Электронный конструктор светофор своими руками
Обновлено: 11.05.2024
Не так давно у меня была опубликована статья про макет "Перекрёсток" с действующим светофором, изготовленный с помощью конструктора Lego под управлением электронных компонентов Arduino. Как сделать светофор я обещал в статье. Выполняю обещание.
Для изготовления светофора мы использовали такие детали.
Вам потребуется:
- Бруски из конструктора Lego
- 3 светодиода ( красный, желтый, зеленый )
- 3 резистора 220 Ом
- Провода
- Плата Arduino
- Схема и прошивка ждёт вас в конце статьи
А ещё клеммную колодку, можно от ЭПРА люминесцентных светильников , как видите этого добра у меня хватает.
Провода для соединений я использую из витых пар. Сейчас вся страна ими опутана, как паутиной, и, как правило, их не убирают при повреждении, а просто прокладывают новую трассу. Хорошие, кстати, цветные провода, правда несколько жестковаты, но пойдут.
С деталями разобрались, можно приступать к изготовлению светофора.
Сверлим в бруске 3 отверстия под светодиоды.
Отличное, кстати, ступенчатое сверло с AliExpress для различных поделок.
Вставляем в отверстия светодиоды и фиксируем термо или супер клеем, слегка, чтобы только держались.
Припаиваем к плюсовой ноге каждого светодиода, та что длиннее , резистор на 220 Ом, а к короткой ножке общий, желательно синий или черный провод, лишнее откусываем. Не откусите лишнее и отходящие концы от резисторов.
К резисторам подпаиваем провода длиной 10 см, желательно соответствующие цвету светодиода, к которому паяете.
Надеваем термоусадочные трубки на припаянные проводники и нагреваем до плотной усадки.
Проверьте работоспособность светодиодов после манипуляций с ними , после дальнейших манипуляций добраться до мест соединения будет труднее. Подайте напряжение +5 V, минус на общий провод и + на ноги с резистором.
Если светодиоды всё ещё работают, уложите аккуратно провода в короб бруска конструктора и капните на соединения пару капель термоклея и закройте соединения темной планкой от Лего. Дождитесь затвердения термоклея.
Получится такая деталь.
Осталось приклеить клеммную колодку и припаять к ней провода.
Теперь у вас есть работающий светофор для конструктора Lego.
Схема подключения светофора к плате Ардуино.
Прошивка сделана в программе XOD и выглядит так.
Сможете, соберите алгоритм сами в программе XOD по скриншоту. Не сможете, не беда, скачайте готовую прошивку здесь:
Вам потребуется программа XOD для загрузки или создания алгоритма и прошивки в платы Ардуино.
Как это делать можно прочитать здесь:
Это совсем не сложно и очень интересно.
Можете усложнить этот проект , создать что-то новое или познакомиться с другими разработками в программе XOD на нашей странице навигации по темам канала.
А на этом сегодня всё.
Экспериментируйте.
Спасибо, что дочитали статью до конца.
Надеюсь статья была вам полезна и интересна.
Понравилась статья, ставьте палец вверх.
Хотите следить за новостями, подписывайтесь на наш канал.
В связи в планируемым переходом на continious integration и прочтением пары статей о светофорах в офисе захотелось и себе заиметь такой теплый ламповый прибор. В результате он получился совсем не теплым и не ламповым, но об этом потом.
Кто интересовался этой темой, уже знает что цена нового светофора колеблется в районе $500. Попытки найти бывший в употреблении списанный прибор так и не увенчались успехом. Оба варианта никак не могли радовать бюджет и душу двух энтузиастов из офиса, поэтому было принято решение сделать светофор самому.
В принципе ничего сложного в конструкции светофора нет, но какой никакой макет все же был сделан. Так было легче представить себе что нужно вырезать и как это лучше сделать.
Перед тем как делать макет на одном из сайтов с объявлениями нам повезло найти стекла от советского светофора. Это стало огромным облегчением, так как оригинальные стекла как ничто лучше придают конструкции аутентичности. Соответственно размеры корпуса были продиктованы размером стекол, а также размерами внутренних компонент таких как блоки питания, разводка и т. п.
