Einen eigenen Geiger-Müller-Zähler mit Arduino, HV-Boost und 20x4-LCD bauen

Komponenten und Zubehör

Benötigte Werkzeuge

• Lötkolben (für die Platine und den Kondensator am Spannungswandler)
• Steckbrett (270 Pins) – optional für Prototypen

Projektbeschreibung

WICHTIGE SICHERHEITSHINWEIS: Dieses Gerät arbeitet mit Hochspannung (400 V). Obwohl die Ströme gering sind, kann jede Spannung oder jeder Strom, der in den menschlichen Körper gelangt, Herzrhythmusstörungen auslösen, die zum Tod führen können. Nur Personen mit Elektronikerfahrung und strikter Beachtung aller Sicherheitsvorkehrungen sollten dieses Projekt nachbauen.

Ziel war es, die Arbeit von AdNovea zu übernehmen und einen frei programmierbaren Geiger-Müller-Zähler zu schaffen. Der ursprüngliche Code ließ sich nicht anpassen, daher wurde eine eigene Firmware entwickelt, die sowohl die Physik der Röhre verständlich macht als auch individuelle Erweiterungen erlaubt.

Der Schaltplan wurde gegenüber AdNovea vereinfacht: Auf Ethernet, Buzzer und den Vorwiderstand zur GM-Röhre wurde verzichtet, da letzterer den Strom zu stark begrenzte und die Röhre nicht zündete. Der Aufbau erfolgte zunächst auf dem Steckbrett, danach auf einer gelöteten Lochrasterplatine.

Als Gehäuse diente der Karton des Arduino-Starterkits. Ausschnitte für das LCD und den USB-Anschluss wurden hineingeschnitten und mit Klebeband verstärkt. Die GM-Röhre und die Hochspannungsmodul-Anschlüsse wurden mit Isolierband gesichert. Ein 9V-Block hielt nicht lange; die Stromversorgung erfolgt schließlich per USB.

Firmware-Funktionen

• Zählung der Impulse über 30 Sekunden, Hochrechnung auf Counts per Minute (CPM)
• Umrechnung in µSv/h (Faktor 0,0057)
• Laufender Mittelwert und Standardfehler (SD/√n) der letzten Messwerte
• Speicher für 100 Messwerte (≈ 50 Minuten) – durch Arduino-RAM begrenzt

Weitere Ideen (Alarm bei erhöhter Strahlung, kürzere Log-Intervalle) wurden aus Zeitgründen nicht umgesetzt, können aber leicht ergänzt werden.

Code

#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <Wire.h>

unsigned long counts = 0;
unsigned long previousMillis = 0;
float averageCPM = 0;
float sdCPM = 0;
int currentCPM = 0;
float calcCPM = 0;

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);
float CPMArray[100];

#define LOG_PERIOD 30000 // 30 Sekunden

void setup() {
  counts = 0;
  currentCPM = 0;
  averageCPM = 0;
  sdCPM = 0;
  calcCPM = 0;
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), impulse, FALLING);
}

void loop() {
  lcd.setCursor(0, 2);
  lcd.print("CPM Count: ");
  lcd.print(counts);

  unsigned long currentMillis = millis();
  if (currentMillis - previousMillis > LOG_PERIOD) {
    previousMillis = currentMillis;
    CPMArray[currentCPM] = counts * 2; // CPM
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("uSv/hr: ");
    lcd.print(outputSieverts(CPMArray[currentCPM]));
    counts = 0;

    // Mittelwert & Standardfehler berechnen
    averageCPM = 0;
    sdCPM = 0;
    for (int x = 0; x < currentCPM + 1; x++) {
      averageCPM += CPMArray[x];
    }
    averageCPM /= (currentCPM + 1);
    for (int x = 0; x < currentCPM + 1; x++) {
      sdCPM += sq(CPMArray[x] - averageCPM);
    }
    sdCPM = sqrt(sdCPM / currentCPM) / sqrt(currentCPM + 1);

    Serial.println("Avg: " + String(averageCPM) + " +/- " + String(sdCPM) + " ArrayVal: " + String(CPMArray[currentCPM]));
    currentCPM++;
    displayAverageCPM();
  }
}

void impulse() {
  counts++;
}

void displayAverageCPM() {
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Avg: ");
  lcd.print(outputSieverts(averageCPM));
  lcd.print("+/-");
  lcd.print(outputSieverts(sdCPM));
}

float outputSieverts(float x) {
  return x * 0.0057; // CPM → µSv/h
}

Schaltplan

Die Fritzing-Datei (geiger_counter_4LAnJvZEpC.fzz) liegt bei. Beim Öffnen in Fritzing können Bauteile verschoben erscheinen.