IR Detektor S88

Při pokusech o automatizaci posunu jsem vyvinul detektor polohy pracující na principu odrazu (infračerveného) světla od podvozku. Konstrukce je popsaná ve starším materiálu na Wikia.com. HW konstrukci jsem později změnil z důvodu úspory odebíraného proudu - jako kompromis mezi spotřebou (původně 8 IR LED po 30mA = 0,25A / deska) a počtem zabraných "nožiček" Arduina jsem použil spínání LED ve dvojicích, pomocí tranzistorového pole. "Volné" 3 vývody Arduina jsou vyvedené na konektor a integrovaná LED (D13) zůstává pro indikaci provozního stavu. Špičkově tak modul odebírá cca 2x40mA (2x LED) + samotné Arduino.

Podobný IR detektor v podstatě zároveň vyvinul Petr Šídlo, ten však vyžaduje použití různého firmware pro různé druhy osvětlení a neumožňuje kalibraci.

Provedení

Podobně jako starší verze, detekor je postavený na platformě https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano Arduino Nano]. Deska obsahuje 8 třípinových konektorů (LED, +5V, IN) pro páry IR LED (vysílač) + fototranzistor (přijímač). Arduino LEDkami bliká (zapíná vždy 2 LEDky, postupně vystřídá všechny páry) s frekvencí cca 1kHz - pomocí fototranzistorů pak zjišťuje zda přijímač přijímá "správné světlo".

Díky blikání lze odfiltrovat rozptýlené světlo (sluníčko, žárovky, zářivky) - posuzuje se ne přímo úroveň, ale změna osvětlení přijímače při zhasnutí a rozsvícení LEDky - vysílače. Frekvence měření fototranzistoru je dost "nesoudělná" s frekvencí v napájecí síti (blikání zářivek, žárovek), není třeba měnit firmware v Arduinu při změně typu osvětlení. Detektor nefunguje při zahlcení fototranzistoru: osvětlení přímo namířenou klasickou žárovkou 40W z 50cm nerozchodí.

Detektor se nastavuje pomocí PC, programem Hyperterminál či PuTTy (MS Windows), nebo minicom (Linux) - připojuje se pomocí MicroUSB kabelu ke konektoru Arduino Nano. Podrobnosti v Terminál pro Arduino.

Hlavní funkce

Deska IR detekrou obsluhuje až 8 senzorů, párů IR dioda - fototranzistor. Každý senzor může být použitý v režimu

• odrazu: senzor hlásí "obsazeno", pokud zachytí odraz od nápravy, či spodku vozidla
• závory: senzor hlásí "obsazeno", pokud se paprsek přeruší - mezi IR diodou a fototranzistorem je vozidlo či jiná překážka.

Režim se po každý senzor nastavuje zvlášť, jeden modul může obsluhovat jak závory, tak odrazky. Detektor je zapojený do sběrnice S88, a stav jednotlivých senzorů hlásí centrále.

Každého senzoru zvlášť modul umožňuje:

• nastavit funkce závora nebo odraz
• nastavit citlivost snímání - může záviset na montáži, poloze, vzdálenosti vysílače a přijímače
• určit dobu "hystereze", než po úspěšné detekci opět přejde do stavu "volno". Potlačí krátké zákmity a může potlačit mezery mezi vagony
• provést "automatickou kalibraci" - změří odrazy od překážky, určí citlivost

Konfigurace

Nastavení se provádí připojením PC. Detektor obsahuje jednoduchý "příkazový řádek", který umožňuje:

• nastavovat citlivost senzorů a prodlevy
• kalibrovat senzory
• změnit režim senzoru (závora / odrazka)
• vytvořit virtuální senzor (viz níže)
• monitorovat stav senzorů
• měřit úroveň osvětlení (vhodné při seřizování)
• vypsat všechna nastavení
• uložit nastavení do paměti EEPROM, obnovit nastavení z EEPROM

Příkaz pro výpis nastaveni (DMP) vypíše sadu příkazů, která, po zadání do "prázdného" dekodéru (vymazaný příkazem CLR) obnoví původní nastavení - výpis je textový, je možné jej uchovat a archivovat v PC.

Protože je detektor elektricky spojený (S88 sběrnice) s centrálou kolejiště, doporučuji používat notebook bežící z baterie (vyloučení vyrovnání potenciálů mezi centrálou a zdrojem PC přes USB port).

Virtuální senzory

Tím, že modulem prochází sběrnice S88 je možné přepracovávat (nebo dokonce upravovat) data, která přes modul prochází k centrále. Ke skutečným senzorům je možné přidávat senzory virtuální, které nějak doplňují chování skutečného snímače tak, aby byl lépe použitelný pro další "úrovně" řízení kolejiště.