Главным “мозгом” был назначен raspberry pi по нескольким причинам. Первая єто его наличие после предыдущих экспериментов с “малинкой”, вторая это простота реализации управления светофором извне, установка разного рода софта, wifi и т. д.
Корпус
Началось все конечно с корпуса. Для его изготовления был применен ПВХ пластик который используется для изготовления внешней рекламы. Он очень легко поддаётся обработке и в комбинации с супер клеем на выходе дает довольно прочную конструкцию. Пластик с порезкой соответствующих размеров был заказан в рекламном агентстве. Точность порезки вышла немного хуже ожидаемой, поэтому после склейки корпуса пришлось изрядно поработать пластиковой шпатлевкой и наждаком. В итоге получился вот такой вот корпус.
Пластик оказался настолько податливым что изготовить козырьки оказалось проще чем кто либо мог предполагать. Вырезанные детали козырьков были брошены в кипящую воду, а затем изогнуты о двухлитровую банку до остывания. Да да диаметр двухлитровой банки оказался таким же что и стекол. Вот это унификация была в СССР!
Пока просто приложив стекла можно было уже отчетливо видеть будущий светофор, хотя еще на этапе корпуса казалось что ничего хорошего с этой идеи не получится.
После покраски в чёрный “светофорный” цвет все стало выглядеть еще более замечательно. Также были наклеены маскировочные шнуры для прикрытия крепежа стекол и придания конструкции более завершенного вида.
Электроника
В угоду безопасности, уменьшения энергопотребления и еще ряда причин в качестве источника света были выбраны светодиоды. Всего 27 штук, по 9 на цвет. Для них в корпусе соответственно было просверлено 27 отверстий.
Для удобства ремонта и установки светодиодов они были размещены на пластиковых матрицах с размещением совпадающим с отверстиями в корпусе.
Они с легкостью устанавливаются и снимаются на случай если сгорит один из светодиодов. Для управления логикой используются выводы GPIO на raspberry pi, соответственно в качестве управляющей логики была изготовлена плата с тремя реле управляемыми напряжением 3В и коммутирующими 12В, которые подаются на светодиодные матрицы.
На этапе тестирования перед окончательной сборкой сборкой все выглядело примерно вот так.
Все “заброшено” в корпус и приделан временный шнур питания на 220В так как под рукой в момент сборки не было шнура достаточной длинны. Внутри также размещено два блока питания. Один 12В для питания светодиодов, второй блок с портом USB для raspberry pi.
Программное обеспечение
Простенький код веб скрипта для управления, который позже был заменен на описанный выше.
Затраты
На все ушла примерно неделя работы двух человек, по часу в день после работы. По деньгам же:
| Raspberry Pi model B | $50 |
| Пластик ПВХ для корпуса с порезкой | $15 |
| Краска чёрная матовая | $10 |
| Блоки питания | $10 |
| Реле, светодиоды и прочая мелочь | $10 |
| Wifi свисток для raspberry | $10 |
| Стекла | $7 |
| Шпатлевка | $5 |
| Итого: $117 |
Заключение
Начнем с видео работы в демонстрационном режиме.
Как видно из видео, холодное свечение светодиодов в комбинации з нашим стеклом дало синеватый оттенок. Сейчас обдумываем варианты исправления, благо ремонтопригодность была заложена в нашу конструкцию.
Согласитесь разница в бюджете колоссальная, энтузиазм удовлетворен и результат более чем удовлетворительный. В результате получился хоть и не теплый ламповый а холодный светодиодный, но все же светофор, который в скором будущем надеюсь станет выполнять свое предназначение. Процесс перехода на continious integration еще пока не завершен.
Идея создания электронного конструктора будоражила мои мысли давно. В детстве у меня был конструктор ЭКОН-1 и хотелось создать что-то похожее, но на современном уровне. На рынке бал правит Знаток, за рубежом есть также примеры модульных конструкторов, но цена и курс не радуют глаз.
С другой стороны в СССР были интересные наработки (одна из них живет в Германии до сих пор и выпускается).
Хотелось также чего то «теплого» в материалах, типа дерева. В 2014 году в рамках проекта ПРОСТОРОБОТ родилась идея электронных кубиков, который в 2015 году получили даже приз от АИДТ за идею на одном из отборочных этапов Startup Tour.
