Μοντέλο φώτα αυτόματης σήραγγας σιδηροδρόμου: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Αυτή είναι η αγαπημένη μου πλακέτα κυκλώματος. Το μοντέλο της διάταξης σιδηροδρόμου μου (ακόμη σε εξέλιξη) έχει μια σειρά από σήραγγες και ενώ μάλλον δεν είναι πρωτότυπο, ήθελα να έχω φώτα σήραγγας που ανάβουν καθώς το τρένο πλησίαζε τη σήραγγα. Η πρώτη μου ώθηση ήταν να αγοράσω ένα ηλεκτρονικό κιτ με ανταλλακτικά και led, πράγμα που έκανα. Αποδείχθηκε ότι ήταν κιτ Arduino αλλά δεν είχα ιδέα τι ήταν το Arduino. Το έμαθα. Και αυτό οδήγησε σε μια περιπέτεια εκμάθησης ηλεκτρονικών. Τουλάχιστον αρκετό για να κάνει φώτα σήραγγας! Και χωρίς Arduino.

Αυτή είναι τουλάχιστον η τρίτη έκδοση της πλακέτας κυκλώματος φώτων σήραγγας. Ο βασικός σχεδιασμός που ανακάλυψα σε ένα από τα έργα του βιβλίου Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. Αυτό είναι ένα υπέροχο βιβλίο εκμάθησης! Ανακάλυψα επίσης τη χρήση τσιπ ενσωματωμένου κυκλώματος, συγκεκριμένα τις πύλες NAND τετραπλής εισόδου CD4011.

Βήμα 1: Το σχηματικό κύκλωμα

Υπάρχουν τρεις είσοδοι σήματος στο κύκλωμα των φώτων της σήραγγας. Δύο είναι οι είσοδοι LDR (αντιστάσεις που εξαρτώνται από το φως) και η μία είναι μια προαιρετική πλακέτα κυκλώματος ανιχνευτή εμποδίων. Τα σήματα εισόδου αυτών των συσκευών λογικά αξιολογούνται από εισόδους πύλης NAND του CD4023 (τριπλή είσοδος NAND Gates).

Υπάρχει μια πράσινη/κόκκινη κοινή λυχνία LED ανόδου (η οποία θα χρησιμοποιηθεί στην οθόνη ενδείξεων που υποδεικνύει ότι ένα τρένο καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη σήραγγα ή πλησιάζει τη σήραγγα). Το πράσινο θα δείχνει μια διαυγή σήραγγα και το κόκκινο θα δείχνει μια κατεχόμενη σήραγγα. Όταν το κόκκινο led είναι αναμμένο, τα φώτα της σήραγγας θα είναι επίσης αναμμένα.

Όταν κάποια από τις τρεις εισόδους ανιχνεύσει μια κατάσταση σήματος, η έξοδος πύλης NAND θα είναι Υ HIGHΗΛΗ. Η μόνη συνθήκη όταν η πρώτη έξοδος πύλης NAND είναι LOW είναι η μοναδική συνθήκη όταν όλες οι είσοδοι είναι Υ HIGHΗΛΕΣ (όλοι οι ανιχνευτές σε προεπιλεγμένη κατάσταση).

Το κύκλωμα περιλαμβάνει ένα mosfet P-CH το οποίο χρησιμοποιείται για την προστασία του κυκλώματος από εσφαλμένη σύνδεση και γείωση. Αυτό μπορεί εύκολα να συμβεί κατά την καλωδίωση της πλακέτας κυκλώματος κάτω από τον πίνακα διάταξης. Σε προηγούμενες εκδόσεις της πλακέτας χρησιμοποίησα μια δίοδο στο κύκλωμα για να προστατεύσω το κύκλωμα από την εναλλαγή των καλωδίων γείωσης και τροφοδοσίας, αλλά η δίοδος κατανάλωσε 0,7 βολτ από τα 5 βολτ που ήταν διαθέσιμα. Το mosfet δεν ρίχνει καμία τάση και εξακολουθεί να προστατεύει το κύκλωμα εάν έχετε λάθος τα καλώδια.

Η υψηλή έξοδος της πρώτης πύλης NAND διέρχεται από μια δίοδο στην επόμενη πύλη NAND και συνδέεται επίσης με ένα κύκλωμα χρονικής καθυστέρησης αντίστασης/πυκνωτή. Αυτό το κύκλωμα διατηρεί την είσοδο HIGH στη δεύτερη πύλη NAND για 4 ή 5 δευτερόλεπτα, ανάλογα με την τιμή της αντίστασης και του πυκνωτή. Αυτή η καθυστέρηση εμποδίζει τα φώτα της σήραγγας να αναβοσβήνουν και να σβήνουν όταν το LDR εκτίθεται στο φως μεταξύ αυτοκινήτων που περνούν πάνω και φαίνεται επίσης λογικό χρονικό διάστημα καθώς η καθυστέρηση θα δώσει στο τελευταίο αυτοκίνητο χρόνο να εισέλθει στη σήραγγα ή να βγει από τη σήραγγα.