Prozatím je naprogramován režim opuštění snímače, který snižuje počet senzorů pro bezpečné zastavení (zejména ve skrytém nádraží).

Virtuální senzory pro jiné moduly

Tato funkce vznikla hlavně proto, aby se kvůli 1 virtuálnímu párovému senzoru nezapláclo hned 8 pozic na sběrnici S88: Některé centrály umějí jen 128 vstupů (NanoX), a pozicemi je třeba šetřit.

Díky tomu je ale možné vytvořit Virtuální senzor pro jakýkoliv senzor jehož stav se přečte ze sběrnice S88, která modulem prochází, je tedy možné IR detektor zapojit blíže centrále, a vytvořit virtuální senzory hned pro několik různých detektorů.

Spínání relé

Na základě aktivace senzoru (až 3, fungují pak jako alternativní "spouštěče") jako je možné sepnout relé. Relé zůstane sepnuto tak dlouho, dokud je senzor aktivní a ještě nastavenou dobu poté. Na jednu desku IR detektoru je možné připojit ovládání až 3 relé - musí být však řízené TTL logikou, nebo se musí použít spínací tranzistory. Možné využití je při řízení smyčky.

Detailní popis

• Kalibrace senzorů
• Monitorování a měření
• Ovládání relé
• Virtuální senzory
• Základní senzory
• Údržba

Ovládání a nastavení

Modul IR Detektoru používá MicroUSB port na Arduinu pro komunikaci s PC. Není to dekodér příslušenství, nedá se nastavovat pomocí CV, nemá ani vstup z DCC. Pro komunikaci s Arduinem můžeme použít

• Arduino IDE a v něm Sériový monitor - ale ten je velmi základní, a neumí pořádně zpracovat řídící kódy, takže některé výpisy nebudou fungovat
• Terminálový emulátor

V obou případech bude IR detektor zpracovávat jednoduché příkazy, které napíšeme a odešleme ENTER, IR detektor bude odpovídat potvrzovacími nebo chybovými hlášeními. Až bude nastavení hotové, dá se příkazem zapsat do paměti EEPROM, která se neztratí při vypnutí napájení. Po zapnutí pak IR detektor začne ihned pracovat podle nastavených pravidel a hodnot. Konfigurace se dá také smazat - IR detektor přejde do továrního nastavení.

Výzva k zadání příkazu je

@ >

příkazy tvoří tři písmena, případné parametry a nastavení se oddělují dvojtečkami. Následující příklad obsahuje:

• pokyn k vypsání konfigurace
• výpis stavu senzorů
• měření senzoru č.2, údaje se průběžně aktualizují v reálném čase

ReflexShield (c) Belgarat@klfree.net, v. 3.0, 9/2021
Starting up...
Loading from EEPROM
Reading EEPROM 0:72, dest: 5D0
Reading EEPROM 60:64, dest: 698
Reading EEPROM B0:18, dest: 5BE
Loading done.
Output extension board attched.
@ > dmp
SEN:1:250:50
INV:1
SEN:2:250:50
INV:2
@ > inf
Sensor status:
0-0-0-0-0-0-1-1
@ > msr:2
2: high=283, low=000, min=090, max=288, avg=112      Sensor 2 changed 0
2: high=287, low=000, min=090, max=288, avg=124      Deactivate relay 3 to 0

Pro lepší diagnostiku IR detektor umí měřit a monitorovat jeden nebo více vstupů - funkce se dá použít pro přesnější nasměrování zářiče nebo senzoru.

Přehled příkazů

Skupina	Příkaz	Funkce
Senzory a citlivost	SEN:senzor:citlivost:prodleva	Nastavení citlivosti senzoru a prodlevu při přerušení paprsku
	SFT:senzor:prodleva-sepnutí:prodleva-vypnutí	Nastavení prodlevy při sepnutí a vypnutí
	INV:senzor	Změna funkce závora / odraz
	VSN:id:senzor	Vytvoření virtuálního senzoru k zadanému skutečnému
	OTR:senzor	Nastavení "hystereze" - při zachycení paprsku stačí slabší intenzita k udržení
Kalibrace a měření	CAL:senzor	Automatická kalibrace senzoru
	CAD:senzor	Kalibrace opožděného vypnutí
	MSR:senzor	Měření intenzity osvětlení senzoru
	MON	Monitoruje stav všech připojených senzorů
Relé	REL	Nastaví spínání relé
Údržba	SAV	Zapíše konfiguraci do EEPROM
	DMP	Vypíše konfiguraci - zálohování
	RST	Resetuje detektor
	CLR	Vymaže EEPROM, tovární nastavení

Příklady použití IR detektoru

Indikátor pro zastavení

• Na konci staniční koleje. Může sloužit jako "In" senzor pro RocRail, způsobí zastavení na daném místě
• Před návěstidlo. Může sloužit k zastavení soupravy při signálu "stůj"

Detekce polohy

• Před železniční přejezd. Může zapnout, případně uvolnit přejezd.