Также в это время я придумал логическую настольную игру «Цепь», которая позволяла играть в «электрические схемы». Игру можно свободно скачать и распечатать по ссылке.
Шло время. Кубики пришлось отложить в сторону, так как цена магнитов нужной мощности делала их достаточно дорогими. Игра «Цепь» дождалась своей очереди в доработке.
В 2016 году я решил вернуться к проекту и «достал» кубики. Первая идея была использовать те же кубики, но сделать крепления по типу пружинных контактов и склеить из картона поле с ячейками, на стенках которых располагались бы контакты:
Конструкция получилась громоздкой, а из-за низкой жесткости стенок кубики не давали нужного качества контакта.
Инженерная мысль двигалась дальше. Небольшое отступление по выбору материала. Вы можете резонно сказать, почему я не воспользовался 3D печатью или лазерной резкой? Ответ прост — у меня нету 3D-принтера (точнее его некуда ставить в квартире), а ближайшая вменяемая резка по цене и качеству находится километрах в 500 от моего города. Даже найти тонкую фанеру оказалось нереальным квестом, не говоря уже об специальной модельной. Плюс давно хотел попробовать привычный любителям настольных игр материал — картон.
Второй вариант был применить способ, который я уже использовал ранее при проектировании Скратчдуино — то есть 2.5 моделирование самих блоков конструктора и магниты для крепления. Этот способ не требовал мощных дорогих магнитов, а у меня дома был запас цилиндрических 5 мм магнитов разной высоты (2 и 3 мм).
Также было решено для начала сделать «физический» аналог настольной игры «Цепь», благо он требовал поля только 4x4, а потом уже собрав все «шишки», сделать поле сборки большего размера (хотя бы 4x6, а лучше 6x8).
Оставался еще один вопрос — из чего сделать контакты. Идеал — медная полоса. Проблема идеала — где ее взять. Также медь немагнитна и надо было бы ставить магниты и на поле и на блоки. С учетом того, что для размещения под контактами надо было бы магниты по мощнее (а это и средства и время на пересылку), поиск подходящего материала продолжился. И взгляд упал на скобы для степлера. Дома были скобы разных размеров, они были стальные (то есть проводили ток и магнитились) и их было много.
В итоге список необходимых компонентов определился — скобы для степлера №35 (26/6 1 упаковка), магниты неодимовые С-5x2-N35 и C-5x3-N35 с никелевым покрытием (проводящим ток), картон (микрогофрокартон, оставшийся от упаковок из-под фотографий и коробок), провод, припой, светодиод, резистор, микролампочка, диод и кнопка. Для склеивания деталей решено было применить клей ПВА, а для пробивания отверстий под магниты подошел обычный дырокол.
Материалы определены, размеры тоже (ячейка 40x40 мм, блок 38x38 мм) и начался непосредственный процесс.
Поле представляет собой лист картона, размеченный на квадраты 40x40 мм, боковые грани которых по центру «простеплерены» блоком скоб.
Скобы я брал такие же, как и для блоков-кубиков, но тут же совершил первую ошибку. Я не посмотрел, что скобы покрыты сверху не проводящим ток материалом и поэтому пришлось позже защищать их. Также я попытался облудить их (что получилось не очень качественно) и размер скоб надо брать больше, чтобы не зависеть от погрешностей изготовления блоков. Если решите повторить эту конструкцию, возьмите скобы шириной около 20 мм и делайте блок шириной 1 см.
Скобы были вставлены в прорези картона и загнуты с обратной стороны. На фото боковые провода нужны для «имитации» общей шины настольный игры «Цепь» и в итоговой версии конструктора будут заменены блоками.
Итак, в результате этой кропотливой работы у нас получается поле с контактными площадками, к которым хорошо примагничиваются наши магниты-контакты.
Теперь нужно было сделать сами блоки с проводниками и радиодеталями. Проблема заключалась еще в том, что в настольной игре были элементы с крестообразным пересечением и скрещивающимися проводниками, а обеспечить контакт всех 4-х магнитов было невозможно (вспомните через сколько точек проходит плоскость). Поэтому было решено отказаться от таких блоков и сделать максиму Т-образные элементы. Для скрещивающихся элементов я планирую использовать специальные мостики-провода в будущем.
