รถไฟจำลองไฟอุโมงค์อัตโนมัติ: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

นี่คือแผงวงจรที่ฉันโปรดปราน แผนผังรางรถไฟจำลองของฉัน (ยังอยู่ระหว่างดำเนินการ) มีอุโมงค์จำนวนหนึ่ง และแม้ว่าอาจจะไม่ใช่แบบต้นแบบ แต่ฉันต้องการให้มีไฟอุโมงค์ที่เปิดไว้เมื่อรถไฟเข้าใกล้อุโมงค์ แรงกระตุ้นแรกของฉันคือการซื้อชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีชิ้นส่วนและไฟ LED ซึ่งฉันทำ มันกลายเป็นชุด Arduino แต่ฉันไม่รู้ว่า Arduino คืออะไร ฉันค้นพบแล้ว และนั่นนำไปสู่การผจญภัยในการเรียนรู้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างน้อยก็เพียงพอที่จะทำไฟอุโมงค์! และไม่มี Arduino

นี่เป็นแผงวงจรไฟอุโมงค์รุ่นที่สามของฉันเป็นอย่างน้อย การออกแบบพื้นฐานที่ฉันค้นพบในโครงการหนึ่งของหนังสือ Electronic Circuits for the Evil Genius 2E นี่คือหนังสือการเรียนรู้ที่ยอดเยี่ยม! ฉันยังค้นพบการใช้ชิปวงจรรวม โดยเฉพาะเกท NAND อินพุตรูปสี่เหลี่ยม CD4011

ขั้นตอนที่ 1: แผนผังวงจร

มีอินพุตสัญญาณสามตัวไปยังวงจรไฟอุโมงค์ สองตัวคืออินพุต LDR (ตัวต้านทานที่ขึ้นกับแสง) และอีกตัวคือแผงวงจรตรวจจับสิ่งกีดขวางที่เป็นอุปกรณ์เสริม สัญญาณอินพุตของอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการประเมินตามตรรกะโดยอินพุตเกต NAND ของ CD4023 (เกต NAND อินพุตสามตัว)

มี LED แอโนดทั่วไปสีเขียว/แดงหนึ่งดวง (ซึ่งจะถูกใช้บนแผงแสดงผลเพื่อระบุว่ารถไฟกำลังเข้าใช้อุโมงค์เฉพาะหรือกำลังเข้าใกล้อุโมงค์) สีเขียวหมายถึงอุโมงค์ที่ชัดเจน และสีแดงหมายถึงอุโมงค์ที่ถูกครอบครอง เมื่อไฟ LED สีแดงติดสว่าง ไฟอุโมงค์ก็จะสว่างขึ้นด้วย

เมื่ออินพุทใด ๆ ในสามอินพุตตรวจพบสภาวะสัญญาณ เอาต์พุตเกต NAND จะสูง เงื่อนไขเดียวเมื่อเอาต์พุตเกต NAND แรกเป็น LOW คือเงื่อนไขเดียวเมื่ออินพุตทั้งหมดเป็น HIGH (ตัวตรวจจับทั้งหมดเป็นเงื่อนไขเริ่มต้น)

วงจรประกอบด้วยมอสเฟต P-CH ซึ่งใช้เพื่อป้องกันวงจรจากสายไฟและกราวด์ที่ผิดพลาด สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายเมื่อเดินสายไฟแผงวงจรใต้ตารางเลย์เอาต์ ในบอร์ดรุ่นก่อนๆ ผมใช้ไดโอดในวงจรเพื่อป้องกันวงจรจากการสลับกราวด์และสายไฟ แต่ไดโอดใช้ไฟ 0.7 โวลต์จาก 5 โวลต์ที่มีอยู่ มอสเฟตไม่ลดแรงดันไฟฟ้าและยังป้องกันวงจรหากคุณต่อสายไฟผิด

เอาต์พุตสูงของเกต NAND แรกผ่านไดโอดไปยังเกต NAND ถัดไป และยังเชื่อมต่อกับวงจรหน่วงเวลาตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุ วงจรนี้จะรักษาอินพุตสูงไปยังเกต NAND ที่สองเป็นเวลา 4 หรือ 5 วินาทีขึ้นอยู่กับค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ การหน่วงเวลานี้ช่วยป้องกันไม่ให้ไฟอุโมงค์เปิดและปิดกะพริบเมื่อ LDR สัมผัสกับแสงระหว่างรถที่วิ่งผ่าน และดูเหมือนว่าจะมีเวลาพอสมควร เนื่องจากความล่าช้าจะทำให้รถคันสุดท้ายมีเวลาเข้าอุโมงค์หรือออกจากอุโมงค์

