CHOUR - Compteur Geiger Muller très faible consommation PC-GM5

Appareil : Compteur Geiger Muller/Geiger Muller counter
Date : 2013-2016
Type : PC-GM5
Marque : Chour
Principaux constituants : Tube SBM20, processeur Texas-Instrument famille MSP430, module haute tension IMEX
Principale caractéristique : consommation moyenne d'environ 30µA / Average power consumption around 30µA.
Logiciel : page de téléchargement/Downloading page.

English version : 

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 :

• le générateur haute-tension est souvent mal conçu et énergivore. Pourtant, il existe des schémas sur le net proposant des générateurs annonçant des consommations de l'ordre de quelques µA. On trouve même des montages tout faits annonçant entre 0,5µA et 25µA.
• le microprocesseur n'est pas très performant du point de vue de gestion de la consommation. Mais là aussi, il existe des processeurs réputés dans ce domaine, en particulier, chez Texas Instrument.
• la façon dont est utilisé le microprocesseur n'est pas optimale. Une erreur courante semble-t-il consiste à déléguer la tâche de comptage à un logiciel qui s'exécute sur le microprocesseur. Cela l'oblige, soit à être en fonctionnement permanent, soit à être en veille et à être réveillé à chaque fois qu'il y a une impulsion.
   
  La solution la plus évidente pour éviter ce problème est d'utiliser un compteur du processeur (ce qui est le cas dans cette réalisation) et de relever ce compteur périodiquement (toute les secondes, toutes les 10 secondes...).
   
  Mais parfois, cette option ne permet pas de profiter des modes de veilles les plus performants en termes de consommation. PC-GM3 et PC-GM4 apportent une autre solution (élégante) à ce cas de figure pour une consommation de l'ordre de 2µA.

Présentation du compteur basse consommation

Le montage présenté ici est une version simplifiée de PC-GM3. Curieusement, malgré la simplification, ce compteur consomme un peu plus que PC-GM3 : de l'ordre de 30µA.

Avec une batterie de 2400 mA.h, cette consommations permettent de viser une autonomie de plus de 9 ans sans rechargement, non compris l'éventuel courant de décharge de la batterie. Pour atteindre ces performances, j'ai utilisé les éléments suivants :

• un générateur HT IMEX-38-56-1 tout fait dont la consommation nominale est donnée pour 0,5 à 10 µA sous 3,3V pour 400V générés.



• un microprocesseur MSP430F449 de Texas Instrument (carte de développement Olimex MSP430F449-STK2), acheté une vingtaine d’euros et qui gère un afficheur bien adapté pour ce type d’application



• un tube geiger-muller Russe SBM20.

Ce compteur mémorise donc le nombre d'impulsions dans un certain intervalle de temps. Toutes les secondes, le processeur qui est normalement en veille (mode 3) se réveille, fait quelques vérifications (gestion du clavier, connexion USB...) et repasse en veille. Toutes les 10 secondes, le processeur lit son compteur, fait ses traitements statistiques, vérifie les conditions d'alarme et s'il n'y a pas d'alarme, repasse rn veille. En cas d'alarme, la périodicité de relève passe à une seconde.

Ce compteur comporte également :

• un module de chargement de la batterie.
• un module de communication USB-série TTL
• un buzzer déconnectable permettant d'entendre les « tic » lorsque le tube détecte une particule.

Un petit point sur l'alimentation : le processeur fonctionne en 3,6V max. Plus la tension est faible, moins il consomme. Le générateur HT fonctionne de 2,5V à 5V. La batterie LIPO fournit 3,7V. En charge, la tension peut monter jusqu'à 4,2V. Pour abaisser la tension pour le processeur, j'ai d'abord utilisé 2 diodes silicium en série puis finalement, je me suis décidé pour un régulateur MCP1702 dont la consommation au repos est à peine mesurable (2µA d'après la documentation).

Pour en savoir plus sur les fonctionnalités prévues, jetez un oeil sur les spécifications fonctionnelles (les mêmes que PC-GM3).

