Emulador de contador Geiger do módulo GGreg20_V3 por meio de ESP8266 (parte 1 de 3)

Bem-vindo ao nosso guia sobre a construção de um emulador de contador Geiger de hardware-software do módulo GGreg20_V3 baseado em ESP8266 Este emulador pode ser útil para testar e ajustar contadores Geiger ou para fins educacionais. Vamos começar!

Atualizado: Ao escrever este artigo, decidimos fazer um produto comercial separado – o emulador de contador Geiger GCemu20_V1 .

Parte 1: Introdução e visão geral

Sabe-se que o módulo Espressif ESP8266 possui um gerador de números aleatórios de altíssima qualidade. Não encontramos nenhum detalhe oficial sobre a implementação real deste gerador, por isso propomos a leitura do material sobre o assunto, publicado por um radioamador e salvo na Internet:

https://web.archive.org/web/20170321162556/http://esp8266-re.foogod.com/wiki/Random_Number_Generator

Dois conceitos diferentes com o mesmo nome são usados no texto. Historicamente, há um módulo de hardware NodeMCU no mercado, bem como firmware de software NodeMCU.

O firmware NodeMCU é um microprograma compilável de código aberto que pode ser gravado em módulos de hardware com o controlador ESP8266 da Espressif. Um dos muitos produtos baseados no controlador ESP8266 é o módulo de hardware NodeMCU.

Assim, o firmware do NodeMCU pode ser gravado no módulo de hardware do NodeMCU. Mais adiante neste artigo tentaremos, se possível, esclarecer o que significa o nome NodeMCU: módulo ou firmware.

Para que serve um emulador de contador Geiger

Antes de prosseguir para criar um emulador de contador Geiger, é necessário considerar para que e quem pode precisar de tal dispositivo de hardware-software.

A ideia principal de qualquer emulador no campo da eletrônica DIY é usar temporariamente, em determinados estágios, um componente substituto virtual em vez de um módulo real no processo de desenvolvimento de dispositivos IoT ou experimentando / aprendendo a reproduzir o funcionamento e as características de um real dispositivo com alta precisão. O emulador deve simplificar e acelerar o desenvolvimento, além de agregar comodidade nos estágios iniciais de um projeto planejado ou na realização de testes de unidade.

Abaixo apresentamos algumas teses explicando nossos motivos para desenvolver o emulador do módulo contador Geiger GGreg20_V3.

1. Sem alta tensão

O emulador GGreg20_V3, ao contrário do módulo real, não possui alta tensão na placa, por isso é muito conveniente usá-lo ao desenvolver na mesa sem medo de eletrocussão acidental.

Ao mesmo tempo, em termos de interface elétrica dos pulsos de saída, o emulador é um módulo sensor de radiação completamente semelhante, gerando pulsos aleatórios da mesma forma e duração que o GGreg20_V3 genuíno.

2. Processo de aprendizagem simplificado

O emulador do contador Geiger é adequado para instituições educacionais. O instrutor pode aprofundar gradativamente as aulas práticas com os alunos.

Primeiro, todas as aulas podem ser realizadas usando emuladores de contador Geiger seguros e baratos e, em seguida, com módulos reais com tubos Geiger e alta tensão no lado do tubo. Assim como no Exército: a familiarização e o treinamento são feitos primeiro com cartuchos vazios e só depois com cartuchos reais.

O emulador reproduz totalmente os resultados do módulo GGreg20_V3 real, portanto não há problema de número insuficiente de módulos reais na sala de aula: cada aluno pode trabalhar com seu módulo de forma independente e concluir o processo de aprendizado sem dividir em grupos ou filas, como costuma acontecer acontece quando os recursos de dispositivos de treinamento e suportes no laboratório são limitados.

3. Menor custo

O emulador tem um custo menor que o módulo GGreg20_V3 real, por isso é conveniente usá-lo principalmente para depurar e harmonizar o circuito ou software do sistema que está sendo projetado ou estudado.

A depuração de uma bancada de teste ou de um projeto com tal emulador pode ser realizada sem a necessidade de pessoal especialmente qualificado.

Se os emuladores forem usados pelos alunos, o professor não precisará controlar o trabalho com os dispositivos, como seria necessário fazer com o módulo contador Geiger real.

