Среди всего многообразия приборов, измеряющих уровень радиации, трудно найти такой, который показывал бы не только текущий уровень, но и динамику его изменения на протяжении часа, суток, месяца. Эта информация была бы нелишней при оценке реальной радиационной опасности. Предлагаемые приборы в какой-то мере заполняют этот пробел. В ходе их разработки и реализации автору пришлось решить задачу организации взаимодействия выбранного в качестве средства отображения результатов измерения индикатора ЖКИ от мобильного телефона Nokia 5110 с микроконтроллером семейства PIC, а не только c модулями Arduino, для которых в Интернете имеются соответствующие библиотеки [1].
Были созданы два прибора, показанные на фотоснимке рис. 1. Тот, что расположен на снимке слева, работает совместно с ранее разработанным автором измерителем-индикатором радиации [2], который виден на заднем плане. Второй прибор способен работать самостоятельно, поскольку содержит миниатюрный счётчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 [3] и все элементы, необходимые для работы этого счётчика.
Рис. 1. Приборы, измеряющие уровень радиации
Статистический индикатор-приставка построен на микроконтроллере PIC12F683-I/P [4], который производит все необходимые вычисления и управ-ляетЖКИ от телефона Nokia 5110. Прибор выполняет статистическую обработку импульсов счётчика Гейгера-Мюллера, поступивших от измерителя-индикатора за фиксированный интервал времени. Длительность этого интервала легко изменить записью нужного значения в соответствующую ячейку EEPROM микроконтроллера приставки.
Для совместной работы приставки с измерителем-индикатором [2] в память микроконтроллера DD1 должны быть загружены коды из файла Ind_Stat_ UNIVERSAL_SBM20.HEX, приложенного к статье. Для их загрузки я использовал самодельный программатор [5] под управлением программы WinPic800 v3.60. Подойдёт и любой другой, способный работать с микроконтроллером PIC12F683. Программа занимает почти всю FLASH-память этого микроконтроллера.
Совместно с измерителем-индикатором радиации [2] прибор определяет и выводит на ЖКИ статистические показатели уровня радиоактивного излучения по выборке объёмом 50 измерений (максимально) в трёх режимах:
1. Построение гистограммы результатов пятидесяти последних измерений длительностью 34 с. Именно подсчитанное за такое время число импульсов в приборе [2] счётчика Гейгера-Мюллера СБМ-20 равно интенсивности излучения в микрорентгенах в час. Экран ЖКИ статистического индикатора в этом режиме выглядит, как показано на рис. 2. На нём же обозначены зоны вывода на экран различных параметров.
Рис. 2. Экран ЖКИ статистического индикатора
2. Построение гистограммы пятидесяти последних значений среднечасовой интенсивности излучения (рис. 3). При их вычислении учитывается только один из каждых 106 импульсов счётчика Гейгера-Мюллера. Именно столько 34-секундных интервалов укладываются в одном часе.
Рис. 3. Гистограммы значений среднечасовой интенсивности излучения
3. Построение гистограммы пятидесяти последних значений среднесуточной интенсивности излучения (рис. 4). Каждое из них программа вычисляет как среднее значение 24-х ежечасных измерений.
Рис. 4. Гистограммы значений среднесуточной интенсивности излучения
Независимо от установленного режима прибор вычисляет и выводит на экран ЖКИ следующую информацию:
- минимальное, максимальное и среднее значения результатов законченных и отображаемых на экране измерений. Среднее значение программа вычисляет суммированием результатов этих измерений (причём значения, превышающие 99 единиц, игнорируются) и делением суммы на их число с округлением частного до целого числа;
- гистограмму результатов измерений. По мере роста их числа новые элементы гистограммы добавляются справа. По достижении максимального числа измерений (50) перед добавлением каждого нового результата программа смещает всю гистограмму на одну позицию влево, стирая при этом самый первый из отображённых результатов. Максимальное значение, отображаемое на гистограмме, - 40 мкР/ч. В случае его превышения программа продолжает накопление результата вплоть до 99 мкР/ч, но изображение на индикаторе становится негативным. Благодаря этому нет необходимости вести постоянное наблюдение за показаниями прибора, чтобы зафиксировать превышение порога. Для возврата к позитивному отображению следует нажать на имеющуюся в статистическом индикаторе кнопку;
- текущий уровень заряженности встроенного в прибор аккумулятора.
