Em um
artigo anterior, mostrei um pouco no meu trabalho um radiômetro de cintilação caseiro. O dispositivo interessou ao público e, em conexão com isso, sai este artigo descrevendo o radiômetro por dentro.
O que é e por quê
A grande maioria dos dosímetros e radiômetros de bolso são instrumentos baseados em um contador Geiger. Esse tipo de detector tem suas vantagens, entre as quais a simplicidade e o baixo custo, mas também uma série de desvantagens. Antes de tudo, essa é uma eficiência muito baixa do registro de raios gama e uma completa falta de informações sobre sua energia. Um contador Geiger captura apenas um raio gama de várias centenas, enquanto um detector de cintilação de baixa energia fornece quase 100% de eficiência. Como resultado, com um fundo natural com as mesmas dimensões dos detectores, quando o contador Geiger fornece apenas 10 a 15 pulsos por minuto, o cintilador fornece o mesmo número de pulsos, mas
por segundo . Assim, para se ter pelo menos uma idéia da taxa de dose, precisamos gastar pelo menos um minuto em um conjunto de pulsos com um contador Geiger e, com um cintilador, podemos receber informações sobre a situação da radiação a cada segundo. Portanto, o detector de cintilação nos dá, antes de tudo, a velocidade de reação a fontes fracas de radioatividade.
Além disso, o detector de cintilação tem a propriedade de proporcionalidade. Quanto maior a energia das partículas, maior a amplitude do pulso na saída do detector. Para que é isso? Primeiro, é assim que obtemos informações sobre qual é a fonte de radiação. Cada isótopo radioativo possui sua própria energia característica de radiação gama (ou um conjunto de energias). O método de espectrometria gama é baseado nisso. Neste dispositivo, a energia absorvida média por quantum será exibida na tela (ainda não concluída).
Em segundo lugar, se simplesmente contarmos impulsos sem levar em conta a energia, obteremos uma coisa desagradável chamada "um movimento com rigidez". Suponha que calibramos nosso radiômetro de césio-137. E então eles estavam em um lugar infectado com amerício 241. A energia do quantum de césio-137 é 667 keV, América - 59 keV, ou seja, mais do que uma ordem de magnitude menor. Portanto, com o mesmo número de partículas capturadas pelo detector (e, portanto, com as mesmas leituras do dispositivo), a dose absorvida será maior que uma ordem de magnitude menor. Ou seja, as medições serão errôneas. E para que o radiômetro possa medir a dose corretamente em diferentes energias (isto é, um
dosímetro ), a energia de cada quantum registrado deve ser levada em consideração.
Os radiômetros-dosímetros de cintilação portáteis estão no mercado há muito tempo. Mas, na maioria das vezes, esses são dispositivos muito caros para uso profissional. Conheço apenas um dispositivo, orientado para uso doméstico e amador - este é o Atom Fast fabricado pela KB Radar. O restante - dispositivos Polimaster, várias empresas estrangeiras - são muito caros.
Neste dispositivo, queria obter o seguinte:
- Trabalho autônomo sem referência a um smartphone ou outro dispositivo com seu próprio monitor (diferente do Atom Fast);
- Tente fazer compensação de energia;
- Registro automático de medições em mídia removível, em perspectiva com referência cartográfica;
- Aparência cultural, não dando origem caseira a todos os tipos de cães de caça e vigias.
Como resultado, o dispositivo descrito foi obtido. Ainda não está concluído, ainda há trabalho suficiente, especialmente com software.