Сам блок состоит из трех квадратов картона размером 38x38 мм. В среднем проделаны отверстия под магниты и прорези для скоб. На него сверх приклеивается на клей ПВА второй квадрат только с прорезями для скоб. После этого устанавливается в отверстие маленький магнит 5x2 мм, сверху закрывается блоком скоб, которые загибаются с другой стороны. К ним припаиваются радиодетали или проводники. С другой стороны ставим магниты 5x3 мм и приклеиваем квадрат с отверстиями. За счет того, что магниты «прилипают» к магнитам под скобами они очень плотно держатся и не остаются на поле.
Таким образом изготавливаем заготовки с двумя и тремя магнитными площадками. Затем припаиваем проводники или радиодетали.
Сверху наклеиваем картонные полосы (два или три слоя в зависимости от высоты деталей) и закрываем все картонной «крышечкой», на которой рисуем маркером обозначение (прямой проводник, угловой, Т-образные или радиоэлемент).
В итоге мы получили вот такое поле и набор деталей. Батарею я не стал делать в виде блока (хотя есть идея использовать таблетку на 5 В в будущем), а сделал элемент с двумя проводами, к которым подключаются 3 батарейки.
В процессе тестирования оказалось, что лампочка не зажигалась, если в цепи был светодиод или резистор, а светодиод нельзя было использовать без сопротивления (запах горелой пластмассы это отчетливо показал). Поэтому для имитации игрового процесса было решено собрать «сигнальную» цепь из другого светодиода и резистора на макетной плате, а игру чуть упростить, оставив только один светодиод, который нужно «зажечь» для выигрыша. Это оказалось не критично и такой вариант даже более интересным, так как позволял менять стартовые условия игры. Сама игра «Цепь» в настольной версии также будет переработана и перенесена на поле больше размера, с несколькими лампами и светодиодами и различными стартовыми позициями.
Для игры также были заготовлены карточки, вытягивая которые игрок понимает, какой элемент он может использовать. Ниже итоговое фото игры-радиоконструктора, а также процесс игры.
Я не буду рассказывать, что такое и как писать скетчи.
Я не буду объяснять, каким концом надо держать паяльник.
Я не буду излагать доводы за и против существования электронного конструктора на одежных кнопках.
Я расскажу вам историю об успешном опыте скрещивания конструктора «Знаток» и Arduino в отдельно взятом домохозяйстве.
Предыстория
Как-то вечером, собираем с ребенком схему из конструктора «Знаток». Включаем. Я чувствую запах горелого пластика. Выключаем. Анализирую схему и вижу, что в моем издании схем многоуважаемого А.А.Бахметьева транзистор безуспешно модулирует химический источник напряжения, выдавая своё искреннее возмущение температурой.
Транзистор в результате сдох. И я его опять заменил:
Для этого пришлось отломать белую нижнюю крышку, но был получен ценный опыт по разбору деталей конструктора:
Юный экспериментатор не останавливался на достигнутом и вскоре сообщил: «Хьюстон, у нас проблема: отказ блока 23»:
Вот тут и пригодился опыт разбора блока с транзистором. Внутри блока 23 две каплевидные микросхемы с маркировкой TAIKONG-1 и TAIKONG-2, а также транзистор S9012. Транзистор я заменил, хоть он и был исправным, но блок не ожил. Поскольку электронного микроскопа у меня не было, пришлось много гуглить. Судя по всему, этот модуль должен был издавать звуки «Пиу-Пиу-Пиу» и «Тыщ-Тыщ-Тыщ» в зависимости от того, какая ножка окажется на земле. Если обе ножки оказывались на земле, звучала комбинация «Пиу-Тыщ-Пиу-Тыщ».
Очередным вечером сдох блок 21. Внутри блока два транзистора (уже знакомые S8050 и S9012). Замена ни к чему не приводит. Маркировка на плате CLZSD1 гуглению не поддалась. Что интересно, мелодия зашита только одна, но можно задавать её длительность через сопротивление между ножками.
