Qual è un buon approccio per rilevare distanza e velocità nelle ferrovie modello?

All'inizio devo ammettere che non ho una conoscenza pratica dei moderni microcontrollori e dei loro software: conosco molto meglio l'ingegneria energetica e i grandi motori (45 anni).

Ora, la mia domanda: cercare di ottenere i nipoti entusiasti dell'elettronica. Amano le ferrovie modello, quindi stiamo costruendo un sistema di monitoraggio dei treni poco a poco.

Problema attuale: rilevare la distanza (facoltativamente velocità) di una locomotiva da una posizione specifica della pista, senza interferire con la potenza della pista.

Piattaforma di controllo: Launchpad Stellaris

Opzioni considerate:
* TSOPxxxx con oscillatore a frequenza fissa "stupido" e LED RF in loco - Come posso ottenere informazioni sulla velocità?
* TSOPxxxx ed emettitore a terra, riflesso da loco - può ottenere la velocità in base al tempo di volo, forse
* 5 volt laser rossi e il rilevamento delle interruzioni tramite LED rosso come sensore (i bambini adorano i laser, quindi ...) - nessuna velocità rilevamento senza più dispositivi per posizione di rilevamento
* Tag RFID e una bobina a terra (identificherà la loco specifica che è un vantaggio) - nessuna informazione sulla velocità
* Sensori di distanza ad ultrasuoni - Ultrasuoni e ben supportati dai netizen, ma sospetto un angolo di copertura troppo ampio
* Uno dei tanti prodotti ferroviari modello pronto all'uso - contrariamente allo scopo di questo esercizio

Quindi, quale di questi approcci, o qualsiasi altro, mi darà il minimo dolore alla fine del software, e tuttavia comporterà opportunità sufficienti per coinvolgere i bambini di età compresa tra 8 e 12 anni nella progettazione elettronica con risultati che possono sperimentare? Quali sono le insidie ​​a cui prestare attenzione (oltre alla cola versata)?

I treni sono in scala N (scala 1: 160).

Altre risposte hanno fornito input eccellenti per le tue esigenze; La mia risposta si concentra esclusivamente sul rilevamento di prossimità (e presenza) di modellini di treni, nessuna identificazione, nelle scale a cui mi interesso, le minuscole scale N e T.

Tenendo presente la necessità di semplicità del software, una combinazione trasmettitore / sensore a infrarossi tritati sarà più semplice. La tua menzione dei dispositivi TSOP indica che stai già valutando quel percorso. Considera invece il TSSP4P38 che è progettato specificamente per il rilevamento di prossimità utilizzando IR troncato a 38 KHz:

Dichiarare ciò che potrebbe essere già ovvio per te: il rilevamento della distanza attraverso il tempo di volo delle onde elettromagnetiche (IR, radar ecc.) È impraticabile per i tuoi scopi: data la velocità della luce, è necessaria una risoluzione in femtosecondi o inferiore per 0-10 distanze target del centimetro con cui probabilmente stai lavorando (scala 1: 160 N). Nel "mondo reale" percorsi di transito che menzioni in un commento, le distanze potrebbero essere più grandi, suppongo.

Un meccanismo di sensore riflettente IR utilizzato nelle ferrovie modello in genere comporta, invece, l'intensità del segnale IR riflesso, che aumenterebbe per legge del quadrato inverso con l'approccio locomotivo.

Il dispositivo dovrebbe avere un LED IR come TSAL6200 e TSSP4P38, alloggiato in qualcosa di simile al diagramma a pagina 5 del foglio dati TSSP. La combinazione verrebbe montata tra i legami della tua traccia, uno rivolto verso ogni direzione. Se lo montate abbastanza in basso e puntando quasi parallelamente alle tracce, i riflessi di oggetti esterni saranno ridotti al minimo, le tracce funzioneranno come lampeggianti.

L'uscita del TSSP è un impulso a livello logico di durata proporzionale all'IR riflesso. Man mano che una locomotiva si avvicina, gli impulsi successivi si allungano, quindi le letture di almeno 2 impulsi consecutivi, preferibilmente diversi altri, forniranno una serie di durate di impulso e quindi un'indicazione di velocità. Dal foglio dati:

La larghezza dell'impulso di uscita di TSSP4P38 ha una relazione quasi lineare con la distanza dell'emettitore o la distanza di un oggetto riflettente. Il TSSP4P38 è ottimizzato per sopprimere quasi tutti gli impulsi spuri dalle lampade fluorescenti a risparmio energetico.