Detekce jednotlivých vozidel

• Počitadlo vozidel
• Automatické rozpojování soupravy - odpočítání vozidel před použitím rozpojovače

Řízení polarity ve smyčce

• Autonomní přepínání polarity ve smyčce ve chvíli přejezdu nad rozhraním smyčky

Výroba detektoru

Celý IR detektor je vhodný pro výrobu v domácích podmínkách - většinou THT součástky, nízka "hustota" drah a DPS. U prvních 2 kusů - prototoypů jsem tiskl motiv na laserové tiskárně na vodolepicí papír a zažehloval žehličkou ... ovšem Číňan (JLCPCB) vyvrtá díry úplně přesně a tak do dodaného (dvouvrstvého) spoje sednou i RJ konektory jak příslovečná prdel na hrnec.

Schéma zapojení

Schéma zapojení

• DPS je navržená pro Arduino Nano, které má vyvedený microUSB konektor.
• Regulátor napětí je určený pouze pro napájení LED a případně relé, můžete volit variantu podle očekávaného proudu
• Najednou svítí vždy jen jedna IR LED (typicky: 50mA)
• Konektory J1..J8 připojují optická čidla
• Na konektor JP1 jsou vyvedené vývody procesoru, dají se použít například k Ovládání relé. Pozor - není tam žádné galvanické oddělení. Chybným zapojením usmažíte Arduino.
• Neobsahuje ochranu proti přepólování ani vyššímu napájecímu napětí.

Návrh DPS

DPS je navržená jako dvojvrstvá, avšak druhá vrstva obsahuje pouze propojky. DPS jde tedy v domácích podmínkách vyrobit jako jednovrstvou, s drátovými propojkami (není jich moc).

Motiv DPS IR detektoru v3.0

Návrh DPS IR detektoru v3.0

Optická čidla

Optická čidla mají malou destičku kvůli spolehlivějšímu propojení vodičů a nožiček LED/fototranzistor. Na destičce je místo pro SMD odpor regulující proud do LED. Schéma říká 130R, nakonec jsem použil 91R. Pro případ, že je nutné LEDku zdvojit (např. šikmá optická závora přes koleje) jsem zdvojil na 2x 91R paralelně (protože jsem neměl něco kolem 40R). Motiv jsem vyrobil jako 8 detektorů, vyleptat a SMD osadit se to dá najednou, pak rozstříhat nůžkami na plech. Alternativní motiv (viz ke stažení) je s pájecími ploškami pro vodiče namísto děr pro hřebínkový konektor.

Schéma optického detektoru

Doplňková deska k ovládání relé

K IR detektoru jde doplnit deska, kterou může IR detektor ovládat relé. To se dá použít například pro přepínání polarity smyčky, ale také k Bůh ví čemu dalšímu. Deska se s IR detektorem propojí plochým kabelem s 6 vodiči:

Číslo pinu	Význam	Poznámka
1	Napájení +6-12V	Až od verze desky 8/2021, propojená s + přívodního konektoru
2	GND	Společná zem pro +5V a napájení, propojená s - přívodního konektoru
3, 4, 5	Výstup 1, 2, 3	Přímo vyvedené piny mikroprocesoru, TTL logika. Maximální zátěž 20mA
1	+5V	Výstup regulátoru napětí pro LED, max. odběr 1A.

• Z IR detektoru je možné rovnou přivést i napájení relé (+5, +12), nebo je napájet samostatně (na DPS je svorkovnice pro napájení).
• Ochranný odpor před LED je třeba zvolit podle potřebného proudu pro sepnutí relé, max proud do báze je 20mA (proboha, co bych tím chtěl spínat ?)
• Podrobnosti viz IR_Detektor_S88/Ovládání_relé

Deska relé k detektoru - schéma

Motiv ovládací desky relé

Soubory ke stažení

• IR Detektor
  • Schéma
  • Motiv DPS k leptání
  • Osazovací plán
• Optočidla
  • Schéma (8 čidel)
  • Motiv DPS k leptání - pájecí očka (vodiče / konektor)
  • Motiv DPS k leptání - pájecí plošky pro vodiče
• Deska relé
  • Schéma
  • Motiv DPS

---

Licence

IR detektor vč. všech elektro schémat a motivů je licencován licencí GNU GPL v2.