Le schéma de la partie analogique

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

La sortie du générateur haute tension est raccordé au plus du tube Geiger-Muller. Le moins du tube est relié à la masse. La détection du signal se fait par l'anode. Lorsque le tube détecte une particule, un pic de tension apparait aux bornes de C4. Ce pic est amplifié par le darlington formé par T1 et T2 (dans mon cas, j'ai utilisé des BC549C car c'est ce que j'avais en stock mais les BC547 à 548 doivent convenir également).

Sur le collecteur de T1/T2, le potentiel positif via R4 tombe alors à 0V puis revient au potentiel positif lorsque l'impulsion a disparue.

Le bip est généré par un buzzer 1kHz (BUZ1) déconnectable alimenté en continu sous 3V. Une variante avec un buzzer piezzo est présenté plus loin (plus simple et consomme moins mais fait moins de bruit).

Le signal est envoyée via D3/D4 au processeur (SIG). Pour plus de précisions sur D3/D4 et C7/C6, voir le paragraphe sur les conseils de réalisation.

Vext est raccordé au port P2.2 du processeur. Il permet de déterminer si une alimentation externe est connectée ou non. R5 et R6 forment un pont diviseur permettant de ramener le 5V à environ 3V. La diode Zener D1 permet de limiter la tension à 3,3V au cas où l'alimentation externe déliverait plus de 5V.
Attention : j'ai eu la mauvaise surprise de constater que les signaux RX et TX du processeur suffisaient pour alimenter le module de conversion RS232. Le résultat est que l'on trouve du 3,3V sur Vcc alors que l'USB a été retiré. Si vous utilisez un circuit comme le FT232R, il existe une pin nommée Sleep (Cbus4) qui signale la présence d'une tension sur l'USB. Utilisez plutôt cette sortie pour signaler la présence ou non d'une alimentation externe.

Tx et RX du module USB sont raccordés à UTXD0 et URXD0 (P2.5 et P2.4) du processeur et servent aux communications entre le compteur et un PC. Ne pas oublier de configurer le module USB pour que RX et TX fonctionnent en 3,3V et pas 5V. Dans ma version, le signal Sleep est connecté à l'entrée Vext.

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

Je considère que le module Olimex MSP430f449STK2 a un bug de conception qui ne permet pas, en pratique, d'utiliser le bargraph. En effet, les pattes de l'afficheur qui correspondent aux segments du bargraph sont reliées entre elles ce qui fait que lorsqu'on programme l'allumage d'un segment du bargraph, on en allume obligatoirement 3. Il est possible de corriger ce bug de la façon suivante :

• Dessoudez ou coupez les pattes 42 et 35 de l'afficheur.
• Dessoudes les résistances R9 et R10 de 0 ohms.
• Au niveau du PCB, reliez entre eux le 42 avec 40 et 35 avec 37. Ainsi, le bargraph de l'afficheur est commandé par S0, S1 et S3.

En faisant cela, vous supprimez l'affichage des symboles "µmHF" et des flèches qui ne sont pas vraiment utiles pour le compteur. Par contre, vous disposez d'un bargraph qui permet de visualiser le taux de comptage, à la manière d'un galvanomètre analogique.

Le programme du compteur propose donc deux versions. Une ou le bargraph est utilisé comme un simple indicateur d'alerte (PCB non modifié) et ou les flèches clignotent au rythme du réveil du processeur, l'autre ou le bargraph est utilisé comme indicateur de taux de comptage. Les flèches ne sont plus utilisées.

Les indications sur cette modifications sont présentées ci-après.

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

Conseils de réalisation

Intérieur du compteur, partie analogique.

Rien de particulier à dire sur la partie analogique. Cependant, faites attention à ne pas utiliser de fils insuffisamment isolés pour raccorder la haute tension au tube. Comme les fils utilisés en électronique sont rarement isolés à 400~500V, faites en sorte qu'ils ne soient pas trop proches l'un de l'autre ni qu'ils passent trop près d'autres conducteurs.

Faites en sorte que la batterie soit déconnectable. Lors des tests, cela permet de faire fonctionner les platines numérique (processeur) et analogique (comptage) indépendamment et de limiter le risque d'une erreur de manipulation qui mettrait la batterie en danger.

Intérieur du compteur.

Pour la platine Olimex, il faut dessouder le connecteur 9 broches pour gagner en hauteur. Il faut aussi dessouder le connecteur d'alimentation et souder un fil d'alimentation avec un connecteur volant que l'on reliera à la platine d'alimentation du compteur.