В режимах 2 и 3 программа запоминает все отображённые на экране результаты ежечасных и ежесуточных измерений в EEPROM микроконтроллера и по этой информации восстанавливает изображение, выведенное на экран перед выходом из одного из этих режимов, при возвращении в него.
Анализируя полученные гистограммы, можно заметить, что средний уровень излучения не может быть достоверно определён по результату однократного измерения. Наиболее информативной оказалась гистограмма ежечасных измерений. В приведённом на рис. 3 примере в начальной части гистограммы зафиксирован резкий подъём уровня излучения при посещении каменных гротов ландшафтного парка, хотя норма всё-таки не пре-
вышена. Затем прослеживается разница уровней внутри бетонного и кирпичного зданий - своеобразные волны примерно двенадцатичасовой длительности. Причина повышенного уровня излучения в каменном гроте очевидна, но вывод о влиянии материала здания носит предположительный характер. Гистограмма ежесуточных измерений показывает относительно стабильный уровень.
В случае необходимости в приборе может быть включена подсветка экрана ЖКИ. Без неё потребляемый прибором ток не превышает 0,55 мА, что при ёмкости аккумулятора 650 мА·ч позволяет ему при круглосуточной работе сохранять работоспособность на протяжении около 49 суток.
Представленная на рис. 5 принципиальная схема приставки не нуждается в особых пояснениях, поскольку основные её функции реализованы программно. На разъём XS1 (miniUSB) платы управления зарядкой встроенного в приставку литий-ионного аккумулятора G1 подают постоянное напряжение 5 В от любого стандартного зарядного устройства или от USB-разъёма компьютера.
Рис. 5. Принципиальная схема приставки
Плата управления зарядкой - готовая [6], таких на рынке сегодня множество. При желании её можно изготовить самостоятельно, применив микросхему TP4056. Напряжение зарядки с разъёма XS1 подведено и к разъёму XS2, чтобы при соединении статистического измерителя с измерителем-индикатором аккумулятор последнего тоже заряжался.
Чтобы импульсы от измерителя-индикатора поступали на контакт 3 разъёма XS2 статистического индикатора, измеритель-индикатор, схема которого изображена на рис. 2 в [2], подвергнут минимальной доработке. Контакт 3 его разъёма XS1 соединён через резистор сопротивлением 10 кОм с коллектором транзистора VT1. В статистическом индикаторе эти импульсы через резистор R1 попадают на вывод GP2 микроконтроллера DD1, назначенный в программе входом запросов прерывания, формируемых по спадающим перепадам поступающих импульсов. Всю дальнейшую обработку информации и вывод её результатов на ЖКИ HGl выполняет микроконтроллер.
Напряжение аккумулятора G1 поступает в цепи питания микроконтроллера DD1 и индикатора HG1 через интегральный стабилизатор DA1 (LP2980-3.0 [7]) на 3 В. Важная особенность этого стабилизатора - малый собственный потребляемый ток, не превышающий 170 мкА при токе нагрузки 1 мА.
Обозначения и номера выводов ЖКИ на схеме соответствуют маркировке, нанесённой на его плату вблизи контактных площадок для внешних соединений. Их два ряда - под экраном индикатора и над ним. Оба ряда равноценны, каждый состоит из восьми контактных площадок, которые просто дублируют площадки другого ряда. Так сделано для удобства соединения ЖКИ с управляющим им устройством.
Назначение контактных площадок ЖКИ следующее:
1. RST - вход сигнала установки встроенного в индикатор контроллера PCD8544 [8] в исходное состояние (низкий уровень - установка, высокий уровень - работа).
2. CE - вход сигнала разрешения ввода информации в контроллер индикатора (низкий уровень - разрешено, высокий уровень - не разрешено).
3. DC - вход сигнала назначения загружаемого в контроллер кода (низкий уровень - команда, высокий уровень - информация для отображения).
4. DIN - информационный вход последовательного интерфейса.
5. CLK - вход тактовых импульсов последовательного интерфейса.
6. VCC - плюс напряжения питания ЖКИ (2,7...3,3 В). В Интернете можно встретить сообщения о том, что питающее напряжение может достигать 5 В. Но этого я не проверял.