ภายในอุโมงค์เครื่องตรวจจับสิ่งกีดขวางจะทำให้วงจรทำงานต่อไปในขณะที่ยังตรวจสอบการผ่านของรถยนต์ วงจรตรวจจับเหล่านี้สามารถปรับให้มองเห็นรถยนต์ที่อยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่นิ้วได้ และยังไม่ถูกกระตุ้นโดยผนังด้านตรงข้ามของอุโมงค์อีกด้วย

หากคุณเลือกที่จะไม่เชื่อมต่อตัวตรวจจับสิ่งกีดขวางภายในอุโมงค์ (อุโมงค์สั้นหรือยาก) เพียงเชื่อมต่อ VCC กับเอาต์พุตบนขั้วต่อตัวตรวจจับสิ่งกีดขวาง 3 พิน และสิ่งนี้จะรักษาสัญญาณสูงบนอินพุตเกต NAND นั้น

ประตู NAND สองบานใช้สำหรับวางวงจร RC ตัวเก็บประจุถูกเปิดขึ้นเมื่อประตู NAND แรกสูง สัญญาณนี้เป็นอินพุตของเกต NAND ที่สอง เมื่อเกท NAND แรกมีค่าต่ำ (ชัดเจนทั้งหมด) ตัวเก็บประจุจะเก็บสัญญาณไปยังเกท NAND ตัวที่สอง HIGH ในขณะที่จะค่อยๆ คายประจุผ่านตัวต้านทาน 1 10 เมตร ไดโอดป้องกันตัวเก็บประจุจากการคายประจุเป็นซิงก์ผ่านเอาต์พุตของเกต NAND หนึ่ง

เนื่องจากอินพุตทั้งสามของเกต NAND ที่สองถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน เมื่ออินพุตสูง เอาต์พุตจะเป็น LOW และเมื่ออินพุตเป็น LOW เอาต์พุตจะสูง

เมื่อเอาต์พุตสูงจาก NAND Gate ที่สอง ทรานซิสเตอร์ Q1 จะเปิดขึ้น และสิ่งนี้จะเปิดไฟ LED สีเขียวของไฟ LED สีแดง/เขียวสามสาย Q2 ก็เปิดอยู่เช่นกัน แต่นี่เป็นเพียงการป้องกันไม่ให้ Q4 ปิด เมื่อเอาต์พุตเป็น LOW Q2 จะถูกปิดซึ่งทำให้ Q4 เปิดขึ้น (และ Q1 ก็ถูกปิดด้วย) สิ่งนี้จะปิดไฟ LED สีเขียว เปิดไฟ LED สีแดง และเปิดไฟ LED อุโมงค์ด้วย

ขั้นตอนที่ 2: ภาพแสงอุโมงค์

ภาพแรกด้านบนแสดงรถไฟเข้าอุโมงค์โดยเปิดไฟ LED เหนือศีรษะ

ภาพที่สองแสดง LDR ที่ฝังอยู่ในแทร็กและบัลลาสต์ เมื่อเครื่องยนต์และรถยนต์เคลื่อนที่ผ่าน LDR พวกมันจะทำให้เกิดเงามากพอที่จะทำให้ไฟ LED ของอุโมงค์ติดสว่าง มีไฟ LED อยู่ที่ปลายอุโมงค์แต่ละด้าน

ขั้นตอนที่ 3: ตัวแบ่งแรงดัน NAND Gate

LDR จะสร้างวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับแต่ละอินพุตไปยังเกต NAND ค่าความต้านทานของ LDR จะเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณแสงลดลง

ประตู NAND กำหนดตามหลักเหตุผลว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 1/2 หรือมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าต้นทางถือเป็นค่าสูงและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าน้อยกว่า 1/2 ของแรงดันแหล่งจ่ายถือเป็นสัญญาณต่ำ

ในแผนผัง LDR จะเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และแรงดันสัญญาณจะถูกนำมาเป็นแรงดันไฟฟ้าหลัง LDR จากนั้นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าจะประกอบด้วยตัวต้านทาน 10k และโพเทนชิออมิเตอร์แบบปรับได้ 20k โพเทนชิออมิเตอร์ใช้สำหรับควบคุมค่าสัญญาณอินพุต ด้วยสภาพแสงที่แตกต่างกัน LDR อาจมีค่าปกติที่ 2k - 5k โอห์ม หรือหากอยู่ในตำแหน่งที่มืดกว่าของเลย์เอาต์ อาจเป็น 10k - 15k การเพิ่มโพเทนชิออมิเตอร์ช่วยควบคุมสภาพแสงเริ่มต้น

