Trình giả lập bộ đếm Geiger của Mô-đun GGreg20_V3 bằng ESP8266 (Phần 1/3)

Chào mừng bạn đến với hướng dẫn của chúng tôi về cách xây dựng trình giả lập bộ đếm Geiger phần cứng-phần mềm của mô-đun GGreg20_V3 dựa trên ESP8266 Trình giả lập này có thể hữu ích để kiểm tra và điều chỉnh bộ đếm Geiger hoặc cho mục đích giáo dục. Bắt đầu nào!

Đã cập nhật: Khi viết bài viết này, chúng tôi đã quyết định tạo một sản phẩm thương mại riêng – trình giả lập bộ đếm Geiger GCEmu20_V1 .

Phần 1: Giới thiệu và Tổng quan

Được biết, mô-đun Espressif ESP8266 có bộ tạo số ngẫu nhiên chất lượng rất cao. Chúng tôi không thể tìm thấy bất kỳ chi tiết chính thức nào về việc triển khai thực tế trình tạo này, vì vậy chúng tôi đề xuất đọc tài liệu về chủ đề này, được xuất bản bởi một đài phát thanh nghiệp dư và được lưu trên Internet:

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

Hai khái niệm khác nhau có cùng tên được sử dụng trong văn bản. Trước đây, có một mô-đun phần cứng NodeMCU trên thị trường cũng như phần sụn phần mềm NodeMCU.

Phần sụn NodeMCU là một vi chương trình nguồn mở, có thể biên dịch được, có thể được ghi vào các mô-đun phần cứng bằng bộ điều khiển ESP8266 của Espressif. Một trong nhiều sản phẩm dựa trên bộ điều khiển ESP8266, là mô-đun phần cứng NodeMCU.

Do đó, phần sụn NodeMCU có thể được ghi vào mô-đun phần cứng NodeMCU. Ở phần sau của bài viết này, nếu có thể, chúng tôi sẽ cố gắng làm rõ ý nghĩa của cái tên NodeMCU: mô-đun hoặc phần sụn.

Trình giả lập bộ đếm Geiger để làm gì

Trước khi tiến hành tạo trình giả lập bộ đếm Geiger, cần phải xem xét để làm gì và ai có thể cần một thiết bị phần cứng-phần mềm như vậy.

Ý tưởng chính của bất kỳ trình giả lập nào trong lĩnh vực điện tử DIY là tạm thời, ở một số giai đoạn nhất định, sử dụng một thành phần thay thế ảo thay vì một mô-đun thực trong quá trình phát triển thiết bị IoT hoặc thử nghiệm/học tập để tái tạo hoạt động và đặc điểm của một thiết bị thực. thiết bị có độ chính xác cao. Trình giả lập sẽ đơn giản hóa và tăng tốc độ phát triển, cũng như thêm sự thuận tiện trong giai đoạn đầu của một dự án đã lên kế hoạch hoặc thực hiện các bài kiểm tra đơn vị.

Dưới đây chúng tôi trình bày một số luận điểm giải thích động cơ của chúng tôi để phát triển trình giả lập mô-đun bộ đếm GGreg20_V3 Geiger.

1. Không có điện áp cao

Trình giả lập GGreg20_V3, không giống như mô-đun thực, không có điện áp cao trên bo mạch nên rất thuận tiện khi sử dụng khi phát triển trên bàn mà không sợ bị điện giật.

Đồng thời, xét về giao diện điện của các xung phát ra, bộ mô phỏng là một mô-đun cảm biến bức xạ hoàn toàn tương tự, tạo ra các xung ngẫu nhiên có cùng hình dạng và thời lượng như GGreg20_V3 chính hãng.

2. Quy trình học đơn giản hóa

Trình giả lập bộ đếm Geiger phù hợp cho các tổ chức giáo dục. Giáo viên hướng dẫn có thể cùng học viên khắc sâu dần các bài học thực tế.

Đầu tiên, tất cả các lớp có thể được tiến hành bằng cách sử dụng bộ mô phỏng bộ đếm Geiger an toàn và rẻ tiền, sau đó là các mô-đun thực với ống Geiger và điện áp cao ở phía ống. Cũng giống như trong Quân đội: việc làm quen và huấn luyện được thực hiện trước với hộp đạn trống, sau đó mới với hộp đạn còn sống.

Trình giả lập sao chép hoàn toàn kết quả của mô-đun GGreg20_V3 thực, do đó không có vấn đề thiếu số lượng mô-đun thực trong lớp: mỗi sinh viên có thể làm việc độc lập với mô-đun của mình và hoàn thành quá trình học tập mà không cần chia thành các nhóm hoặc hàng đợi như thường lệ xảy ra khi nguồn thiết bị đào tạo và giá đỡ trong phòng thí nghiệm bị hạn chế.

3. Chi phí thấp hơn

Trình giả lập có chi phí thấp hơn so với mô-đun GGreg20_V3 thực, do đó, thuận tiện khi sử dụng nó chủ yếu để gỡ lỗi và điều hòa mạch hoặc phần mềm của hệ thống được thiết kế hoặc nghiên cứu.

Có thể thực hiện gỡ lỗi băng thử nghiệm hoặc dự án với trình mô phỏng như vậy mà không cần nhân viên có trình độ chuyên môn đặc biệt.