Μέσα στη σήραγγα ο ανιχνευτής εμποδίων θα κρατήσει το κύκλωμα ενεργοποιημένο καθώς παρακολουθεί επίσης τη διέλευση των αυτοκινήτων. Αυτά τα κυκλώματα ανιχνευτή μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να εντοπίζουν αυτοκίνητα λίγα εκατοστά μακριά και επίσης να μην ενεργοποιούνται από τον απέναντι τοίχο της σήραγγας.

Εάν επιλέξετε να μην συνδέσετε τον ανιχνευτή εμποδίων μέσα στη σήραγγα (σύντομη σήραγγα ή δύσκολη), απλώς συνδέστε το VCC στην έξοδο στον τερματικό ανιχνευτή εμποδίων 3 ακίδων και αυτό θα διατηρήσει ένα σήμα Υ HIGHΗΛΗΣ στην είσοδο της πύλης NAND.

Δύο πύλες NAND χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν την εφαρμογή μιας θέσης για το κύκλωμα RC. Ο πυκνωτής τροφοδοτείται όταν η πρώτη πύλη NAND είναι Υ HIGHΗΛΗ. Αυτό το σήμα είναι η είσοδος στη δεύτερη πύλη NAND. Όταν η πρώτη πύλη NAND πηγαίνει ΧΑΜΗΛΑ (όλα καθαρά) ο πυκνωτής διατηρεί το σήμα στη δεύτερη πύλη NAND Υ HIGHΗΛΗ ενώ εκφορτίζεται αργά μέσω της αντίστασης 1 10m. Η δίοδος εμποδίζει τον πυκνωτή να εκφορτιστεί ως νεροχύτης μέσω της εξόδου της πύλης NAND one.

Δεδομένου ότι και οι τρεις είσοδοι της δεύτερης πύλης NAND είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους, όταν η είσοδος είναι HIGH η έξοδος θα είναι LOW και όταν η είσοδος είναι LOW, η έξοδος θα είναι HIGH.

Όταν η έξοδος είναι Υ HIGHΗΛΗ από τη δεύτερη πύλη NAND, το τρανζίστορ Q1 ενεργοποιείται και αυτό ενεργοποιεί το πράσινο led του τριών καλωδίων κόκκινο/πράσινο led. Το Q2 είναι επίσης ενεργοποιημένο, αλλά αυτό απλώς χρησιμεύει για να κρατήσει το Q4 απενεργοποιημένο. Όταν η έξοδος είναι ΧΑΜΗΛΗ, το Q2 απενεργοποιείται, γεγονός που προκαλεί την ενεργοποίηση του Q4 (και επίσης το Q1 είναι απενεργοποιημένο). Αυτό απενεργοποιεί το πράσινο led, ανάβει το κόκκινο led και επίσης ανάβει τα φώτα της σήραγγας.

Βήμα 2: Εικόνες φωτός σήραγγας

Η πρώτη εικόνα παραπάνω δείχνει ένα τρένο που εισέρχεται στη σήραγγα με αναμμένο το εναέριο LED.

Η δεύτερη εικόνα δείχνει ένα LDR ενσωματωμένο στην πίστα και το έρμα. Όταν ο κινητήρας και τα αυτοκίνητα ταξιδεύουν πάνω από το LDR ρίχνουν αρκετή σκιά για να ενεργοποιήσουν τα LED της σήραγγας να ανάψουν. Υπάρχει ένα LED σε κάθε άκρο της σήραγγας.

Βήμα 3: Διαχωριστής τάσης πύλης NAND

Τα LDR δημιουργούν ξεχωριστά ένα κύκλωμα διαίρεσης τάσης για κάθε είσοδο στις πύλες NAND. Οι τιμές αντίστασης του LDR αυξάνονται καθώς μειώνεται η ποσότητα φωτός.

Οι πύλες NAND καθορίζουν λογικά ότι οι τάσεις εισόδου 1/2 ή μεγαλύτερες σε σύγκριση με την τάση πηγής θεωρούνται Υ HIGHΗΛΗ τιμή και οι τάσεις εισόδου μικρότερες από το 1/2 της τάσης πηγής θεωρούνται χαμηλό σήμα.

Στο σχήμα, τα LDR συνδέονται με την τάση εισόδου και η τάση σήματος λαμβάνεται ως τάση μετά το LDR. Ο διαχωριστής τάσης αποτελείται από μια αντίσταση 10k και επίσης ένα μεταβλητό ποτενσιόμετρο 20k. Το ποτενσιόμετρο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τιμής του σήματος εισόδου. Με διαφορετικές συνθήκες φωτισμού, το LDR μπορεί να έχει κανονική τιμή 2k - 5k ohm ή, εάν σε πιο σκοτεινή θέση της διάταξης μπορεί να είναι 10k - 15k. Η προσθήκη του ποτενσιόμετρου βοηθά στον έλεγχο της προεπιλεγμένης κατάστασης φωτισμού.

