Sygnalizator świetlny

„Brum, brum, iiiii! Czekaj, czerwone!” Zabawę samochodami, ciężarówkami, śmieciarkami czy jakimikolwiek innymi pojazdami można urozmaicić, choćby poprzez postawienie na skrzyżowaniu „prawdziwego” sygnalizatora świetlnego. Takiego jak te, które dziecko widzi na drogach. To urządzenie może również generować sygnał startu w wyścigach. Mała rzecz, a cieszy!

Prezentowanym układem można również dziecku pokazać, z czego składa się elektronika, jaką widzimy na co dzień. Tranzystory, kondensatory, rezystory, a nawet układ scalony! Jest też płytka, na której widać ścieżki, które z kolei łączą te elementy między sobą. A całość ŻYJE! Może nie podjada chrupek i nie fruwa, ale jednak robi to, czego od niej oczekujemy.

Budowa układu

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Jako światła sygnalizatora służą trzy barwne diody LED1…LED3, o średnicy 10 mm każda. Ponieważ w tym układzie ważne jest uzyskanie dużej jasności świecenia, są one sterowane prądem o natężeniu około 15 mA, ustalonym przez szeregowe rezystory o wartości 82 Ω. Prąd o takim natężeniu jest już sporym wyzwaniem dla mikrokontrolera zasilanego napięciem 3 V (wysoki spadek napięcia na tranzystorach obsługujących wyjścia, silnie zależny od egzemplarza i temperatury), dlatego zdecydowałem się zastosować do sterowania nimi tranzystorowe klucze, pracujące w stanie nasycenia. Tranzystory typu BC546 nadają się do tego celu idealnie, bowiem przy zasileniu ich bazy poprzez rezystor 3,3 kΩ, co skutkuje przepływem przez nią prądu o natężeniu około 0,7 mA, będą w stanie nasycenia przy prądzie kolektora wynoszącym 15 mA. Jednocześnie spadek napięcia na nasyconych tranzystorach jest niewielki (około 20 mV), więc wszystkie diody będą pracowały w podobnych warunkach.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu sygnalizatora

Za sterowanie diodami odpowiada prosty, tani i dobrze znany mikrokontroler ATtiny13A. Przyciskiem S1 można rozpocząć pracę sygnalizatora. Aby układ był bardziej odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, wejście mikrokontrolera, które sprawdza stan styków tego przycisku, zostało dodatkowo podciągnięte zewnętrznym rezystorem o rezystancji 3,3 kΩ. Dotyczy to również wejścia zerującego mikrokontroler.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej w kształcie stojącego sygnalizatora świetlnego, której obrys mieści się w prostokącie o wymiarach 170 mm × 40 mm. Jej wzór ścieżek oraz schemat montażowy pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat montażowy i wzór ścieżek płytki

Montaż proponuję rozpocząć od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, czyli rezystorów. Pod mikrokontroler US1 proponuję zastosować podstawkę, aby ułatwić jego programowanie oraz wymianę w razie uszkodzenia. Kondensator C2 należy wlutować na nóżkach na tyle długich, aby dało się go położyć na powierzchni laminatu. W pełni zmontowany układ prototypowy można zobaczyć na fotografii 1. Wszystkie wyprowadzenia elementów, lutowane od strony ścieżek, warto przyciąć na możliwie małą długość, aby nie miały ostrych krawędzi. Można to uzyskać również poprzez zeszlifowanie wszystkich lutów na kawałku papieru ściernego o średniej gramaturze (np. 200) po zakończeniu lutowania.

Fotografia 1. Płytka obsadzona elementami

Na fotografii 1 widoczne są również przewody biegnące od koszyka baterii, będącego jednocześnie podstawką dla sygnalizatora. Płytka została przyklejona do krótszego boku koszyka, z którego wychodzą na dole przewody – fotografia 2. Przed przyklejeniem warto zmatowić papierem ściernym zarówno powierzchnię laminatu, jak i boczną ściankę koszyka, aby spoina była możliwie wytrzymała. Na koniec trzeba przewlec przewody przez otwory w płytce i przylutować je do odpowiednich pól lutowniczych, najlepiej pozostawiając możliwie mały luz, aby trudniej było o nie przypadkowo zahaczyć i je oderwać. Po włożeniu baterii do koszyka będzie on stanowił stosunkowo ciężką i stabilną podstawę dla sygnalizatora.

Fotografia 2. Szczegóły montażu koszyka na baterie

Na etapie uruchamiania jest konieczne zaprogramowanie pamięci Flash mikrokontrolera dostarczonym wsadem. Wartości bitów zabezpieczających pozostają niezmienione względem ustawień fabrycznych i powinny wynosić:

Szczegóły są widoczne na rysunku 3, który zawiera widok okna konfiguracji tychże bitów za pomocą programu BitBurner. Częstotliwość taktowania rdzenia mikrokontrolera wynosi tylko 1,2 MHz, co jest wystarczające w tym zastosowaniu. Z kolei wyłączenie funkcji Brown-Out Detector przyczyni się do zwiększenia energooszczędności urządzenia.

Rysunek 3. Konfiguracja bitów zabezpieczających

Układ został tak zaprojektowany, by pobierać jak najmniej energii z baterii, toteż przez większość czasu mikrokontroler pozostaje w stanie spoczynku. Pobór prądu w stanie czuwania nie przekracza 1 μA, natomiast podczas pracy, czyli podczas świecenia diod LED, pobór ten waha się od 15 do 30 mA, w zależności od liczby świecących jednocześnie diod. Napięcie zasilania powinno wynosić 3 V lub niewiele więcej, by nie przekroczyć dopuszczalnego prądu diod.

Obsługa układu jest niezwykle prosta: po włożeniu baterii mikrokontroler przechodzi w stan spoczynku. Trzeba wcisnąć przycisk S1, aby go z tego stanu wybudzić. Generuje on wtedy sekwencję świateł:

• 5 sekund: światło czerwone,
• 2 sekundy: światło czerwone i żółte,
• 10 sekund: światło zielone,
• 2 sekundy: światło żółte,
• 5 sekund: światło czerwone,

po czym wyłącza światło czerwone i przechodzi z powrotem do stanu uśpienia. Daje to możliwość jednokrotnego „przejazdu” przez „skrzyżowanie” przez 10 s. Co istotne, zabawka nie wymaga od opiekuna pamiętania o tym, by ją wyłączyć po zakończonej zabawie. Jeżeli przycisk nie będzie wciskany, to światła pozostaną wyłączone.

Pobór energii w układzie został zoptymalizowany poprzez użycie trybu uśpienia mikrokontrolera, z którego jest on wybudzany po wykryciu zewnętrznego przerwania od zmiany styków przycisku oraz w wyniku występowania przerwań od licznika Watchdog. Wciśnięcie przycisku uruchamia Watchdog i konfiguruje go do pracy z generowaniem przerwań co około 1 s. Nawet w czasie pracy mikrokontroler przez większość czasu pozostaje w uśpieniu, wybudza się jedynie, by zaktualizować liczniki co sekundę i ewentualnie zmienić stan świecenia diod.

Do układu nie została przewidziana jakaś szczególna obudowa. Założyłem, że panują w nim napięcia na tyle niskie, że z pewnością nie grożą porażeniem. Nie ma też żadnych elementów nagrzewających się czy wrażliwych na wstrząsy. Warto jednak, aby małoletni człowiek nie dotykał metalowymi rzeczami do lutów elementów na płytce, a także żeby wiedział już, że nie należy wkładać do buzi wszystkich przedmiotów, które znajdzie wokół siebie...

Michał Kurzela, EP