7. Light - питание подсветки экрана. Существуют две модификации ЖКИ Nokia 5110 на печатных платах синего и красного цветов. Чтобы включить подсветку, на контактную площадку Light нужно подать напряжение положительной полярности, если плата синяя, или соединить её с общим проводом, если плата красная. В обоих случаях последовательно в цепь Light желательно установить токоограничивающий резистор, хотя на красной плате уже имеются такие резисторы сопротивлением 300 Ом для каждого из четырёх светодиодов подсветки. С добавочным резистором сопротивлением 100 Ом (R3) подсветка на красной плате потребляет ток около 3 мА.
8. GND - общий провод.
После подачи на ЖКИ Nokia 5110 напряжения питания для его нормальной работы программой микроконтроллера DD1 должна быть выполнена процедура инициализации. Она начинается с подачи сигнала установки встроенного контроллера ЖКИ в исходное состояние, после чего записывает в контроллер все необходимые для работы ЖКИ параметры, в том числе порядок автоматического изменения адресов по осям X и Y, признак позитивного или негативного изображения на экране и пр. Подробно процедура инициализации описана в [8].
Команды или информацию передают в ЖКИ побайтно последовательным кодом, начиная со старшего разряда каждого байта. Каждый разряд кода, подаваемого на вход DIN, контроллер ЖКИ считывает по нарастающему перепаду очередного импульса на входе CLK.
ЖКИ Nokia 5110 отображает на своём экране 48x84 = 4032 точечных элемента. Фактически поле индикации представляет собой шесть строк высотой по восемь точек и длиной по 84 точки. В рассматриваемом приборе ЖКИ установлен повёрнутым на 180о вокруг перпендикуляра к центру экрана относительно стандартного положения.
Поэтому байт с нулевыми адресами по горизонтальной (X) и вертикальной (Y) осям экрана будет выведен в его правом нижнем углу. Автор считает такой вариант наиболее удобным для вывода столбцов гистограммы, поскольку в этом случае при увеличении высоты столбца и переходе его окончания в следующий байт адрес этого байта по оси Y также увеличивается. При начале координат в левом верхнем углу экрана увеличение высоты столбца гистограммы требовало бы уменьшения адреса по оси Y.
В результате поворота ЖКИ возникают две особенности вывода информации на его экран. Во-первых, каждый информационный байт отображается на экране сверху вниз, начиная со старшего разряда и заканчивая младшим. Во-вторых, ввиду того что при инициализации задан режим автоматического увеличения адреса по оси X, символы (представленные, как правило, наборами из шести байтов) выводятся на экран в направлении справа налево. Именно так нужно задавать в программе выводимые надписи. Формат каждого символа при шестибайтном кодировании - 5x7 точек. Шестой байт кода и младшие разряды предыдущих пяти байтов, имеющие нулевые значения, создают на экране зазоры между символами и их строками.
ЖКИ Nokia 5110 позволяет отобразить на экране содержимое 504 байтов информации, но не позволяет микроконтроллеру прибора прочитать текущее содержимое экрана. Поэтому задача хранения необходимой для дальнейшего использования части его содержимого возложена на микроконтроллер, объём EEPROM которого всего 256 байтов.
После вывода информационного байта на экран его изображение остаётся неизменным до выключения питающего напряжения или до записи по тому же адресу другого байта. В связи с этим пришлось программно выполнять очистку экрана. Иначе при попытке вывести на экран столбец гистограммы высотой, предположим, семь точек на то место, где ранее был столбец высотой 16 точек, на экране останется столбец высотой 16 точек, только с погашенной восьмой точкой.
Приставка собрана навесным монтажом на макетной плате. Микроконтроллер DD1 установлен в стандартную панель, что обеспечивает его лёгкое перепрограммирование в случае необходимости. Плата помещена в футляр с внешними размерами 74x53x17 мм от видеокассеты стандарта Mini DV. Для выключателя питания SA1, кнопки управления SB1, кнопки включения подсветки SB2 и для подключения кабелей к разъёмам XS1 и XS2 в корпусе вырезаны отверстия.