Si vous souhaitez modifier la platine Olimex pour permettre l'utilisation du bargraph, voici comment je vous suggère de procéder :

• Dessoudez les résistances 0 ohms avec un fer muni d'une pointe fine (il n'y a pas beaucoup de place). Il suffit de chauffer une extrémité pour que la chaleur se propage à l'ensemble du corps et dessoude la résistance. Faites levier avec un petit tournevis pour faciliter l'opération. Attention de pas toucher l'afficheur avec le fer à souder
• Pour les pattes 42 et 35, je vous conseille de les couper sur l'afficheur en premier puis de les dessouder. Au début, je dessoudais avant puis je tirais la patte. Problème, une fois, la chaleur propagée par les pattes a légèrement fendu l'afficheur et détruit un groupe de segment. Ensuite seulement, dessoudez les deux pattes
• Pour les straps, j'utilise du fil fin isolé destiné au wrapping

Indépendamment des connexions d'alimentation, mettez en place une masse fixe qui relie l'ensemble des éléments. Ainsi, pour les tests, vous pouvez utiliser l'alimentation du compteur pour la partie analogique et l'alimentation de la prise JTAG pour le processeur.

Le chargeur LIPO utilisé à une résistance de consigne qui fixe la charge à 1A ce qui est beaucoup trop. Mettez une résistance de l'ordre de 4,7K.

 

Note sur D3/D4, C7/C6 et BUZ1 : l'utilisation d'un buzzer a eu une conséquence désagréable. Le signal sur le collecteur de T1/T2 subit des oscillations que je n'ai pas pu complètement supprimer et qui entraînent des erreurs de comptage.

Signal lorsque le buzzer est déconnecté

Signal lorsque le buzzer est connecté (début du signal. Echelle = 5µS/div)

D3/D4 et C7/C6 améliorent la situation. A noter que la valeur de C7 dépend du buzzer que vous utilisez. Lorsqu'elle est connectée via SW (qui connecte aussi le buzzer), la largeur de la courbe est sensiblement similaire à celle où le buzzer n'est pas connecté.

 

Si vous disposez d'un buzzer piezzo, l'utilisation de D3/D4 et C7 ne se justifie plus. La courbe ci-après montre le signal lorsque le buzzer piezzo est actif. Je n'ai pas utilisé cette solution parce que le son n'était pas assez puissant avec les modèles de buzzer piezzo dont je disposais.

Signal avec buzzer Piezzo

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

Logiciel

Le programme est développé en utilisant IAR workbench. Il est nécessaire de disposer d'une sonde JTAG pour charger le programme dans la carte de développement Olimex. Vous pouvez télécharger le logiciel sur la page de téléchargement.

2013-2016

Récapitulatif des différences avec PC-GM3

Les principales différences sont liées au schéma et sont les suivantes :

• PC-GM3 utilise un circuit RTC PCF8583 accessible en I2C pour compter les impulsions plutôt qu'un compteur du processeur. J'ai initialement procédé ainsi parce que je craignais que l'utilisation du compteur du processeur ne fonctionne pas en mode "basse consommation". En pratique, sur le processeur MSP430, les compteurs peuvent être utilisés en mode LPM3, ce qui est fait ici, sans que la consommation s'en ressente trop. Néanmoins, si vous utilisez un autre processeur ne disposant pas de compteur en mode basse consommation, le schéma (et le programme en guise d'inspiration) des compteurs PC-GM3/4 vous intéressera.
• PC-GM3 utilise un 555 pour générer le son sur le buzzer ce qui permet d'éviter le problème de parasitage du signal évoqué précédemment. Par contre, la consommation augment un peu lorsque le buzzer est actif.
• La détection se fait par l'anode du tube et non plus par la cathode. Bien que beaucoup de schémas utilisent la détection par la cathode, on (les fabricants, certains experts) considèrent qu'il est préférable de mettre la cathode directement à la masse ce qui impose de faire la détection au niveau de l'anode. Intuitivement, le fait de mettre la cathode à la masse semble en effet plus propre.
• Malgré une complexité plus grande, la consommation de PC-GM3 est légèrement inférieure à PC-GM5.