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新登山鉄道 電子回路の検討

 先回は、システム仕様とセンサなどの制御機器を検討したので、これらを結ぶ電子回路を大まかに検討しておこう。 ソフトあってのハードですが、Arduino の動作確認のためにはハードが必要です。

 

■ ハード回路の概要

 今までのシステムを参考にして、制御回路を組んで見た。 マイコンは Arduino MEGA を設定している。 回路がゴチャゴチャして来たので、スマートな回路図が作成できるソフトを探してインストールしたのだが、使い方を一から勉強する必要があった。 しかし、なかなか難しそうで、もう勉強する気力がありませんでした。 そこで使い馴れた「水魚堂」さんのソフトに戻りました。 使い易いので何時もお世話になっております。

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 今回、手動運転と自動運転をスイッチ一つで使い分けることをめざしています。 さらに、運転状態をパネルに示そうと欲張っています。 このため、パネルのLED 表示のために多くの出力ピンがひつようとなりました。 受動でも自動でも同じ様に表示させるため、ソフト処理によって表示させる方法を選択したからです。 ただし、スイッチやセンサからの情報によってダイレクトにLEDを表示させることが可能な部分は、直接接続するようにしました。

 スイッチやセンサ、また、ポイント駆動回路は今までの方法を踏襲しましたが、給電制御のためのモータドライバは、20KHz以上のキャリア周波数が可能ななように、新しい仕様のドライバを採用しました。 そして、信号機の制御も計画したいますので、そのための構想も盛り込んでいます。

 全体のイメージは下のような回路になりましたが、まだ、未完成であるため、ぼやけた図面でご容赦を。

 

■ 入力部の回路

 まず、スイッチやセンサなどの入力部の回路を今までの例を参考にしながら検討しました。 部品等も再利用します。 OUTの先は Arduino の入力ピンに接続します。

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● 速度調整用の可変ボリューム

 走行させる車両の速度を調整するのもで、今までの方法をそっくり使いました。 その回路を右の回路図に示しています。 走行車両は1〜3編成可能なので、それぞれの車両に合わせた設定が必要ですし、走らせない車両もあるため、スイッチ付のボリュームにしています。 「登山鉄道自動運転システム 電気回路の検討」(2017/5/11)を参照下さい。

 現在の3連状態をそのまま活用します。 なお、回路には3.3Kオームの抵抗が追加されていますが、これは「登山鐡道 新自動運転システム 試運転の実施」(2018/3/16)にて会得したノウハウなのである。

● ポイント選択スイッチ

 この回路は初めて回路ですが、一般的なプルダウン回路とした。 スイッチがOFFの時(LOW)は定位とし、ONにする(HIGH)と反位になるように情報を処理するようにします。

● 進行方向選択スイッチ

 この回路も初めての回路です。 ポイント選択スイッチと同じ考えですが、進行方向を選択するため中立位置を設定し、どちらの方向も選択しない状態を設けます。 即ち、列車を停車させている状態とします。 スイッチをどちらかに倒すことによって進行方向を選択しますので、ON-OFF-ON のスイッチ回路としました。 また、この選択状態をパネルに表示させるため、緑色と青色のLEDを点灯させるようにしました。 ここでもLEDと並列に3.3Kオームの抵抗をもうけています。

● 到着信号処理回路

 レールエンドに列車が到着(衝突!)すると、特製のレールエンドにてフォトインタラプタが作動して信号を発します。 この信号をArduino の入力とすると共に、パネルにも赤色LEDを直接点灯させます。 従来の回路に表示用のLED回路を追加しています。

● 通過信号処理回路

 駅の入口に列車が来ると、駅構内を低速で走行させるために減速走行させます。 このための信号処理回路ですが、今まで使用してきた装置を流用しています。 ただし、LED点灯用の電源として9voltを使用してきたものを、信号処理と同じ電源の5volt電源に変更しています。

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【注意事項】 上記の到着信号と通過信号処理回路は、失敗例ですのお勧めできません。 その状況を後日報告致します。

 また、この様なセンサ処理回路は、センサの設置場所の近くでトランジスタによって波形成形などを処理して負論理状態にし、遠くに離れたマイコンに送信するのが常套手段なのです。 しかし、今までの装置の流用と安易な設計により、マイコンの近くで集中処理する方法となってしまいました。 このため、通信途中のノイズ混入に対して無防御になっているのですが・・・・。 信号の正論理処理と負論理処理の概念が、まだフラフラしている素人なのです。

 