Рассмотрим особенности программы микроконтроллера DD1, важные в первую очередь для тех, кто захочет её изменить. Программа на языке ассемблера создана и оттранслирована с помощью среды разработки и отладки программ MPLAB IDE v8.30. Чтобы сократить объём текста программы и сделать его более читаемым, использован набор макрокоманд, определения которых собраны в файле KOROT-KO.inc. Этот файл должен находиться в одной папке с исходным текстом программы (файлом *.asm), иначе макрокоманды не будут восприняты ассемблером.
Необходимо также учесть, что при использовании инструкций подобных BTFSS, предусматривающей при некоторых условиях пропуск следующей за ней инструкции, пропущена будет не макрокоманда целиком, а лишь первая инструкция из неё. В таких ситуациях приходится применять в качестве пропускаемой инструкцию безусловного перехода GOTO и вставлять макрокоманду лишь по адресу перехода.
Как было упомянуто выше, объём EEPROM микроконтроллера не позволяет сохранить в нём всю выводимую на экран информацию, тем более для трёх режимов. Кроме того, при записи результатов каждые 34 с ресурс EEPROM в 1000000 циклов записи был бы исчерпан примерно за год работы.
Поэтому запись в EEPROM программа выполняет лишь в конце каждого часа работы, причём только в режимах 2 и 3. В режиме 1 запись не выполняется, поэтому при переходе в этот режим построение гистограммы начинается заново.
Логика работы программы следующая:
- в регистровой памяти микроконтроллера выделены 50 регистров REZULT1-REZULT50 для хранения результатов законченных измерений, которые программа затем выводит на экран ЖКИ. Для обеспечения ежечасной или ежесуточной записи в EEPROM в программе работает счётчик минут, часов и суток работы;
- при переключении в режим 2 или 3 информацию, хранящуюся в EEPROM,
программа переписывает в регистры REZULT1-REZULT50 (или в часть из них, если число выполненных измерений не достигло 50), а затем выводит на экран. Иными словами, на экране ЖКИ всегда отображено содержимое одних и тех же регистров, но при изменении режима программа переносит в них соответствующую новому режиму информацию из EEPROM. Дальнейшее изменение информации в регистрах происходит в соответствии с выбранным режимом работы прибора.
Непосредственное обращение к такому большому числу регистров было бы слишком громоздким, поэтому применена косвенная адресация. Суть её в том, что адрес регистра, с которым предстоит работать, например REZULT1, программа заносит в регистр FSR, после чего все операции, выполняемые над содержимым физически не существующего регистра INDF, фактически выполняются над содержимым регистра REZULT1. При увеличении на единицу содержимого регистра FSR всё то же самое станет происходить с регистром REZULT2 и т. д. Естественно, все обрабатываемые регистры должны быть расположены в памяти без пропусков и в том порядке, в котором их содержимое должно быть обработано.
По аналогии с системным регистром микроконтроллера STATUS в программе созданы регистры KONTR_REG и KONTR_IND_REG, значение каждого разряда которых соответствует выполнению определённых условий (например, достижению максимального отображаемого на гистограмме числа измерений или необходимости вывести на экран штриховую линию). Это позволяет не проверять каждый раз выполнение этих условий, а следить лишь за состоянием соответствующих разрядов регистров.
При загрузке кодов из HEX-файла в микроконтроллер в первые 84 ячейки EEPROM (с адреса 0x00 по 0x53) будет записан набор байтов, образующих на экране ЖКИ верхнюю строку символов, которая при исполнении программы не изменяется. Остальное содержимое EEPROM программа формирует в процессе исполнения:
- содержимое шести служебных регистров и 50 результатов измерений в режиме 2;
- содержимое шести служебных регистров и 50 результатов измерений в режиме 3;
- по адресу 0xFB число суток, отработанных аккумулятором. Начальное значение - 0;
- по адресу 0xFC число часов, которое осталось отработать аккумулятору в текущих сутках. Начальное значение - 24 (0х18);
- по адресу 0xFD планируемое число суток работы аккумулятора;
- по адресу 0xFE число измерений в течение часа;
- по адресу 0xFF длительность одного измерения в секундах.
Содержимое трёх последних ячеек при необходимости можно изменять с помощью программатора.