เงื่อนไขเริ่มต้น (ไม่มีรถไฟเข้าหรือเข้าใกล้อุโมงค์) มีค่าความต้านทานต่ำสำหรับ LDR (โดยทั่วไปคือ 2k - 5k โอห์ม) ซึ่งหมายความว่าอินพุตไปยังเกต NAND ถือว่าสูง แรงดันไฟฟ้าตกหลังจาก LDR (สมมติว่าอินพุต 5v และ 5k บน LDR และรวม 15k สำหรับตัวต้านทานและโพเทนชิออมิเตอร์) จะเป็น 1.25v เหลือ 3.75v เป็นอินพุตไปยังเกต NAND เมื่อความต้านทานของ LDR เพิ่มขึ้นเนื่องจากถูกปิดหรือแรเงา INPUT ของเกต NAND จะลดลง

เมื่อรถไฟวิ่งผ่าน LDR ในราง ความต้านทานของ LDR จะเพิ่มขึ้นเป็น 20k หรือมากกว่า (ขึ้นอยู่กับสภาพแสง) และแรงดันเอาต์พุต (หรืออินพุตไปยังเกต NAND) จะลดลงเหลือประมาณ 2.14v ซึ่งน้อยกว่า แรงดันแหล่งจ่าย 1/2 ซึ่งเปลี่ยนอินพุตจากสัญญาณ HIGH เป็นสัญญาณ LOW

ขั้นตอนที่ 4: วัสดุสิ้นเปลือง

ตัวเก็บประจุ 1 - 1uf

1 - 4148 ไดโอดสัญญาณ

ขั้วต่อ 5 - 2p

ขั้วต่อ 2 - 3p

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

3 - 2n3904 ทรานซิสเตอร์

2 - GL5516 LDR (หรือคล้ายกัน)

ตัวต้านทาน 2 - 100 โอห์ม

ตัวต้านทาน 2 - 150 โอห์ม

ตัวต้านทาน 1 - 220 โอห์ม

ตัวต้านทาน 2 - 1k

ตัวต้านทาน 2 - 10k

2 - 20k โพเทนชิโอมิเตอร์แบบแปรผัน

ตัวต้านทาน 1 - 50k

ตัวต้านทาน 1 - 1 - 10 เมตร

1 - CD4023 IC (เกตส์ NAND สามอินพุตคู่)

ซ็อกเก็ต 1 - 14 พิน

1 - ตัวตรวจจับการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง (แบบนี้)

บนแผงวงจรของฉัน ฉันใช้ IRLM6402 P-ch mosfet บนบอร์ด SOT-23 เล็กน้อย ฉันพบว่ามอสเฟต SOT-23 p-ch นั้นถูกกว่าฟอร์มแฟกเตอร์ T0-92 ตัวใดตัวหนึ่งจะทำงานในแผงวงจรเนื่องจากพินเหมือนกัน

ทั้งหมดนี้เป็นงานที่อยู่ระหว่างดำเนินการและฉันคิดว่าค่าตัวต้านทานบางส่วนหรือการปรับปรุงบางอย่างยังคงสามารถทำได้!

ขั้นตอนที่ 5: บอร์ด PCB

แผงวงจรรุ่นแรกของฉันทำงานบนเขียงหั่นขนม เมื่อแนวคิดได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้ ฉันก็บัดกรีวงจรทั้งหมดด้วยมือ ซึ่งอาจใช้เวลานานมาก และโดยทั่วไปแล้ว ฉันมักจะต่อสายบางอย่างผิดพลาด แผงวงจรทำงานปัจจุบันของฉัน ซึ่งตอนนี้เป็นเวอร์ชัน 3 และรวมเกต NAND สามตัว (เวอร์ชันก่อนหน้าใช้อินพุตเกท NAND แบบคู่ CD4011) และตามที่แสดงในวิดีโอ เป็นแผงวงจรพิมพ์ที่มีไฟล์เอาต์พุตที่สร้างโดย Kicad ซึ่งเป็นของฉัน ซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลองวงจร

ฉันใช้ไซต์นี้เพื่อสั่งซื้อ PCB:

ที่นี่ในแคนาดา ค่าใช้จ่ายสำหรับ 5 บอร์ดน้อยกว่า $3 การจัดส่งมีแนวโน้มที่จะเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุด ฉันมักจะสั่งแผงวงจรที่แตกต่างกัน 4 หรือ 5 ตัว (แผงวงจรที่สองขึ้นไปมีราคาประมาณสองเท่าของ 5 ตัวแรก) ค่าจัดส่งโดยทั่วไป (ทางไปรษณีย์ไปยังแคนาดาด้วยเหตุผลหลายประการ) อยู่ที่ประมาณ 20 เหรียญ การมีแผงวงจรที่สร้างไว้ล่วงหน้า ดังนั้นฉันแค่ต้องบัดกรีส่วนประกอบต่างๆ ก็ช่วยประหยัดเวลาได้มาก!

นี่คือลิงค์ไปยังไฟล์ Gerber ที่คุณสามารถอัปโหลดไปยัง jlcpcb หรือผู้ผลิตต้นแบบ PCB รายอื่น