项目介绍

本项目是参加贸泽电子2025M-Design设计竞赛的作品，参加的是方向二--安全检测方向的硬件设计。一个用于探测电离辐射的盖革计数器，具有简单易用可复制性强的特点。适用于α射线、β射线以及γ射线检测。

硬件介绍

本项目使用到的关键硬件为M4011盖革管与LM3481控制器。其中M4011盖革管能检测 α、β 及 γ 射线，对硬 β 射线和 γ 射线可定量测量。其工作电压在 380 - 450V 间，背景计数约 25CPM，CPM 比率为 153.8CPM/(μSv/h) ，尺寸为直径 10mm、长度 88mm 。

LM3481是由德州仪器推出的一款高性能DC-DC开关控制器。其输入电压范围为 2.97V 至 48V，输出电压可在 1.275V 至 41V 调节，最大输出电流达 10A，开关频率达 1MHz，工作温度范围为 - 40℃至 + 125℃。它支持升压、反激式、SEPIC 等多种拓扑结构，采用电流模式 PWM 控制架构，具备逐周期电流限制、卓越带宽及瞬态响应，可通过外部电阻编程精确控制输出电流。

方案框图

TP4056充电电路用来给锂电池充电，之后LM3481组成的反激式升压电路会将锂电池4V左右的直流电升压到400V左右的直流。通过调整反馈电阻的组织可以仔细调整输出电压的大小。之后经过滤波的直流电供给M4011盖革管使其正常工作，当检测到辐射粒子后盖革管内会产生电流脉冲，这时与盖革管负极相连的三极管放大电路检测到脉冲之后会讲信号放大用于驱动无源蜂鸣器产生“咔嗒”声音。声音的频率就代表了辐射的强度。本项目的创意来源于《地铁》系列游戏中主角左臂上佩戴的盖革计数器，当进入辐射严重的地区后盖革计数器的响声频率就会显著增加。因此我设计出了一款具有相同功能的辐射探测设备，由于是纯模拟电路因此制作起来比较简单，也不需要焊接非常精密的零件，便于初学者复刻。同时由于结构上的简单也提高了系统的鲁棒性，更贴合游戏的“废土风”背景。

原理图

这是项目原理图，出了上述硬件之外还有开关接口、电池接口以及一个单独的电池容量显示模块接口。

PCB图

这是PCB图，按照各个部分的功能进行Layout，最左侧是升压电路，中间是检测放大电路，右侧是充电电路与各个接口。信号部分进行包地尽可能屏蔽干扰。

功能展示

使用镅-241接近盖革管时，蜂鸣器响声频率明显增加，开关上的电源指示灯显示当前状态，外置电量显示模块显示剩余电量。

困难与解决方法

在硬件开发过程中遇到的主要困难有两个，第一个是升压电路工作过程中出现的啸叫问题。在最初版本的电路中开机后电源部分会出现明显的嗡嗡声音，这对于根据蜂鸣器声音来判断辐射强度是非常不利的。于是根据查询数据手册判断是当前设定的开关频率为100kHz处于人耳听到的震动频率范围之内。于是通过调整FA/ SYNC/SD 引脚和地之间的电阻阻值成功提高了开关频率有效降低了工作噪音。

第二个问题则是在最初的版本蜂鸣器不发声音，当时也一时难以发现问题。最终借助仿真工具发现我设计的三极管放大电路接法以及电阻配置存在问题，通过在仿真工具中测试好恰当的耦合电阻成功在下一版电路中解决了这个问题。

心得体会

这次参加M-design比赛，我做了一个简易的盖革计数器，虽然功能简单，但整个过程特别有成就感！项目用M4011盖革管作为核心，搭配升压电路、充电模块、三极管放大电路和蜂鸣器，实实在在体验了一把“从零造物”的乐趣。

最关键的就是给盖革管供400V高压的升压电路。看到万用表跳到398V时，激动得差点把电烙铁扔了！

盖革管的脉冲信号太微弱，直接用蜂鸣器根本带不动。搭了两级三极管放大电路，结果第一次通电时蜂鸣器压根没声音，后来在仿真工具里选好合适的参数才正常工作起来，只有真正检测到辐射时才会“咔嗒”响，非常有成就感。

为了提高使用的便捷性，我又购买了一个锂电池电量显示模块，这样就可以实时看到还有多少电量，通过还能在黑暗的环境当中提供微弱的照明。

这次比赛让我明白，硬件开发没有“一次成功”。光是为了使电路正常工作，我就进行了三次改版，最开始是盖革管尺寸画错了，后面又是电路没有正常升压功能，最后又是蜂鸣器不能响；为了测环境辐射，举着机器满学校找信号。虽然作品不复杂，但亲手把一个个零件变成会报警的设备，这种努力付出有回报的感觉还是很值得的。