Таблица кодов всех выводимых программой на индикатор цифр и буквенных обозначений режимов находится в конце программной (FLASH) памяти микроконтроллера, начиная с адреса 0x760. При этом учтено, что символы выводятся на экран справа налево.
Микроконтроллер PIC12F683-I/P имеет 96 регистров общего назначения в нулевом банке и 32 таких регистра в первом банке. Использовать в программе только нулевой банк не удалось, поскольку лишь под результаты измерений отведено 50 регистров. Работа же и с регистрами первого банка привела к необходимости неоднократно изменять номер используемого банка в процессе исполнения программы. Это нужно учитывать при возможной модификации программы.
Основной цикл программы - пустой. Все свои задачи программа выполняет в процедурах обработки следующих прерываний:
- по спадающему перепаду уровня на входе GP2 (обработка импульса от счётчика Гейгера-Мюллера);
- по изменению уровня на входе GP3 (обработка нажатия на кнопку SB1). Кроме переключения режимов работы статистического индикатора, эта кнопка позволяет обнулить счётчик времени, отработанного аккумулятором после зарядки. Для этого следует включить прибор при нажатой кнопке. Если после такого включения держать кнопку нажатой более 3 с, дополнительно произойдёт полное обнуление результатов измерений;
- по переполнению таймера 1. При частоте внутреннего генератора микроконтроллера 2 МГц период переполнения равен 1 с (с учётом программной корректировки).
На основе описанной приставки был разработан второй прибор - автономный статистический измеритель радиации, изображённый на фотоснимке рис. 1 справа. Для этого к рассмотренному индикатору-приставке был добавлен блок, схема которого изображена на рис. 6 (нумерация элементов продолжает начатую на рис. 5), разработанный на базе измерителя-индикатора [2]. Провода, помеченные на рис. 6 буквами А, Б и В, следует соединить с одноимёнными точками на схеме рис. 5, а разъём XS2 удалить.
Рис. 6. Схема блока
В отличие от [2], применён миниатюрный счётчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 (BD1), размеры которого (длина - 21 мм, диаметр - 6 мм) позволили уместить полнофункциональный прибор в таком же футляре от видеокассеты формата Mini DV, что и рассмотренную выше приставку.
Внешний вид автономного прибора в корпусе, но без накладки с пояснительными надписями на передней панели, показан на рис. 7.
Рис. 7. Внешний вид автономного прибора в корпусе
Примечание. На экран ЖКИ на рис. 7 выведены надписи на украинском языке: год (година) - час, вимiр. (вимipiв) - измерений.
Счётчик СБМ-21, умножитель напряжения (диоды VD1-VD7, конденсаторы С4, С6-С9, С11, С12) и дополнительный микроконтроллер DD2 размещены в верхней части платы. Для этого пришлось обрезать плату ЖКИ, удалив её нижний (верхний по рис. 7) ряд контактных площадок. Вибромотор M1 с транзистором VT2 и стабилизатор напряжения DA1 находятся под платой управления зарядкой аккумулятора в правой нижней части основной платы. Монтаж навесной. Для микроконтроллеров предусмотрены панели.
Работа и настройка блока счётчика Гейгера-Мюллера аналогична подробно описанной в [2], поэтому рассмотрим только внесённые в схему и программу изменения. В качестве электронного ключа в формирователе высокого напряжения для счётчика BD1 вместо высоковольтного биполярного транзистора применён полевой транзистор с изолированным затвором BS107A (VT3), что уменьшило ток, потребляемый этим узлом, примерно в три раза. Исключены светодиоды-индикаторы напряжения аккумулятора и уровня радиации, так как выполнение этих функций возложено на ЖКИ HG1, уже имеющийся в индикаторе-приставке.
В узле установки микроконтроллера в исходное состояние в приборе [2] был применён транзистор. В результате изменений, внесённых в программу, этот узел больше не нужен, а освободившийся транзистор (VT2) использован для управления вибромотором М1 от сотового телефона. Сигнализируя о подаче питающего напряжения, микроконтроллер DD2 включает этот мотор на короткое время, а работая прерывисто, вибромотор сигнализирует о превышении уровня излучения 99 мкР/ч. Звуковой (пьезоизлучатель HA1) и световой (светодиод HL1) повторители импульсов счётчика BD1 микроконтроллер включает при уровне излучения более 40 мкР/ч или при нажатой кнопке SB3.