Se si soddisfano requisiti di precisione praticabili per il proprio dispositivo, sono fattibili "veloce" contro "lento", "avvicinamento" contro "retrocessione" e, naturalmente, la presenza di una locomotiva all'interno del raggio del sensore.

Dovrai basare il sistema per tenere conto delle riflessioni statiche, ad esempio dallo scenario. Inoltre, la calibrazione della velocità effettiva rispetto alle lunghezze degli impulsi consecutivi fornirà le mappature della gamma "veloce" / "lenta".

La durata dell'impulso può essere misurata utilizzando un ingresso timer / contatore sul microcontrollore preferito. Ci sono molti esempi sul Web per farlo su Arduino, ma come hai già detto usando uno Stellaris Launchpad, potrebbero essere necessarie alcune ricerche per farlo.

Questa è una panoramica di alto livello di una soluzione, non esitate a chiedere se specifici aspetti necessitano di chiarimenti. Probabilmente, dato il tuo background dichiarato, questo non sarà un progetto durante la notte, ma è realizzabile in una stagione delle vacanze. Alcuni dei prodotti ferroviari modello già pronti che hai citato usano questo meccanismo.

Per una discussione di rilevamento a distanza più generale, guarda questa risposta da una domanda precedente.

Se io fossi l'automazione di un modello della ferrovia avrei messo le etichette con codice a barre sul fondo delle vetture ferroviarie. Quindi, distribuito su tutto il percorso, posizionerei i lettori di codici a barre, rivolti verso l'alto tra i binari.

Con questo puoi rilevare la posizione, la velocità e l'identità delle auto. Ogni auto avrebbe un suo codice a barre unico, non solo la locomotiva.

Il rilevamento della posizione di questo metodo è molto ovvio, poiché si basa su quando un treno passa sopra un sensore. Ma dovrebbe funzionare bene per la maggior parte delle cose. Puoi sempre posizionare più sensori in punti importanti della traccia e meno sensori dove non importa così tanto.

Un enorme vantaggio di questo metodo è che il prezzo per vagone del treno è molto basso, solo un'etichetta che puoi stampare sulla tua stampante laser o ink-jet. La complessità per vagone ferroviario è molto bassa. E anche il peso aggiunto ad ogni auto è super basso.

Lo implementerei usando un LED IR e un fototransistor come sensore (ci sono componenti con entrambi questi integrati) e li collegherei a un microcontrollore. Ogni sensore ha il suo microcontrollore. I diversi sensori possono quindi essere collegati insieme utilizzando una rete semplice (come un bus RS-485). Con i LED IR, il sensore sarebbe difficile da vedere ad occhio nudo. Il costo totale per sensore + MCU potrebbe essere inferiore a US $ 3, escluso un piccolo PCB.

Vorrei iniziare con il metodo dell'interruttore ottico o del riflettore su entrambi i lati degli incroci stradali per segnalare l'avvicinamento dei treni e accendere un LED ROSSO lampeggiante. Il monitoraggio remoto può anche essere collegato a una mappa del treno con indicatori di attraversamento dei treni e direzione e velocità.

Lo scanner di codici a barre è ingannevolmente semplice fino a quando non si ha a che fare con la sicurezza del raggio laser, le velocità di tracciamento della velocità dell'etichetta e il tempo di intervallo di intervallo della barra di calcolo per calcolare la velocità e convalidare il contenuto del codice per determinare lo ione diretto nel software.

Suddividere il progetto in;

• progettazione funzionale del sistema
  • input, processi, uscite (include il rifiuto del falso trigger)
• progettazione elettronica
  • schema, DBA, layout
• progettazione del percorso ottico
  • percorsi e distanza dell'emettitore e del rivelatore, risposta in frequenza, reiezione del rumore
• costruzione e collaudo
  • cablaggio con power off track, filtro antirumore e dettagli meccanici, elettrici

L'IR può rilevare l'interruzione del segnale su entrambi i lati più facilmente o la riflessione del segnale dallo stesso lato con un intervallo di rilevamento più ampio. La sequenza verso due rivelatori adiacenti indica quale direzione e l'intervallo di tempo indicano la velocità. Questo può essere misurato con metodi analogici o digitali.

Gli scanner di codici a barre IR si basano sul codice che supera il rivelatore a velocità costante o che l'emettitore viene riflesso oltre il codice a barre per essere rilevato dalla dispersione della luce o dall'assorbimento del carbonio nero. I raggi laser fissi rivolti verso l'alto dovrebbero essere cambiati otticamente per ridurre la potenza a un livello sicuro o diffondersi e quindi focalizzati per un breve percorso per ridurre la densità di potenza della luce diffusa.