Η προεπιλεγμένη κατάσταση (κανένα τρένο μέσα ή δεν πλησιάζει σε σήραγγα) έχει χαμηλές τιμές αντίστασης για τα LDR (γενικά 2k - 5k ohm), πράγμα που σημαίνει ότι οι είσοδοι στις πύλες NAND θεωρούνται Υ HIGHΗΛΕΣ. Η πτώση τάσης μετά το LDR (υποθέτοντας είσοδο 5v και 5k στο LDR και συνδυασμένα 15k για την αντίσταση και το ποτενσιόμετρο) θα είναι 1,25v αφήνοντας 3,75v ως είσοδο στην πύλη NAND. Όταν η αντίσταση ενός LDR αυξάνεται επειδή καλύπτεται ή σκιάζεται, η ΕΙΣΟΔΟΣ της πύλης NAND μειώνεται.

Όταν το τρένο περάσει πάνω από το LDR στην πίστα, η αντίσταση του LDR θα αυξηθεί στα 20k ή περισσότερο (ανάλογα με τις συνθήκες φωτισμού) και η τάση εξόδου (ή η είσοδος στην πύλη NAND) θα μειωθεί σε περίπου 2,14v, που είναι μικρότερη από Τάση πηγής 1/2 η οποία επομένως αλλάζει την είσοδο από σήμα Υ HIGHΗΛΟΥ σε σήμα ΧΑΜΗΛΟΥ.

Βήμα 4: Προμήθειες

Πυκνωτής 1 - 1uf

Δίοδος σήματος 1 - 4148

Συνδέσεις 5 - 2p

Συνδέσεις 2 - 3p

1-IRF9540N P-ch mosfet (ή SOT-23 IRLML6402)

3 - 2n3904 τρανζίστορ

2 - GL5516 LDR (ή παρόμοιο)

2 - 100 ohm αντιστάσεις

2 - 150 ohm αντιστάσεις

Αντίσταση 1 - 220 ohm

2 - 1k αντιστάσεις

2 - 10k αντιστάσεις

Μεταβλητά ποτενσιόμετρα 2 - 20k

Αντίσταση 1 - 50k

Αντίσταση 1 - 1 - 10 m

1 - CD4023 IC (διπλή τριπλή είσοδος NAND Gates)

Υποδοχή 1 - 14 ακίδων

1 - ανιχνευτής αποφυγής εμποδίων (όπως αυτό)

Στην πλακέτα κυκλώματος χρησιμοποίησα ένα IRLM6402 P-ch mosfet σε μια μικρή πλακέτα SOT-23. Έχω διαπιστώσει ότι τα mosfets SOT-23 p-ch είναι φθηνότερα από το σχήμα T0-92. Ο καθένας θα λειτουργήσει στην πλακέτα κυκλώματος καθώς τα pinout είναι τα ίδια.

Όλα αυτά είναι ακόμα σε εξέλιξη και νομίζω ότι κάποιες τιμές αντίστασης ή κάποιες βελτιώσεις μπορούν ακόμα να γίνουν!

Βήμα 5: Η πλακέτα PCB

Οι πρώτες μου εκδόσεις του κυκλώματος έγιναν σε μια σανίδα ψωμιού. Όταν αποδείχθηκε ότι η ιδέα λειτουργεί, τότε κόλλησα ολόκληρο το κύκλωμα, το οποίο μπορεί να είναι πολύ χρονοβόρο και γενικά πάντα έκανα κάτι λάθος. Η τρέχουσα πλακέτα κυκλώματος εργασίας μου, η οποία είναι τώρα έκδοση 3 και περιλαμβάνει τις τριπλές πύλες NAND (οι προηγούμενες εκδόσεις χρησιμοποιούσαν τις διπλές εισόδους πύλης CD4011 NAND), και όπως φαίνεται στο βίντεο, είναι μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος με αρχεία εξόδου που παράγονται από το Kicad που είναι δικό μου λογισμικό μοντελοποίησης κυκλωμάτων.

Έχω χρησιμοποιήσει αυτόν τον ιστότοπο για την παραγγελία των PCB:

Εδώ στον Καναδά το κόστος για 5 πίνακες είναι μικρότερο από 3 $. Η ναυτιλία τείνει να είναι το πιο ακριβό συστατικό. Συνήθως θα παραγγείλω 4 ή 5 διαφορετικούς πίνακες κυκλωμάτων. (Οι δεύτεροι και περισσότεροι πίνακες κυκλωμάτων είναι περίπου διπλάσιοι από την τιμή των πρώτων 5). Τα τυπικά έξοδα αποστολής (μέσω ταχυδρομείου στον Καναδά για διάφορους λόγους) είναι περίπου $ 20. Έχοντας την πλακέτα κυκλώματος προ -χτισμένη οπότε πρέπει να κολλήσω στα εξαρτήματα είναι μια μεγάλη εξοικονόμηση χρόνου!

Ακολουθεί ένας σύνδεσμος προς τα αρχεία Gerber που μπορείτε να ανεβάσετε στο jlcpcb ή σε οποιονδήποτε άλλο κατασκευαστή πρωτοτύπων PCB.