Nếu học sinh sử dụng trình giả lập, thì giáo viên sẽ không cần phải kiểm soát công việc với các thiết bị, như điều cần thiết phải làm với mô-đun bộ đếm Geiger thực.

Các thiết bị mô phỏng giá rẻ có thể được mua với số lượng lớn và cấp cho sinh viên trong suốt thời gian học tập chứ không chỉ trong thời gian họ làm việc trong phòng thí nghiệm của trường.

4. Không cần nguồn bức xạ thực sự

Khi chúng tôi làm việc với GGreg20_V3 thực, chúng tôi cần một nguồn bức xạ thực để tái tạo các tình huống khác nhau cần được xem xét trong phần mềm của hệ thống đo lường đang được thiết kế hoặc thử nghiệm. Để mua được nguồn bức xạ thử, trước hết người làm đài nghiệp dư phải giải quyết một số vấn đề sau:

• để xác định bằng các thông số vật lý và hóa học nguồn nào là cần thiết;
• để tìm nhà cung cấp và mua nguồn test;
• một số quốc gia yêu cầu thông báo hải quan và giấy phép nhập khẩu;
• nguồn thử nghiệm chỉ có thể có công suất nhất định;
• bạn phải lưu trữ và xử lý nguồn phóng xạ đúng cách;
• giá của nguồn bức xạ và hệ thống lưu trữ của nó cao gấp nhiều lần giá của máy đếm Geiger.

Với trình giả lập, sẽ không có sự cố nào trong số này xảy ra. Thiết bị có thể mô phỏng 5 chế độ năng lượng bức xạ ion hóa khác nhau. Bộ mô phỏng bộ đếm Geiger tạo ra các xung đầu ra tương tự như các xung của mô-đun GGreg20_V3 thực trong phạm vi từ 0 đến 1,5 µSv/h (lấy ống SBM-20 làm tham chiếu tương tự). Ở đầu ra, các xung hỗn loạn (sử dụng bộ tạo số ngẫu nhiên thực sự ESP8266) được tạo ra có cùng biên độ với tổng chu kỳ xung là 10 micro giây mỗi xung.

5. Tài nguyên giả lập không thể bị cạn kiệt

Ống SBM-20, được cài đặt trong GGreg20_V3, có nguồn hạt tương đối lớn nhưng vẫn còn hạn chế mà nó có thể phát hiện trong suốt thời gian tồn tại.

Tài nguyên của ống SBM-20 được khai báo trong tài liệu ít nhất là 2*1010 xung.

Lưu ý 1 . Với bức xạ nền 0,15 μSv/h với hệ số 0,0057, ống SBM-20 phát hiện khoảng 27 xung mỗi phút.

Như vậy, trong điều kiện bình thường, tài nguyên của ống sẽ đủ cho 2*1010 / (27 * 60 * 24) = 20 000 000 000 / (26 * 60 * 24) = 514403 ngày. Và có vẻ như đây là một tuổi thọ tiềm năng khá đủ của một ống.

Một bức tranh hoàn toàn khác được quan sát thấy khi vận hành một ống có nguồn bức xạ thử nghiệm.

Đây là một ví dụ:

Trên trang web của mình, Công cụ khoa học hình ảnh cung cấp danh sách các giới hạn bức xạ được phép nhập đối với các nguồn thử nghiệm:

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

Hãy lấy hai nguồn từ danh sách tại liên kết:

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

Nếu chúng ta giả sử rằng dưới tác động của một nguồn thử nghiệm như vậy, một nửa số hạt từ quá trình phân rã phóng xạ đi vào ống Geiger SBM-20 thì tuổi thọ của một ống như vậy sẽ là:

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

Như bạn có thể thấy, nếu chúng tôi muốn thử nghiệm (hoặc thử nghiệm các thiết bị của chúng tôi bao gồm bộ đếm Geiger) trên một ống thật, thì chúng tôi sẽ làm cạn kiệt nguồn bức xạ có sẵn của nó bằng một nguồn bức xạ thực sự khá nhanh.

Không có vấn đề như vậy với trình giả lập. Sử dụng trình giả lập trước thay vì ống là khả thi về mặt kinh tế.

6. Gỡ lỗi dữ liệu trong UART

Trình giả lập của mô-đun GGreg20_V3 xuất dữ liệu vận hành (xung, thời gian, số đếm, chu kỳ, v.v.) sang cổng bảng điều khiển UART trong quá trình hoạt động, nếu cần, sinh viên, nhà phát triển hoặc nghiệp dư đài phát thanh có thể ghi lại và xử lý để đào tạo hoặc so sánh với các phép đo của hệ thống đã được thử nghiệm hoặc phát triển của anh ấy.

Mô-đun bộ đếm GGreg20_V3 chính hãng và các mô-đun tương tự của các nhà sản xuất khác không và không thể có tính năng tích hợp sẵn như vậy.

Lưu ý 2 . Để kết nối với bảng điều khiển UART, mô-đun ESP12.OLED , dựa trên trình giả lập, có các đường giao diện UART được dẫn riêng (lỗ khoảng cách 2,54 mm để hàn) trên PCB. Để kết nối trình giả lập với máy tính, người dùng cần có thêm bộ chuyển đổi USB-UART của riêng mình.

Hơn nữa trong văn bản sơ đồ kết nối sẽ được đưa ra.