Время шло. Сдох блок 22. Внутри транзистор S8050 и микросхема капелька. На плате маркировка CL9561. Замена транзистора блок не оживила. Гугление показало, что эта плата широко используется в детских игрушках (автоматах, машинках) и в детских сигнализациях. Умеет издавать звуки пожарной и полицейских сирен, скорой помощи и автоматной очереди, опять же, в зависимости от того какая нога окажется на земле. Все правильно: две ножки — четыре звуковые дорожки.
Аналоги микросхемы в корпусе DIP и MSOP LM4871, либо платы KD9561 стоят от 0.30$ в коммерческой партии или от 3$ от 5шт. Платить 15$ за шумовые эффекты, особенно вечером трудного дня когда так хочется тишины, не хотелось и я благополучно забил забыл.
- экономически;
- нет гарантий что они не выйдут из строя самостоятельно, либо с помощью юного конструктора из-за отсутствия защиты и неправильных схем;
- исчезает элемент новизны и интерес к конструированию падает.
Теоретические изыскания
Я не ардуинщик, но мысль скрестить Arduino и конструктор «Знаток» носилась в воздухе. Если ребенок освоил конструктор, пусть дальше играется в Arduino, тем более что есть Scratch для Arduino. Переходить с шага ножек 2.8см на 2.5мм и взрослому тяжело, а ребенку и подавно. Поэтому решено: используем стандартные делали «Знатока». Отправляемся в магазин за одежными кнопками и получаем расценки 1$ за кнопку. Я не этого ждал. За 20$ можно купить «Знатока» начального уровня.
Как-то раз вертел в руках плату Arduino Pro Mini 5V. Размеры подходящие. Питание подходит для «Знатока» (4.8..6В =четыре батарейки/аккумулятора). Цена адекватна в районе 3$. Скетчи заливать я пока ребенку не доверю. Вот только входов/выходов слишком много, да и выбор цифра/аналог добавляет степеней свободы. Как все это развести в три ножки стандартного блока (две на питание и землю)?
- Идея раз: три свободных одежных кнопки блока выводим на разъёмы. При необходимости, разъём будет одет взрослым на правильный пин Arduino.
- Идея два: конфигурацию Arduino можно задавать устанавливая джамперы на ножки и опрашивать их при старке скетча. Выбирая, что будет изображать из себя Arduino: светофор, музыкальную шкатулку, охранную сигнализацию и т.п.
Реализация
Берем блок. Аккуратно разбираем. Сначала аккуратно обстукиваем блок по периметру молоточком, в надежде, что хрупкий клей треснет. Далее вгоняем тонкий нож (а лучше скальпель) между блоком и крышкой. Осторожно пошатываем и ослабляем клей по периметру. Через пару минут аккуратных манипуляций белая защитная крышка снята и мы можем увидеть внутренности блока.
Безжалостно выпаиваем плату. Вряд ли она нам еще пригодится.
Спиливаем крышку блока ножовкой или дремелем.
Чуть-чуть (буквально на миллиметр) увеличиваем отверстие по длине. Плата Arduino Pro Mini не должна пролазить в отверстие. Запаиваем пины. Мне было лень думать, поэтому я запаял все пины. Имея отлаженный скетч, можно запаять только необходимое, либо вообще обойтись без пинов. В отверстие должны пролазить пины с юбкой (как еще называется эта черная пластиковая линейка, объединяющая пины?)
Запаиваем питание. Исходя из стандартной для Знатока схемы: сверху окажется "+" (RAW), а снизу "-" (GND).
Не утерпел — собрал первую схему. Традиционно помигал встроенным светодиодом.
Отмываем плату и сверлим отверстия под провода. Имеем ввиду, что устанавливаемые детали конструктора могут загораживать отверстия и мешать нашим проводам, поэтому лучше отступить дополнительные 2..3 мм от центра кнопки.
Заливаем скетч светофора. Собираем новую схему. Цепляем проводки от кнопок на соответствующие ноги атмеги. В комплекте Знатока только два светодиода, поэтому я впаял бело-лунный светодиод (другого под рукой не было) в цоколь от неисправной лампочки. И наслаждаемся!