Funções principais
O radiômetro opera em um dos dois modos: busca e medição. No modo de pesquisa, as leituras do dispositivo são atualizadas a cada segundo, enquanto, além das leituras em formato digital, elas são exibidas em um gráfico. No modo de busca, nenhuma atenção é dada aos erros; nesse modo, o dispositivo é principalmente um indicador. A tela exibe: taxa de dose atual, taxa de contagem em pulsos por segundo (CPS), bem como a taxa de dose média no último minuto e a dose integral acumulada depois que o dispositivo foi ligado ou após uma redefinição. No modo de medição, pelo contrário, o tempo de medição é definido pelo operador (pressionando o botão “Enter” para iniciar e finalizar a medição), e o erro calculado é exibido na tela junto com o valor medido, e um mini-diário dos últimos é exibido em seu “porão”. medições. Além disso, no modo de medição, foi feita a primeira tentativa de levar em consideração a energia dos quanta e compensar o “golpe com rigidez”. O modo de medição está em construção profunda e ainda não está na versão de firmware especificada.
Independentemente do modo, o segundo segundo ciclo de medições continua, com os resultados sendo salvos na RAM. Em particular, devido a isso, ao alternar para o modo de pesquisa, o gráfico exibe as leituras que ocorreram durante a permanência do dispositivo no modo de medição, bem como ao entrar no menu, etc. Independentemente do modo, o alarme para exceder os limites também funciona.
Existem três limites no último. O primeiro e o segundo tradicionais - são definidos através do menu a pedido do operador e, quando acionados pelos resultados do segundo segundo ciclo de contagem, um sinal sonoro é emitido. Além deles, há também um limiar adaptável. É definido automaticamente em um nível médio por minuto, com um, dois ou três sigma (você pode selecionar nas configurações) a partir dele. Se uma operação nesse limite ocorrer no próximo ciclo, o valor do ciclo anterior será obtido no próximo ciclo, de modo que, com um aumento lento mas constante da radiação, um alarme estável seja alcançado. Posteriormente, um log de alarmes será implementado, mas até agora não é.
Ainda não foi implementado para salvar os resultados da medição em um cartão microSD, cujo conector está montado na placa do radiômetro. Também fornece a conexão de um módulo GPS, cuja utilização também é uma questão de futuro.
Os modos de comutação e alteração rápida de algumas configurações são feitas através das "teclas de atalho", o restante das operações - usando o menu. Entrar no menu, como já mencionado, não interrompe o processo de medição.
Plano geral do dispositivo
O radiômetro é montado em um estojo Gainta G1389G padrão de Chip-and-Dip medindo 122x77x25 mm. No painel superior, há um visor LCD colorido de 3,5 "com resolução de 480x320 pixels. O módulo HMI Nextion NX4832T035 é usado como um monitor, que difere dos monitores convencionais por seu próprio microcontrolador, que contém um programa pronto para exibir elementos da interface, mas precisamos enviar comandos para exibi-los, removê-los ou alterá-los - por exemplo, altere um ou outro dígito, desenhe outro ponto no gráfico ou mude a cor de uma ou outra inscrição.No visor, há um teclado de cinco botões. Ainda há espaço para o receptor GNSS e um detector de cintilação está localizado na extremidade superior.
Os números vermelhos indicam: 1 - módulo de exibição, 2 - teclado, 3 - detector, 4 - placa analógica, 6 - placa do sistema.
O circuito eletrônico do dispositivo (sem contar a tela e o receptor de navegação, além do teclado) é montado em duas placas de circuito impresso. No primeiro, a parte analógica do dispositivo é montada, no segundo - tudo o resto: um microcontrolador com uma cinta, um circuito de potência e sua comutação, carregamento de bateria e uma fonte de alta tensão para o detector.
Detector
Um cristal de cintilação ativado por tálio de iodeto de césio é usado como detector no radiômetro. Este cristal tem a propriedade de radioluminescência - partículas carregadas e fótons de alta energia (raios X e gama gama) excitam um brilho nele, e a luz é emitida na forma de um curto, de um microssegundo, flash de luz - cintilação. Esse flash é muito fraco para ser visto com os olhos ou detectado da maneira usual. Fotocélulas, fotodiodos e fotorresistores são insensíveis demais para isso. Para avaliar a escala do desastre, citarei as seguintes figuras.
Um raio gama com uma energia de 1 MeV, completamente absorvido em um cristal CsI (Tl), gera aproximadamente 40.000 fótons de luz verde. Vamos tentar capturar essa luz com um fotodiodo. Suponha que todos eles usem um fotodiodo (na verdade, isso é irreal e bom se apenas metade deles entrar nele). E digamos que temos um fotodiodo ideal, com uma saída quântica de 100%. Isso significa que cada um dos fótons criará um par de elétrons-orifícios na estrutura do fotodiodo. E no momento temos 40.000 fotoelétrons. E esse pulso dura, como sabemos, 1 μs. Então, em um segundo, teremos 4 × 10
10 fotoelétrons. A carga de elétrons é de 1,6 ∙ 10
-19 C, e a carga de 4 ∙ 10
10 fotoelétrons é de 6,4 ∙ 10
-9 C, ou seja, a força atual que o flash de cintilação causará em nosso fotodiodo é apenas alguns nanoamp! E se você se lembrar que nem todos os fótons também atingem o fotodiodo, e seu rendimento quântico não é 100% ... E além disso, o megaelétron-volt é a energia de radiação gama bastante dura, e seria bom ver energias muito mais baixas. Em geral, os fotodiodos praticamente não são adequados para nós aqui. Pelo contrário, eles são adequados - mas com grande dificuldade.
Normalmente, multiplicadores fotoeletrônicos eram usados (e agora são usados) para capturar pulsos fracos de luz. Neles, cada fotoelétron eliminado do fotocatodo se multiplica no sistema dínodo, dando um ganho de milhões de vezes, e o pulso atual em seu ânodo não é mais nano, mas miliamperes, e registrar esse pulso não é mais difícil. Mas os PMTs são um cilindro de vidro frágil de tamanho sólido, são kilovolts de potência, que além disso exigem alta estabilidade. Em geral, é mal representado em um dispositivo de bolso.
Felizmente, agora estão disponíveis fotodetectores semicondutores que podem competir em sensibilidade com os PMTs. Quem disse que fotodiodos de avalanches? Sim, são quase eles. Somente os diodos de avalanche, embora possuam amplificação interna da fotocorrente devido à multiplicação de portadoras de avalanche, apresentam vários problemas tecnológicos que não permitem criar uma área sensível com um diâmetro de pelo menos alguns milímetros. Além disso, o diodo clássico de avalanche possui um coeficiente de amplificação de avalanche sem truques complexos de apenas 10-200, o que é minúsculo em comparação com a característica de amplificação de um milhão de vezes da PMT. Todas essas desvantagens do fotodiodo de avalanche são eliminadas no recente surgimento no mercado do Si-PMT ou SiPM. Eles são essencialmente uma matriz de muitos fotodiodos de avalanches que operam no modo de pré-quebra, nos quais um único fóton é capaz de provocar o desenvolvimento da quebra de avalanches. Este modo é semelhante ao funcionamento do contador Geiger. Cada uma das células tem seu próprio esquema de apagamento, devido ao qual a avalanche termina imediatamente e a célula se torna novamente pronta para registrar um novo fóton. Todas as células (com seus esquemas de extinção) são conectadas paralelamente a um cristal Si-PMT, e os pulsos de corrente que passam por elas são somados, de modo que a corrente média é proporcional à iluminação do cristal. E é muito simples usar esse PMT de silício - basta aplicar uma polarização reversa a ele - cerca de 28-29 V através de um resistor de vários quilo-ohms, dos quais o sinal pode ser obtido. Nada mais é necessário - nem uma fonte de energia de kilovolt, nem um divisor para dínodos. E o Si-PMT em si é um pequeno quadrado de silício medindo 3x3 ou 6x6 mm. A propósito, se você remover o viés reverso dele ou abaixá-lo para alguns volts, ele funcionará como um fotodiodo comum.