Os emuladores de baixo custo podem ser adquiridos em grandes quantidades e entregues aos alunos durante os estudos, não apenas pelo tempo de trabalho no laboratório da escola.

4. Nenhuma fonte real de radiação é necessária

Quando trabalhamos com um GGreg20_V3 real, precisamos de uma verdadeira fonte de radiação para reproduzir as diversas situações que precisam ser consideradas no software do sistema de medição que está sendo projetado ou testado. Para comprar uma fonte de radiação de teste, o radioamador deve primeiro resolver uma série de problemas:

• determinar por parâmetros físicos e químicos qual fonte é necessária;
• encontrar um fornecedor e comprar uma fonte de teste;
• alguns países exigem notificação alfandegária e uma licença de importação;
• a fonte de teste só pode ter uma certa potência;
• você deve armazenar e descartar adequadamente a fonte radioativa;
• o preço da fonte de radiação e seu sistema de armazenamento excede muitas vezes o preço do contador Geiger.

Com o emulador, nenhum desses problemas ocorrerá. O dispositivo pode simular 5 modos diferentes de potência de radiação ionizante. O emulador do contador Geiger gera pulsos de saída semelhantes aos do módulo GGreg20_V3 real na faixa de 0 a 1,5 µSv/h (tomando o tubo SBM-20 como referência semelhante). Na saída são gerados pulsos caóticos (usando um verdadeiro gerador de números aleatórios ESP8266) da mesma amplitude com um período total de pulso de 10 microssegundos cada.

5. O recurso do emulador não pode ser esgotado

O tubo SBM-20, instalado no GGreg20_V3, possui um recurso relativamente grande, mas ainda limitado, de partículas, que pode detectar durante sua vida útil.

O recurso do tubo SBM-20 declarado na documentação é de pelo menos 2*1010 pulsos.

Nota 1 . Com uma radiação de fundo de 0,15 μSv/h com um coeficiente de 0,0057, o tubo SBM-20 detecta cerca de 27 pulsos por minuto.

Assim, em condições normais, o recurso do tubo será suficiente para 2*1010 / (27 * 60 * 24) = 20 000 000 000 / (26 * 60 * 24) = 514403 dias. E parece que esta é uma vida útil suficiente de um tubo.

Uma imagem completamente diferente é observada quando se trata de operar um tubo com uma fonte de teste de radiação.

Aqui está um exemplo:

Em seu site, a Images Scientific Instruments fornece uma lista dos limites de radiação permitidos para importação para fontes de teste:

https://www.imagesco.com/geiger/radioactive-sources-int.html

Vamos pegar duas fontes da lista no link:

1. Co-60 1,00 uCi, 37000 Bq;
2. Cs-137 0,25 uCi, 9250 Bq;

Se assumirmos que, sob a influência de tal fonte de teste, metade das partículas de decaimentos radioativos entram no tubo Geiger SBM-20, então a vida útil de tal tubo seria:

1. 20 000 000 000 / (37000 / 2 * 60 * 60 * 24) = 12 dias (para Co-60);
2. 20 000 000 000 / (9250 / 2 * 60 * 60 * 24) = 50 dias (para Cs-137).

Como você pode ver, se quisermos experimentar (ou testar nossos dispositivos que incluem um contador Geiger) em um tubo real, então esgotamos seu recurso disponível com uma verdadeira fonte de radiação rapidamente.

Não existe esse problema com o emulador. Usar o emulador primeiro em vez do tubo é economicamente viável.

6. Dados de depuração no UART

O emulador do módulo GGreg20_V3 emite dados operacionais (pulsos, tempo, contagens, ciclos, etc.) com as medições de seu sistema testado ou desenvolvido.

Os módulos contadores GGreg20_V3 genuínos e módulos similares de outros fabricantes não têm e não podem ter esse recurso integrado.

Nota 2 . Para conectar ao console UART, o módulo ESP12.OLED , no qual o emulador é baseado, tem linhas de interface UART conduzidas separadamente (furos de passo de 2,54 mm para solda) no PCB. Para conectar o emulador ao computador, o usuário também precisa ter seu próprio conversor USB-UART.

Mais adiante no texto, o diagrama de conexão será fornecido.