아두이노, 고압 부스트, 20x4 LCD로 맞춤형 가이거-뮐러 계수기 만들기

부품 및 소모품

필요 도구 및 장비

• 납땜 인두 (범용): 회로 기판 제작 및 전압 변환기에 커패시터 납땜에 필요
• 브레드보드, 270핀: 영구적이지 않은 프로토타입 제작 시 유용

프로젝트 소개

⚠ 안전 경고: 이 장치는 고전압(400V)을 사용하며 매우 위험합니다. 전류는 낮지만, 인체에 전압이나 전류가 흐르면 심장 부정맥을 유발해 사망에 이를 수 있습니다. 이 제품을 제작하는 사람은 전자공학 경험이 있어야 하며, 고전압 회로 다루는 데 각별한 안전 수칙을 준수해야 합니다.

본 프로젝트는 AdNovea의 작업을 바탕으로, 사용자가 직접 프로그래밍할 수 있는 가이거-뮐러 계수기를 만드는 것이 목표입니다. AdNovea 버전은 수정하기 어려운 스크립트를 사용했지만, 이를 단순화하여 GM 튜브의 물리 원리를 더 잘 이해하고, 사용자 필요에 맞게 커스터마이징할 수 있게 했습니다.

제작은 회로도를 따라 매우 직관적입니다. 가장 어려운 점은 부품 수급(GM 튜브, 고압 컨버터)이었습니다. 두 부품 모두 이베이에서 저렴하게 구했으나, 우크라이나와 중국발이라 3-4주 걸렸습니다.

브레드보드에서 먼저 회로를 구성해 테스트한 후, 납땜용 기판에 옮겨 실장했습니다. AdNovea 회로에서 부저, 이더넷 모듈, GM 튜브 연결 저항은 제외했습니다(해당 설계로는 튜브에 충분한 전류가 흐르지 않아 작동하지 않았음).

아두이노 UNO를 사용했지만, 공간 절약을 위해 나노를 써도 무방합니다. GM 튜브는 전기 테이프로 기판에 고정하고, 고압 변환기 단자도 테이프로 감아 안전성을 높였습니다. 아두이노 키트 박스를 케이스로 활용했으며, 상단에 LCD가 들어가게 구멍을 뚫고 테이프로 보강했습니다.

측면에는 USB 전원 케이블 통과용 구멍을 냈습니다. 9V 배터리는 금방 소모되어 결국 USB 전원을 사용했습니다. 회로와 종이 상자 접촉 부위에는 화재 및 신호 손실 방지를 위해 추가로 테이핑했습니다.

소프트웨어 설계

프로그램은 GM 튜브가 30초간 감지한 계수에 2를 곱해 CPM(분당 계수)을 추정합니다. 이를 업계 표준 단위인 µSv/h로 환산해 표시합니다. 누적 측정값의 평균과 표준오차(SD/√n)도 함께 출력합니다. 표본이 모집단(자연 방사선 평균)에서 추출된 것이므로 표준편차보다 표준오차가 더 적절합니다.

아두이노 메모리 제약으로 100개 항목 배열만 가능해, 약 50분간 정확한 통계가 나옵니다(충분한 표본 크기). 향후 개선점으로는 CPM이 배경 방사선을 넘으면 부저 경보 울리기, 로그 주기 단축으로 더 빠른 측정 구현 등이 있습니다.

소스 코드

#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  // 30초 로그 주기 (밀리초)

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;
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("uSv/hr: ");
    lcd.print(outputSieverts(CPMArray[currentCPM]));
    counts = 0;
    averageCPM = 0;
    sdCPM = 0;

    // 평균 계산
    for (int x = 0; x < currentCPM + 1; x++) {
      averageCPM += CPMArray[x];
    }
    averageCPM /= (currentCPM + 1);

    // 표준오차 계산
    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 변환 계수
}

회로도

프리칭(Fritzing) 파일로 제공되며, 열면 부품 배치가 자동 조정될 수 있습니다.
geiger_counter_4LAnJvZEpC.fzz