Portanto, nosso detector usa Si-PMTs e um cristal CsI (Tl), entre os quais uma camada de lubrificante óptico é aplicada para eliminar o espaço de ar entre o cristal e a janela do fotodetector. E no topo do cristal e o Si-PMT são cobertos com muitas camadas de uma fina película fluoroplástica, conhecida como fita FUM. Este revestimento tem uma refletância difusa muito alta. O detector é coberto com fita de alumínio na parte superior, fornecendo proteção contra luz e vedação externas - o cristal de iodeto de césio é extremamente facilmente solúvel em água e os menores traços de umidade que entram no detector o destruiriam. Felizmente, diferentemente de seu "parente" - iodeto de sódio, o CsI praticamente não tem a propriedade da higroscopicidade - ou seja, não atrai a umidade do ar. Os cristais de iodeto de sódio devem ser processados apenas em um gás inerte absolutamente seco e colocados em recipientes com alta vedação, como se fosse necessário criar um vácuo ultra-alto neles, e no ar comum eles apenas se desfocam diante dos nossos olhos. E vice-versa, o iodeto de césio na forma de cristais únicos pode ser facilmente tratado no ar (por exemplo, serrado com uma serra comum para metal e lixado com uma pele), evitando apenas vestígios de água líquida e lembrando que o cristal contém tálio extremamente tóxico. No entanto, devido à pequena quantidade, a toxicidade aguda (mas não crônica) será determinada pelo iodo, não pelo tálio.
Não darei conselhos sobre a fabricação própria do detector, uma vez que não lidei com ele (o detector acabado foi gentilmente fornecido pelo desenvolvedor e fabricante
KBRadar em troca de alguns artefatos valiosos para os engenheiros eletrônicos), apenas darei seus parâmetros. São eles: o tamanho do cristal é 8x8x50 mm, e o Si-PMT MicroFC 30035 da empresa irlandesa SensL (agora é a divisão On Semi) como fotodetector. Uma variedade de dicas de fabricação pode ser encontrada online. Com um ligeiro aumento no tamanho, você pode tirar um cristal CsI (Tl) ou NaI (Tl) padrão em uma embalagem “nativa” de tamanhos pequenos (10x40, 18x30 mm, etc.). No entanto, quanto maior o tamanho da janela de saída, pior será o fotodetector com um tamanho de 3x3 mm, por isso recomendo que você use um MicroFC 60035 maior (e muito mais caro) com o diâmetro da janela de saída maior. A propósito, os análogos da Broadcom desses fotodetectores não são recomendado usar. Além da carcaça (WLCSP-16), que é completamente indigesta para solda doméstica, eles também apresentam um nível de ruído quase mais alto.
Os cristais de CsI (Tl) foram processados como se segue. Em todas as amostras, a superfície lateral foi emaranhada. A retificação das extremidades foi realizada primeiro em uma lixa fina e depois em um pano de seda. Para melhor moagem, foi utilizado óxido de cério diluído em álcool etílico. Quando a transparência do vidro de retificação foi alcançada. Se fosse necessário reduzir o cristal a grandes espessuras, era simplesmente serrado com um fio embebido em água. Em seguida, o processamento foi realizado na mesma sequência.
(Gorbunov V.I., Kuleshov V.K. Sobre a questão de escolher os tamanhos ideais de cintiladores para defectoscopia de produtos // Izv. Tomsk Polytechnic Institute. 1965. V.138. S.42-48.)
Parte analógica
Seu esquema é mostrado na figura acima. Consiste nos seguintes nós principais:
- Circuito de entrada;
- Comparador;
- Detector de pico.
O detector está conectado ao conector de entrada XP1. O cátodo Si-PMT - para o pino 3 (HV), o ânodo - para o pino 1 (DET) e para o pino 2 (GND) a tela metálica do detector está conectada - seu invólucro é feito de fita adesiva de alumínio.