Блок может храниться в стандартной коробке конструктора, надо только вытащить провода из пинов. (Либо вниз пинами, тогда можно не вытаскивать провода).
Хорошо бы поставить защиту, Омов по 20 на каждую из трех ножек блока, да и переплюсовку предусмотреть. Но цена замены Arduino 3$ гораздо ниже планки моей лени.
Новый блок конструктора «Знаток» реанимировал интерес ребенка к электронике. Как теперь назвать новый блок?
Поправка от 04.09.14.
Опорный штырь пластикового основания монтажной платы упирается в Arduino. Поэтому плату следует монтировать сверху блока, а не снизу, как описано ранее. В продакшен пошёл именно этот вариант:
Предыстория
История с создания этого светофора начиналась так. В один прекрасный день, супруга привела ребёнка из садика всего в слезах. Оказывается папа одного из мальчиков сделал светофор, и мальчик принёс этот светофор в садик, моё чадо хотело поиграть с ним, а ему не давали (может и давали, но по его мнению, мало).
Светофор получился прикольный, жена сфотографировала его на мобильный, вот это фото:
В итоге, моя малышня говорит: «Папа сделай мне такое же». Что мне остаётся, маленький ребёнок просит, значит надо делать, тем более самому было интересно сделать такую игрушку.
Схема и скетч
Я решил сделать немного другой светофор, он будет для автомобилей, и для пешеходов. Управлять светофором будет конечно же микроконтроллер, в данном случае Arduino Pro Micro (можно использовать любую другую Arduino плату). Схема простая до безобразия:
Первые три светодиода — это красный, желтый и зелёный свет для машин, остальные красный и зелёный для пешеходов.
Найден в интернете, с моими небольшими правками
На макетной плате собрал схему, всё работает как надо:
Светодиоды покупались — тут, плата Arduino Pro Micro покупалась — тут, резисторы советские МЛТ — нашлись в закромах.
Надо делать самое сложное — корпус.
Сборка
Были у меня светорассеиватели от сломанного китайского прожектора:
Отталкиваясь от размера светорассеивателей прикинул размер будущего светофора. Корпус решил делать из листового вспененного ПВХ толщиной 4 мм, такой используется в наружной рекламе, материал лёгкий и достаточно прочный. В иллюстраторе набросал элементы корпуса будущего светофора:
Может кому понадобится, ссылка на раскрой светофора — тут
Так как ЧПУ у меня пока нет, придется вырезать всё вручную. Напечатал раскройку корпуса на самоклеящейся бумаге, наклеил на лист ПВХ:
Берём нож и вырезаем, вспененный ПВХ режется довольно легко:
Пробуем собрать детали светофора:
Сверлим отверстия и примеряем светорассеиватели, за одно прикидываем какого размера и формы надо сделать козырьки:
С помощью цианакрилата и соды склеиваем корпус, содой засыпаем щели и пропитываем клеем:
Зачищаем сначала 100-й, потом 240-й, в конце 360-й наждачной бумагой, корпус приобретает такой вид:
Тоже самое делаем с основанием будущего светофора:
Стойку для светофора выточил из полипропиленовой трубы диаметром 20 мм:
Примеряем детали вместе, извиняюсь за беспорядок на столе:
Козырьки для светофора решил вырезать из пластиковой бутылки, зачищаем перед покраской:
Грунтуем, красим и покрываем лаком:
Приклеиваем светодиоды, и устанавливаем светорассеиватели на место:
Элементом питания для игрушки будет литий-ионный аккумулятор 16340, по известной технологии изготавливаем для него «холдер»:
Забегая вперед, скажу, максимальное потребление схемы когда горит одновременно красный и желтый свет около 50 мА. Аккумулятора хватит на долго, тем не менее его всегда можно достать и зарядить.
На макетной плате собираем остальную часть схемы:
Пробный пуск:
Сделал гифку для наглядной демонстрации как работает светофор, время свечения каждого цвета разумеется можно менять, отредактировав скетч:
Вот такая получилась игрушка, ребёнок очень доволен — папе приятно.
Всем удачных поделок, спасибо за внимание.
Читайте также: