کنترل الکترونیکی چراغ راهنمای یک چهارراه

چراغ راهنمای چهارراه

لامپ های چراغ راهنما در چهارراه های اصلی جهت آمد و شد روان خودروها نصب می گردد. شکل 1 دو خیابان را، یکی در جهت شمال – جنوب (NS) و دیگری در جهت شرق – غرب (EW) نشان می دهد. در این شکل لامپ های خیابان های جنوبی و شرقی نشان داده نشده است. لامپ های خیابان جنوبی و شرقی به ترتیب مشابه لامپ های خیابان شمالی و غربی می باشد و در واقع با آنها موازی می شوند. یعنی هنگامی که چراغ سبز (L3) خیابان شمالی روشن است، چراغ سبز خیابان جنوبی نیز روشن خواهد بود.

جدول 1 ترتیب روشن و خاموش شدن چراغ ها و مدت آن را برای یک چهارراه بزرگ نشان می دهد.

جدول 1 ترتیب روشن و خاموش شدن چراغ ها و مدت آن برای یک چهارراه بزرگ

با توجه به جدول مشاهده می شود که امروزه مساله کنترل ترافیک کار ساده ای نمی باشد. یکی از ویژگی های سیستم کنترل ترافیک همزمان کردن چراغ راهنمای چهارراه های نزدیک به هم به وسیله کنترل از راه دور است. در خیابان های اصلی که دو چهارراه به فاصله حدود 100m از هم واقع اند، چنانچه در چهارراه اول، چراغ راهنما سبز شود و ترافیک عادی باشد، وقتی راننده به چهارراه بعدی می رسد، باید با چراغ سبز مواجه شود.

شکل 1 یک نمونه چراغ راهنمای چهارراه

 

سیستم کنترل ترافیک همچنین دارای کارآییی به نام “Hold mode” می باشد. در این حالت توالی روشن و خاموش شدن عادی لامپ ها قطع شده و لامپ زرد یا قرمز حالت چشمک زن پیدا می کند. این حالت در ساعت های انتهایی شب، صبح زود و یا هنگامی که کنترل به صورت دستی انجام می گیرد، به کار می رود.

اکنون یک مدار کنترل چراغ راهنما که علاوه بر سادگی از قطعات کمی نیز استفاده می نماید، معرفی می شود. این مدار همه ویژگی های اشاره شده را دارا می باشد.

آشنایی با مدار

مدار کنترل ترافیک در شکل 2 نشان داده شده است. منبع تغذیه مناسب جهت سیستم در شکل 3 آمده است. مولد پالس 555 IC در حالت آستابل طراحی شده است تا ساعت اصلی سیستم را تولید نماید. فرکانس ساعت با تغییر پتانسیومتر VR1 تنظیم می شود. مدار از سه تراشه شمارنده باینری 74LS93) 4-bit) که به صورت متوالی (cascade mode) بسته شده اند، جهت تولید آدرس برای حافظه EPROM 2716 استفاده نموده است. چهار خروجی (O/Ps) از دو شمارنده اول (IC2 و IC3) و دو O/Ps از شمارنده سوم (IC4) مورد استفاده قرار می گیرد.

بنابراین مجموعا ده خط آدرس وجود دارد که می توان با استفاده از آن 2¹⁰ یعنی 1024 خانه حافظه را آدرس دهی نمود. بنابراین در یک دوره زمانی کامل چراغ راهنما (مرحله 1 تا مرحله 10) برای داشتن 128 ثانیه، فرکانس ساعت باید 8Hz یا 0.125 ثانیه باشد. بنابراین کنترل چراغ راهنما، با تفکیک پذیری 0.125 ثانیه انجام می گیرد.

شکل 2 نقشه شماتیک کنترل الکترونیکی چراغ راهنمای یک چهارراه

پایه 18 (انتخاب تراشه) و پایه 20 (فعال کننده خروجی) از IC5 2716 زمین می شود. بنابراین 2716 همیشه فعال است. اکنون، با توجه به آدرسی که در خطوط آدرس (A0 تا A10) ظاهر می شود، 2716 داده ذخیره شده در خانه مورد نظر را در اختیار قرار می دهد.

خروجی های O/Ps از 2716 به معکوس کننده 7406 وصل شده اند. 7406 دارای شش بافر با خروجی کلکتور-باز است که می تواند تا جریان 30mA را تغذیه و یا مصرف نماید و خروجی های آن نیز می تواند به ولتاژ DC تا 30V متصل گردد.

به هر یک از خروجی های معکوس کننده 7406 یک LED به همراه مقاومت محدودکننده جریان (R6) متصل می گردد. در این مدر از مقاومت 470Ω استفاده شده است. در حالتی که مقدار ولتاژ تغذیه 6V نباشد، اندازه مقاومت ها تغییر می کند. جریان حدود 8mA تا 12mA برای روشن شدن طبیعی LEDها کافی می باشد. بنابراین، اگر ولتاژ تغذیه 12V باشد، R5 به 1K یا 1.2K تغییر خواهد نمود. به همین ترتیب، برای ولتاژ 24V، مقاومت 2.2K به کار می رود. دیودها فقط برای نشان دادن وضعیت مدار به کار می روند و نقشی در عملکرد آن ندارند. در صورت لزوم می توان آنها را حذف نمود.

شکل 3 منبع تغذیه مناسب برای مدار

لیست قطعات پروژه کنترل الکترونیکی چراغ راهنمای یک چهارراه

بیس ترانزیستور T2 از طریق یک مقاومت 4.7K به خروجی معکوس کننده 7406 وصل می شود. کلکتور ترانزیستور  pnp زمین و امیتر آن از طریق یک رله DC به ولتاژ تغذیه مثبت متصل شده است. رله به کار رفته در این مدار 6V DC است. بنابراین هنگامی که خروجی 2716 (برای مثال خروجی D0، پایه 9 از تراشه)، یک می شود، معکوس خواهد شد و در پایه 2 از تراشه 7406 به صفر تبدیل می شود. این، سبب روشن شدن LED و ترانزیستور T2 می گردد. در نتیجه رله انرژی دار شده و لامپ شماره 8 که از طریق رله به برق 230V وصل است، روشن می شود. چنانچه، خروجی 2716 صفر باشد، 7406 آن را به یک تبدیل کرده، LED به همراه ترانزیستور و رله خاموش خواهد ماند.

در این مدار جهت تحریک رله از ترانزیستور 158 BC استفاده شده است. با توجه به اینکه ولتاژ سیم پیچ رله کمتر از 30V و جریان آن کمتر از 100mA است، ترانزیستور به کار رفته مناسب می باشد. چنانچه جریان سیم پیچ رله از 100mA بیشتر باشد، بهتر است از ترانزیستور دیگری مثل ترانزیستور قدرت 55 ECPO استفاده شود. چنانچه ولتاژ رله از 30V بیشتر باشد، باید تراشه 7406 و همچنین مدار تحریک رله عوض شود.

منبع تغذیه

بهتر است تراشه های تنظیم ولتاژ 7805 دارای گرمابر مناسب باشند. با قراردادن دو دیود در پایه زمین از 7805 (پایه 2) می توان از خروجی آن ولتاژ تثبیت شده حدود 6V را گرفت. پایه مشترک یا زمین تراشه ها باید از بدنه گرمابر جدا و با آن اتصالی نداشته باشد. چنانچه ولتاژ رله، غیر از 6V باشد، منبع تغذیه مناسب باید طراحی گردد. در صورتی که حساسیت رله به کار رفته نسبت به ولتاژ کم باشد ولتاژ تثبیت شده لازم نیست. در این حالت C8، D19، D18 ،IC10 و C9 حذف می شوند.

عملکرد مدار

طرز کار مدار بسیار ساده است. 555 IC ساعت اصلی مدار را که به زنجیره ای از سه 7493 جهت تولید ده خط آدرس برای 2716 اعمال می شود تولید می نماید. این خطوط، A0 تا A9 می باشند.

سیگنال “کنترل حالت” که از اتاق کنترل می آید به بیس ترانزیستور T1 اعمال می شود. با یک شدن بیس T1، ترانزیستور در حالت قطع باقی خواهد ماند و سیگنال خط NORMAL که به خط آدرس A10 از 2716 وصل است، یک خواهد شد. چنانچه سیگنال “کنترل حالت” صفر و یا کلید S1 بسته باشد، ترانزیستور T1 روشن و سیگنال خط A10) NORMAL) صفر می شود. سیگنال خط NORMAL همچنین به منو استابل IC6 74123 اعمال می شود. با توجه به اینکه 2716 دارای 11 خط آدرس می باشد، ظرفیت آن 2K بایت یا 2048 خانه حافظه 8 بیتی می باشد. چنانچه خط آدرس A10، صفر باشد، 1024 خانه پایینی [000 تا (3FF (hex] انتخاب می شود. اگر خط آدرس A10 یک باشد، 1024 خانه بالایی [آدرس 400 تا (VFF (hex] انتخاب می گردد. 1024 خانه پایینی برای حالت ‘Hold mode’ و 1024 خانه بالایی برای حالت عادی عملکرد در نظر گرفته می شود.

اکنون هر یک از حالت های عادی، نگهدارنده (Hold mode) و همزمانی به طور کامل توضیح داده می شود.

حالت عادی (Normal mode)

در این حالت A10 برابر یک است و 1024 خانه بالایی حافظه انتخاب می شود. زمان کل برای یک دوره کامل در این مثال (جدول 1) برابر 114 ثانیه در 10 مرحله است. این زمان شامل 1024 پالس ساعت می باشد. بنابراین فرکانس ساعت تقریبا برابر  عبارت زیر خواهد بود.

مدت مرحله 1 برابر 2 ثانیه است، بنابراین 2*9 یعنی 18 آدرس یا خانه حافظه باید برای مرحله 1 درنظر گرفته شود. بدین منظور خانه های 400 تا 411hex (مجموعا 18 خانه) در نظر گرفته می شوند. با توجه به اینکه در این حالت لامپ 1 (بیت 7) و لامپ 5 (بیت 3) باید روشن و بقیه لامپ ها خاموش باشد، در این آدرس ها عدد 1000 1000 یا 88hex ذخیره می شود. مدت مرحله 2 برابر 22 ثانیه است که شامل 198=9*22 سیکل ساعت می باشد. با توجه به اینکه در این حالت فقط لامپ های 4 و 5 روشن است، عدد 00011000 (18hex) در خانه های 412hex تا 4D7 ذخیره می شود. به همین ترتیب آدرس و محتوای همه خانه های حافظه تعیین می شود. این مشخصات در جدول 2 نشان داده شده است.

بنابراین چنانچه 2716 با اطلاعات جدول 2 پر شود و A10 یک باشد، 2716 تحویل داده را ادامه داده تا رله ها کنترل شوند و لامپ ها به ترتیب روشن و خاموش گردند. آدرس از 400hex شروع شده و به VFF می رسد (آخرین آدرس از مرحله 10 و همچنین آخرین آدرس از 2716) دوباره در سیکل ساعت بعدی به 400hex بر می گردد. بنابراین سیکل روشن و خاموش شدن چراغها در حالت عادی دائما تکرار خواهد شد.

جدول 2 آدرس و محتوای خانه های حافظه 2716 IC

حالت نگهدارنده (Hold mod)

حالت نگهدارنده (Hold mod) شبیه حالت عادی است، با این تفاوت که نیمه پایینی 2716 مورد استفاده قرار می گیرد و A10 در این حالت صفر است. مدار با بستن کلید S1 یا با صفرکردن خط کنترل حالت به وسیله کنترل از راه دور به این حالت وارد می شود.

در حالت نگهدارنده، لامپ های زرد حالت چشمک زن پیدا می کنند. چنانچه فرکانس چشمک زدن 0.5Hz باشد، لامپ های زرد مدت یک ثانیه روشن و یک ثانیه خاموش خواهند شد. با توجه به جدول 1، لامپ های 2 و 6 برای نور زرد در نظر گرفته شده اند. با توجه به اینکه از ساعت 9Hz استفاده می شود، باید عدد 0100 0100 یا 44hex در نه خانه اول (000 تا 008) و عدد 0000 0000 در نه خانه بعدی ذخیره گردد و بار دیگر 44hex در نه خانه سوم و 0000 0000 در نه خانه بعدی ذخیره گردد. این ترتیب یک در میان تا آدرس 3FFhex ادامه پیدا خواهد کرد.

با توجه به اینکه در حالت نگهدارنده، A10 صفر است، آدرس ها از 000 شروع و به 3FF ختم می شود. پس از رسیدن به 3FF، آدرس دوباره 000 می شود. چنانچه لازم باشد، سرعت چشمک زدن عوض گردد، باید تعداد خانه های حافظه 2716 که در آنها داده 44hex یا 00hex  ذخیره شده است، تغییر نماید.

همزمانی (synchronization)

همزمانی یعنی شروع به کار لامپ ها از مرحله 1 در یک لحظه معین به وسیله کنترل از راه دور. این ویژگی به ترافیک روان در خیابان های شلوغ کمک می نماید. آی سی IC6) 74123) دارای دو منواستابل است که یکی از آنها در این مدار مورد استفاده قرار گرفته است. مدار به گونه ای طراحی شده است که لبه بالارونده پالس در پایه 2 از IC6، منواستابل را تحریک می نماید.

در این سیستم IC6 جهت همزمانی به کار رفته است. بدین منظور، ابتدا با صفر کردن سیگنال کنترل، مدار در حالت نگهدارنده قرار می گیرد. در نتیجه خط NORMAL صفر خواهد شد، اما این، منو استابل IC6 را تحریک نمی کند، زیرا منواستابل مورد نظر با لبه بالا رونده پالس تحریک می گردد. با یک شدن خط کنترل حالت، خط NORMA نیز یک شده منو استابل تحریک می شود و یک پالس در خروجی Q از 74123 ظاهر خواهد شد. خروجی Q به پایه 3 (R0) از شمارنده متصل است. پالس اعمال شده به پایه 3 سبب صفر شدن همه خروجی ها (O/Ps) می گردد.

زمانبندی در شکل 4 نشان داده شده است. آدرس اعمال شده به حافظه 400hex [خط A10 NORMAL یک است] است و در نتیجه کنترل لامپ ها از مرحله 1 دوباره آغاز می شود. بنابراین با صفر کردن و سپس یک کردن خط کنترل حالت، می توان لامپ ها را در حالت همزمانی قرار داد.

شکل 4 زمانبندی حالت همزمانی

مدار فوق همه ویژگی های لازم برای یک چراغ راهنما را دارا می باشد. می توان دو حافظه 2716 را در یک مدار قرار داد و هر یک را به نحو دلخواه برنامه ریزی نمود. سپس با یک کلید ساده یکی از دو حافظه را جهت کنترل چراغ راهنما انتخاب نمود. بدین منظور، همه پایه های دو EPROM بجز پایه 18 موازی می شود. یعنی پایه 1 از 2716 اولی به پایه 1 از 2716 دومی، پایه 2 از 2716 اولی به پایه 2 از 2716 دومی و … متصل می شود. پایه 18 از دو تراشه 2716 به یک کلید DPDT متصل می شود به گونه ای که در هر حالت پایه 18 یکی از آنها یک و دیگری صفر است.

با عوض کردن وضعیت کلید، حالت مزبور عکس می شود. تراشه ای که پایه 18 آن صفر است، انتخاب خواهد شد و کنترل لامپ ها بر اساس داده های ذخیره در آن صورت می گیرد. در حالتی که بیشتر از 8 خط داده مورد نیاز است، از دو حافظه 2716 استفاده می شود، به گونه ای که خطوط A0-A10، پایه 18 و پایه 20 آنها یکسان می باشد. در این حالت دو حافظه به صورت هماهنگ کار می نمایند و تا 16 لامپ مختلف را می توان کنترل نمود.

سیستم عملکرد چراغ عابرین پیاده

بسیاری از چراغ راهنماها دارای سیگنال سبز/قرمز برای عابرین پیاده نیز می باشند. در این مدار نیز چنین سیستمی را می توان پیاده نمود (به شکل 1 و 2 مراجعه شود). هنگامی که لامپ 7 روشن است، عابرین پیاده نمی توانند از شمال به جنوب یا برعکس عبور نمایند. در حالی که می توانند از شرق به غرب یا برعکس حرکت نمایند و در نتیجه چراغ مربوط به آنان باید سبز باشد. پس چراغ راهنمای مربوط به عابرینی که از شرق به غرب یا برعکس حرکت می کنند باید هنگام روشن بودن L7، سبز و در بقیه زمان ها قرمز باشد.

بنابراین لامپ سبز مخصوص پیاده این خیابان با لامپ L7 موازی می شود. برای کنترل لامپ قرمز آن، از مداری مطابق شکل 5 استفاده می شود. برای چراغ راهنمای عابرینی که از جنوب به شمال یا برعکس حرکت می کنند، لامپ سبز آن L3 موازی می شود و جهت لامپ قرمز آن از مدار شکل 5 استفاده می شود.

شکل 5 مدار تکمیلی برای کنترل چراغ راهنمای عابرین پیاده

همه قطعات به کار رفته در این پروژه به وفور در بازار موجود است. 2716 باید توسط PC یا دستگاه برنامه ریز EPROM پر شود.

تذکر: در نقشه مدار چاپی شکل 6، محل برای LEDها (D1 تا D8) و مقاومت های R6 تا R13 در نظر گرفته نشده است. این قطعات مستقیما به رله متصل می شوند.

شکل 6 اندازه واقعی نقشه مدار چاپی شکل 2

شکل 7 محل قرارگیری قطعات برای نقشه مدار چاپی