O circuito de entrada consiste na resistência de carga do detector R2 e na resistência limitadora de corrente R1, que tentará proteger o detector em caso de problemas, como fornecer acidentalmente uma tensão de polarização reversa muito alta ou fornecer incorretamente uma tensão de polaridade reversa, se o próprio detector não estiver conectado corretamente. Juntamente com a capacitância de um PMT de silício (aproximadamente 900 pF), eles formam pulsos de tensão com um tempo de subida de cerca de 1 μs e um tempo de queda de cerca de 15 μs. Antes de aplicar à entrada do comparador, o sinal é passado através de um capacitor de 470 pF, que desacopla o circuito por corrente contínua e, juntamente com a resistência de entrada do divisor R3R5R6, reduz o pulso para 2-3 μs.
Um microcircuito LMV7239 foi usado como um comparador, combinando baixo consumo de energia com velocidade bastante alta (<100 ns) em baixas tensões de entrada diferenciais. O divisor de tensão R3R5R6, juntamente com o circuito de integração R4C3, formam uma tensão limiar "flutuante", tornando o comparador um pouco insensível à corrente escura do detector e alterações na corrente de entrada com a temperatura. A sensibilidade do comparador é controlada pela seleção da resistência R5 na faixa de várias dezenas de Ohms. Um pulso retangular de polaridade negativa é formado na saída do comparador. A borda de fuga desse pulso pode tremer levemente devido ao ruído do detector, mas uma tentativa de se livrar desse ressalto introduzindo a histerese levou a uma diminuição da sensibilidade e, em geral, a resultados piores. Esse pulso ativa o detector de pico e é alimentado na parte digital, onde gera uma interrupção do microcontrolador.
Um disparo único no timer integrado DA2 (LMC555CM, de fato - um timer 555 convencional, apenas na versão CMOS) gera um pulso (polaridade positiva) de duração de 10 μs na borda principal do pulso na saída do comparador (especificado pela cadeia de tempo R7C6). Esse pulso é invertido usando DD1 (um único inversor TinyLogic no pacote SOT23-5) e fornecido à chave DD2, que reduz o capacitor C12 do detector de pico na ausência de pulsos de entrada. No momento da chegada do pulso, o curto-circuito é removido pelos 10 μs indicados.
O detector de pico é construído de acordo com o circuito clássico não inversor. , . , DA2.1 , , ( ). , , , . , ! - , , . , C12.
, , (, , , ). C9. R8 , ( – DA2 ). , , , .
, . , – , . , ( ) , 10 , 1206, NP0 .
DA2 , , , R9 R10.
TRIG 2-4 10 , , SP. 10 , , TRIG «» , ( ) .
Para operação, o circuito requer duas tensões de alimentação: 3,3 - 5 V para operação do circuito e tensão "alta" de 28-29 V para polarizar o detector. O consumo atual é de cerca de 2,5 mA. De acordo com o circuito de “alta tensão”, o consumo de corrente depende da carga do detector e, nos níveis de radiação de fundo, são vários microampes. É montado em uma placa de circuito impresso com um tamanho de 64x22 mm usando montagem em superfície.Após a montagem, tudo deve funcionar imediatamente, mas ao verificar, é necessário lembrar que a saída TRIG é uma saída comparadora de alta velocidade e é capaz de gerar interferência poderosa. Por causa deles, quando conectado (por exemplo, a um osciloscópio) com um longo condutor sem blindagem, tudo ficará excitado. Pelo mesmo motivo, na minha versão desenvolvida do quadro, há uma captação desse sinal para o sinal TRIG na forma de um "toque" de alta frequência. Ao montar o dispositivo acabado, a placa deve ser conectada à placa do sistema com um pacote de comprimento mínimo no qual as linhas TRIG e SP são blindadas separadamente, por exemplo, usando um pano de níquel adesivo aterrado a um fio comum.Placa-mãe
Os seguintes nós principais estão localizados nele:- Fontes de alimentação e seu circuito de comutação, incluindo circuito de carregamento de bateria;
- O microcontrolador e tudo o que você precisa para o seu trabalho;
- Circuitos auxiliares para teclado, tela, cartão SD, etc.