■ 装置の解体と再利用

 入力信号の処理回路とポイント駆動回路など、マイコン周辺の機器を準備して行きます。 そのために、まず、今まで使用してきた機器を解体し、再利用できものは利用することにしました。

 下左の写真は、使用してきたパネルですが、これは解体して速度調整用の3個の可変ボリューム可変抵抗はそっくり再利用します。 しかし、LEDと一体となったメインボードは再利用出来ませんでした。 分解した機器類を下右に示します。 利用できる12volt と 9volt のACアダプタや配線類は再び使います。 Arduino UNO はストック箱行きですね。

 下左のLEDと一体となった入力信号処理などをまとめたメインボードは再利用出来ませんでした。 しかし、下右のポイント駆動回路を含むパワープレートは利用しますが、回路の変更が必要です。

 

● パワープレートの修正

 パワープレートの修正状況を説明します。 「新自動運転システム 運行不具合の対応 その2」(2019/1/21)にて対策したコンデンサ容量の変更に対して回路を切断しただけの安易な対策だったので、今回は、使用していない3300μF の大きなコンデンサを撤去した。 下左の写真。

 さらに、20kHzのPWMキャリヤ周波数にも対応できるように、モータドライバをバイポーラ形のTA7291Pから、MOS素子使用のTB6612FNG に変更しました。  この素子は小型面実装パッケージのため、工作容易なモジュール形式のaitendo製M6612D16をチョイスしました。 下右の写真。

 このモジュール取付けた状態を下にしめす。 今回は、登山口駅ユニットとの接続が容易なように、給電線とP1およびP2用のポイント線を一括して接続出来るように、6口のピンホルダを新たに配線した。

 

■ 新たに設けたユニット

 信号処理回路やLED駆動のための5volt電源として、新たに5ボルト定電圧ユニットを使用する事にした。 これはArduino の5volt 電源の負担を軽くするためですが、卓上レイアウトシリーズで採用してきたアイテムです。 しかし、今まで使用してきた aitendo のK-640T5V キットが生産中止のようなので、同じ機能のK-5V34063 を使うことにしました。 下左の写真。

 また、通過信号の反応調整のため必要な半固定抵抗3個をどこに設置しようか迷った。 この光センサ方式の欠点は、レイアウト環境の明るさに影響されるので、必要に応じて調整が必要なのです。 そこで、パネルの一部に取り付ける様に簡単なボードを工作した。 下右の写真。

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■ メインボードの工作

 入力信号処理用のメインボードは新設しました。 調整用の半固定抵抗やLEDは別の場所に移動しましたので、構成は簡単になったのですが、関係する機器間の結線のために、ピンホルダや引き出し線が増えてしまいました。 右の写真。

 センサからの入力は上部に設置したピンホルダに接続します。 右端部に設置したピンホルダは半固定回路との接続ポートです。 また、左下のピンホルダは、表示パネルに接続するためのポートです。

 そして、右下の空白部分には、ピンホルダをずらりと並べる予定です。 これは、Arduino から出力された出力信号を、将来設置予定の信号と表示パネルに分配するためのコネクタとして使用するためなのです。

 

■ 表示パネルの工作

 今回の工作の重要工作である表示パネルを工作した。 先回紹介した路線配置を模式的に表わしたイラストをLEDで表示させのだ。 方眼紙を使っていろいろ配置を検討した結果、チップLEDとチップ抵抗を使って配置すると、25×15穴 ( 72×47mm)のユニバーサルボードが使用出来ることがわかった。

 チップ部品と一部の配線を工作した状態を下左に示す。 Arduino等への配線は、φ0.29mm のポリウレタン線を使用して裏側(表側?)から取出している。 そして、予定している接続に応じて6個のピンヘッダにハンダ付けしている。

 一応はグループ分けしているの判別できると考えているが、点灯テストで確認して接続先を確認すれば良いと気楽に考えて、各配線のエフ付けなどは実施してません。 勿論、工作後の点灯テストは必須です。 ハンダ付け不良個所が何カ所か見つかっています。

 

■ 制御盤のボード製作

 次に、先回検討した制御盤の工作を実施しました。 設置場所に合わせて形状とサイズを決め、ベニヤ板を切り抜きました。 下左の写真。 これに工作した表示パネルを置いた状態が下右の写真です。 

 そして、レイアウト台に於いてみた状態が下左の写真です。 表示パネルには下右の写真のようなプレートを被せ、路線図を書き込んでおく予定です。

 

 次回は、この表示パネルの点灯状態を確認しましょう。

 

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 2021/11/12 作成