Рабочее напряжение счётчика СБМ-21 - 260...320 В [3], что меньше, чем у СБМ-20. Сформированные микроконтроллером DD2 импульсы на затворе транзистора VT3 обеспечивают напряжение на счётчике 300 В.
Прибор со счётчиком СБМ-20 выполняет 50 измерений примерно за 28 мин. Но со счётчиком СБМ-21 этот интервал значительно больше - 4 ч 10 мин. Для удобства анализа показаний прибора, кроме коротких пунктирных линий, отмечающих каждое десятое измерение в верхней части экрана, и вертикальных пунктирных линий, отмечающих каждые 24 часа, в режиме ежечасных измерений добавлены пунктирные линии, отмечающие часовые интервалы. Отсчёт времени на экране идёт справа налево. Так легче определить, каким был уровень излучения час или сутки назад.
Чтобы уменьшить потребляемый ток, тактовая частота микроконтроллеров DD1 и DD2 снижена до 250 кГц. Период повторения переполнений таймера 1 в обоих микроконтроллерах доведён до 6 с. Это повлекло за собой довольно медленную прорисовку изображения на экране при включении и смене режима, но позволило довести общий потребляемый прибором ток до 0,66 мА. С аккумулятором ёмкостью 650 мА·ч автономный прибор может проработать более 40 суток.
Для совместной работы с блоком счётчика СБМ-21 в микроконтроллер DD1 нужно загрузить программу из файла Ind_Stat_SBM21.HEX. При загрузке в микроконтроллер DD2 программы из файла HV_SBM21.HEX значения параметров, необходимых для её работы, автоматически заносятся в EEPROM микроконтроллера:
- по адресу 0х00 находится длительность одного измерения в шестисекундных периодах переполнения таймера 1 (0x32);
- по адресу 0х01 находится экспериментально подобранное значение 0x61 параметра, задающего напряжение питания счётчика СБМ-21. Чем это значение больше, тем меньше напряжение;
- по адресу 0х02 находится значение первого порога (0х28 - 40 мкР/ч);
- по адресу 0x03 находится значение второго порога (0x63 - 99 мкР/ч).
В случае необходимости эти значения легко изменить, откорректировав содержимое соответствующих ячеек EEPROM.
В заключение хотелось бы подчеркнуть, что работоспособность обоих описанных в этой статье приборов проверялась в течение почти двух месяцев. Тем не менее их программное обеспечение не претендует на оптимальность, поскольку разработано методом последовательного усложнения. Некоторые доработки программ автор проводил уже в процессе написания статьи. Примечательно то, что расширение функциональных возможностей приборов не требовало изменения их схем и конструкции.
Программы микроконтроллеров можно найти здесь.
Литература
1. Модуль дисплея Nokia 5110, подключение к Arduino. - URL: http:// zelectro.cc/nokia5110_module_arduino (19.10.16).
2. Макарец С. Измеритель-индикатор уровня радиации. - Радио, 2015, № 5, с. 42- 44.
3. Счётчик СБМ21. Этикетка. - URL: htt p: //www. istok2. com/d at a/2399/ (19.10.2016).
4. PIC12F683 8-Pin Flash-Based, 8-Bit CMOS Microcontrollers with nanoWatt Technology. - URL: http://ww1.microchip.com/ downloads/en/DeviceDoc/41 211 D_.pdf (25.11.16).
5. Макарец С. Программатор для PIC, AVR и микросхем памяти. - Радио, 2007, № 10, с. 31, 32.
6. Зарядное устройство для Li-ion на ТР4056. - URL: http://we.easyelectronics. ru/part/zaryadnoe-ustroystvo-dlya-li-ion--na-tr4056.html (25.11.16).
7. LP2980-N Micropower 50-mA Ultra-Low-Dropout Regulator in SOT-23 Package. - URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lp2980-n. pdf (25.11.16).
8. PCD8544 48x84 pixels matrix LCD controller/driver. - URL: https://www.sparkfun. com/datasheets/LCD/Monochrome/ Nokia5110.pdf (25.11.16).
Автор: С. Макарец, г. Киев, Украина