O esquema de energia (peço desculpas imediatamente por não levar os demais esquemas aos padrões e retirados diretamente da Eagle) é mostrado na figura abaixo.
O dispositivo é alimentado por uma bateria de íon-lítio de célula única conectada ao conector X1. Eu usei uma bateria de polímero de lítio "Robiton" a 2,3 Ah *, em princípio, qualquer bateria de smartphones etc. a uma capacidade semelhante. No DA1, um carregador para ele é construído, funcionando a partir de uma porta USB. Aqui, sem nenhum recurso, tudo na folha de dados do LTC4054-4.2. A corrente de carga pode ser aumentada de 350 para 700 mA atraindo a menor de acordo com o circuito de saída do resistor R4 para o fio comum usando a porta MK. Isso é necessário para não exceder os 500 mA permitidos da porta USB e, ao mesmo tempo, permitir que a bateria carregue mais rapidamente se o dispositivo estiver conectado a um adaptador de rede. Usando o DA2, o MK descobre que a bateria está descarregada e desliga o dispositivo, e o divisor R5R6C3 permite medir a tensão nele (conectada a uma das entradas analógicas do MK).A linha DA1 CHRG permite que o MK controle o estado do carregador de acordo com um algoritmo complicado: quando não há carga, ele tem zero, uma unidade aparece no processo de carga que é facilmente atraída a zero e, quando totalmente carregada, deixa de ser atraída e permanece como uma carga de vários quilogramas. No lugar de DA1, além do LTC4054-4.2 original caro, também é aplicável seu clone do ST - STC4054. Eu o aviso contra o uso do LTC4054 chinês com o Aliexpress: eles não funcionam de forma alguma ou não funcionam como deveriam, acabando com a bateria e criando uma ameaça de explosão. Foi por isso que me recusei a usar o TP4056 "popular": o original não é produzido há muito tempo e é impossível obtê-lo, mas os clones não têm uma pré-carga, então a propagação de tensão de 4,2 V é quase um volt, a proteção térmica é desenraizada ... Em geral ,a única cópia que normalmente funciona deste microcircuito que tenho é em um pequeno lenço para carregar o lítio que comprei uma vez. Mas é uma pena: ela tem uma indicação mais simples dos modos, e a corrente de carga máxima é maior, e o resfriamento através do SO-8 com o abdômen é melhor do que através dos terminais SOT-23-5.O circuito VT1VD1R7 desconecta a carga da bateria e alterna para a energia da porta USB quando a tensão aparece nela, para não interferir no DA1 para manter adequadamente o modo de carga e detectar seu fim.Em seguida, vêm os conversores para obter as tensões de alimentação corretas. O microcircuito DA3 aumenta a voltagem da bateria para 5 V, o monitor é alimentado por eles, o que aumenta o conversor para obter 28 V para o detector e através do estabilizador linear - uma placa analógica. O MK pode pagar todos esses consumidores definindo zero na linha POWER_ON. O visor é apagado separadamente pelo interruptor DA6.DA5. DC-DC LM2731. MT3608, 28-29 (, 28 , ). , (R12R13) 50-60 , C20, ( !). R11 FB ( 3 DA5) ( ). . . , .
Em vez do DA3, como a prática demonstrou, você pode instalar um comutador semelhante ao DA6 com correção da placa (portanto, não é necessário um estrangulamento e um diodo, além de dois resistores R9 e R10). Isso tornará o dispositivo um pouco mais econômico. Em seguida, o estabilizador DA4 precisa ser instalado não em 3,3 V, mas em 3,0, para que a fonte de alimentação analógica seja estabilizada em toda a faixa de descarga da bateria.O conversor DA7 funciona o tempo todo, inclusive quando o dispositivo está desligado, fornecendo um MK de 3,3 V. No modo inativo, consome apenas algumas dezenas de μA, de modo que o dispositivo desligado quase não descarrega uma bateria de 2,3 Ah. Infelizmente, o STM32L151 não possui uma entrada separada para alimentar o RTC, motivo pelo qual tive que tomar essa decisão (ou teria que complicar a troca).
E este é o restante do circuito da placa do sistema.
O coração do sistema é o MK STM32L151CBT6A (ao contrário do analógico sem índice A, ele tem o dobro da memória RAM - 32 kB). Quase todas as 48 descobertas dele estavam envolvidas. As exceções foram PA9 e PA10, elas também são RxD e TxD do primeiro USART, caso eu tenha feito almofadas de contato para elas, que são fáceis de soldar no futuro. Entre os recursos, há um sistema um pouco complicado para determinar o estado da saída do CHRG DA1 com a inclusão de um suspensor do PB14, quando você precisa determinar se a bateria está carregando ou já foi carregada, e o tweeter está conectado em fase através do inversor DD2. Meu erro é mostrado no diagrama: quando o MK é alternado para o modo STANDBY, a entrada deste inversor fica suspensa no ar, o que leva a um consumo adicional significativo e até a geração. Aqui você precisa puxar essa entrada para o solo através de um resistor de 100 quilos. Você deve prestar atenção à qualidade dos ressonadores de quartzo, especialmente o ZQ1. Com o relógio de quartzo padrão de 12 pF, o relógio do controlador não funcionará normalmente, você precisará procurar um quartzo escasso com capacidade de carga de 7 pF. Para o ZQ2, o MK é mais fiel, mas com o primeiro quartzo chinês encontrado, aqui você pode perceber a falta de início ou trabalhar com a frequência errada. Infelizmente, a linha STM32Lxx (é ela) é muito exigente quanto à qualidade do quartzo.
O teclado é conectado de maneira bastante padrão - as linhas de portas são puxadas pelos resistores externos R17-R21 para a energia e pressionadas no chão com os botões. Na placa do teclado para suprimir a vibração, as correntes RC são soldadas em paralelo com os botões. Quando você pressiona o botão On (Ligar) usando o inversor DD3, é gerado um sinal de alto nível, que é alimentado na entrada WKUP e ativa o MK se estiver no estado STANDBY. Para impedir a ligação acidental de interferências, a cadeia R22C23 está instalada. As linhas do teclado são conectadas a linhas de porta consecutivas, o que permite a leitura em um único comando de leitura de porta.
Um cartão microSD está conectado no modo SPI devido à ausência de um controlador SDIO neste MK. A porta USB é conectada da maneira mais simples através de dois resistores nas linhas DP e DM. Os próprios STM32 MKs são bastante "carvalhos" em termos de estática e não haverá outras comunicações externas (exceto o firmware SWD) para o radiômetro, portanto, você não pode proteger seriamente as portas contra sobretensões.
O circuito de potência do MK é retirado de uma folha de dados e não possui nenhum recurso. Ao ajustar o indutor L6, adicionei sequencialmente um resistor de 100 ohm, o que reduziu bastante as flutuações de tensão no VDDA. A capacitância do C30 pode ser aumentada para 1 μF soldando em paralelo a ele (nos mesmos locais) outro capacitor em 0,01 μF.
Quando a energia é aplicada, a fonte de 3,3 V imediatamente começa a funcionar, gerando energia para o MK. Outras fontes de energia estão desligadas. Após iniciar o MC e inicializar os periféricos, ele eleva a linha POWER_ON (porta PA15), iniciando a fonte de 5 V e fornecendo energia à parte analógica e à fonte de alta tensão. Para ligar a energia da tela, é necessário elevar a linha DISP_ON (PA8), da mesma forma, para ativar o módulo de navegação por satélite, a linha GPS_EN (PA1) é elevada, mas, diferentemente da tela, não há um interruptor especial para isso, a entrada de controle de energia do próprio receptor é usada (deveria). O visor apaga-se quando o dispositivo está operando apenas removendo a energia dele.
