au chargeur LIPO qui contrôle la charge.

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.

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 3.6V (batterie chargée) à près de 5V (batterie en charge).

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 ».

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 ou LND712.

On peut aussi utiliser DETECT2 (même signal mais avec une résistance en série de 15k).

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

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

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.

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

la table de vérité pour la commande du buzzer et de la LED est la suivante :

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

img a venir
Intérieur du compteur, partie analogique.

Partie 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 !

Après quelques errements avec diverses pompes à dessouder qui se sont révélées peu efficaces, j'ai utilisé la méthode suivante :

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MSPEXP430FR4133, vue de dessous, connecteur retiré.

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MSPEXP430FR4133 vue de dessus avant d'avoir retiré les pins du connecteur.

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MSPEXP430FR4133 vue de dessus après avoir retiré les pins du connecteur.

Il faut également retirer les barettes d'alimentation (J6), JP1 que vous pourrez couper (non utilisé dans ce compteur) et par la suite, la barettes J101 que vous ressoudrer sur la face arrière.

Autres versions de schémas et de circuits imprimés

Différences par rapport à la version présentée ci-avant :

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

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img Circuit imprimé

Dans la variante ci-dessous, le module FTDI232 déborde de la carte. C'est pratique lorsque le boitier est un peu étroit et que les passages de vis de fixation des coques empêchent de positionner le circuit sur le bord du boitier. Par contre, l'encombrement de la carte est plus long d'environ 15mm...

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img Circuit imprimé, variante