Os pulsos de contagem (TRIG) do bloco analógico são enviados para a linha PB0, causando interrupção na borda descendente. Os pulsos que transportam informações sobre a energia das partículas (SP) são alimentados no 21º canal do ADC. A duração da “prateleira” desse pulso, durante a qual o nível permanece inalterado, é quase 10 μs, o que permite fazer várias conversões ADC após o MC “acordar” e entrar na interrupção. O resistor R34 remove o "toque".
A placa-mãe tem um tamanho de 64x80 mm e foi projetada para instalar a maioria dos resistores e capacitores do tamanho 0603. A maioria dos elementos está instalada em um lado, exceto três capacitores no circuito de fonte de alimentação do MK e dois resistores que formam o divisor de tensão da bateria para medi-lo.
Dicas de montagem e comissionamento
A placa analógica começa a funcionar imediatamente se montada sem erros. Na versão original, não havia elementos R8 e C9 na placa, sem eles o circuito funcionava perfeitamente no gerador, mas a amplitude do pulso na saída SP era aleatória e independente da amplitude do pulso na entrada. A introdução desses elementos corrigiu a situação.
Se a parte analógica do dispositivo estiver excitada, haverá apenas um problema: proteger a linha TRIG e minimizar o comprimento do cabo de conexão. A conexão com o detector também deve ser mais curta e protegida.
O R5 deve ser selecionado pela passagem confiável de pulsos fornecidos pelo detector com o medicamento americium-241 na ausência de uma reação do comparador ao ruído escuro do Si-PMT na temperatura máxima de operação.
A placa analógica deve ser cuidadosamente lavada e afastada do menor traço de fluxo, especialmente na área do detector de pico, e deve estar bem seca e depois aquecida a 150 ° C. A resistência de isolamento, mesmo em gigabytes, piorará bastante seu trabalho e o tornará instável.
Comece a construir a placa do sistema a partir de fontes de energia. Primeiro, colete uma fonte de 3,3 V e verifique se está funcionando. Então - uma fonte de 5 V (sem esquecer de conectar temporariamente o POWER_ON ao barramento de + 3,3 V) e depois uma de alta tensão. Antes de ligá-lo pela primeira vez, defina R13 para a posição superior no diagrama e não solde C20 até que a tensão esteja ajustada. Defina a voltagem para 28 V. Na fonte de alta voltagem, verifique se o carregador funciona corretamente monitorando a voltagem da bateria durante o carregamento. Após verificar o desempenho e a voltagem correta em todos os barramentos de energia, você pode soldar o MK e todos os detalhes relacionados a ele. Para verificar o MK, é aconselhável escrever e piscar alguns Blink nele. Não se esqueça de piscar e exibir.
O processo de calibração será descrito na próxima edição.
* * *
Esta é apenas a primeira parte do artigo. O segundo descreve a parte do software e o procedimento de calibração. Enquanto isso, para quem não pode esperar -
folhetos .
Arquivos Eagle com diagramas de circuitos e layouts de PCB, bem como a versão estável atual do firmware e da tela MK,
podem ser baixados do Google Drive neste link. Somente o modo de pesquisa funciona neste firmware e o modelo atual no lugar do menu. Ainda não estou pronto para definir um firmware mais funcional.
Observe: as designações posicionais no circuito da placa analógica na figura no artigo e no projeto Eagle não coincidem, também não há elementos R8 e C9 (de acordo com o diagrama do artigo) que eu instalei com um bisturi em uma placa já pronta.
A fiação das placas é projetada para a fabricação em fábrica, para LUT, etc. terá que ser reciclado (dói muitas vias). Sim, eu tenho algumas placas prontas. Se alguém precisar, escreva em um acordo pessoal.