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格安に出来る鉄道模型用のデジタル速度計の製作

 以前書いた100円ショップのデジタル温度計の改造記事にNATSUKIさんからコメントがあり、鉄道模型の速度表示に使うと具合がいいという話を教えて頂きました。

 おー、、そんな用途があったのか、と感心したので私もいじってみました。と言っても鉄道模型は持っていないので、雰囲気を味わって見ただけなんですけどね、、

▼素材のデジタル温度計
キャンドゥのデジタル温度計、100円

 これでバッテリー電圧計を作る方法はいろいろな記事で公開しています。今回は鉄道模型の速度計を作るのに必要な情報を、この記事に集めてみたいと思います。

 以下、順に説明していきます。

1.デジタル温度計の改造
 デジタル温度計を測定周期2秒、華氏表示、単位記号表示無しに改造します。やり方は、「キャンドゥのデジタル温度計の改造(仕様変更)」を参照下さい。要するにショートパッドの(1),(2),(3)を接続し、基板のパターンを一箇所切断する作業です。
 この改造を行うことで、199.9表示が可能になります。

2.速度計用の回路を組み込む
 鉄道模型で使われる0Vから12Vの範囲が入力できるよう、以下の回路を組み込みます。
 回路図中のLED/CDSのフォトカプラの作り方はバッテリー電圧計の試作編の記事をご覧下さい。
デジタル速度計回路図
 電圧の入り口から説明すると、D1からD4のブリッジで極性を固定し、スケーリング回路を通してLED1を光らせることでCDSの抵抗を変化させて、それっぽい表示を得る回路になっています。
 CDSに並列に入っているVR1はゼロ調。VR2はフルスケール調整。C1は電源がPWMだと誤動作しそうな気がしたので入れてみました。回路図の47μFはちょっと大きすぎるので、応答性を重視するなら1μFくらいが適当だと思います。でも、速度表示がゆっくりと変化する方がリアルな感じになると思うので、もっと増やした方がいいかも知れません。このあたりはお好みで調整してください。
 LED2,LED3,R2は折線近似回路なのですが、ここは後で説明します。

 なお、LED1には白色LEDを使いましたがこれは順電圧(Vf)が高いので、赤や赤外のLEDを使った方が良いと思います。そうした場合、LED/CDSのフォトカプラの感度が変わるので、R1,R2,VR2の値は修正が必要になります。

3.調整と特性確認
電圧/表示速度
 横軸が電圧で縦軸は表示される値で、12Vで120km/H表示に調整した例です。

 グラフには線が二本ありますが、赤い線(折線近似一段)が上に書いた回路の特性で、青い線(ノーマル)はLED2,LED3,R2を外した場合の特性です。

 実は最初は折線近似回路無しで作ったのですが、電圧に対する表示の直線性が悪かったので折線近似回路で補正しました。この回路は一段の補正ですが、お好みでもっと補正段数を増やしても面白いと思います。

 レール電圧が2.5V以上にならないと表示が変わらないのは、上の方に書いたようにLED1の順電圧が高いためです。ここに赤や赤外のLEDを使えば1.5Vくらいから速度表示が上がり始めるはずです。同じ理由で、D1~D4にはショットキーバリアダイオードを使った方が良いでしょう。
 ところで、鉄道模型は何ボルトくらいで動き始めるんだろう?

4.表示例
▼最低速度表示
最低値表示
 VR1でゼロ調しますが、残念ながら0.0表示にはなりませんでした。たぶん内部処理の分解能が足らないのだと思います。

▼時速120km
120km/H
 0.1km/Hまで表示しますが、これって実車を越えているかも。

▼在来線最高速
160km/H
 目の前をエアー「特急はくたか」が走ってますw

5.まとめ
 デジタル速度計はPICなどで作るのが最近のやり方だと思います。でもこの記事のやり方だと、格安で速度計を作ることができるので模型鉄の方にお勧めです。

 実はプリント板の部分を後ろに折り返して四角いケースに入れようとしたのですが、フレキの部分が不調でそこまでは出来ませんでした。ならば、ということで新しい温度計を買おうとしたのです、近所のキャンドゥではもう売ってませんでした。もう手に入らないのかなーー、本当だとしたらヤバイ。

 すでにお気付きと思いますが、この速度計の上限は199.9km/Hなので新幹線には使えません。在来線でお楽しみ下さい。(*^_^*)

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Arduinoで作るハイテク和時計、とりあえずまとめ

 Arduinoで動かす和時計がほぼ完成した?ような感じなので、使ったパーツの現在の状態をまとめておきます。

▼文字盤
和時計の文字盤

 これまで和時計の説明を全く省略して記事を書いていたので、文字盤の読み方について少し説明しておきます。

 和時計は昼と夜を合わせ一日で一周します。昼は卯の正刻(明け六つ)から、夜は酉の正刻(暮れ六つ)から始まります。一日は十二の時(とき)で表現されます。つまり一時(いっとき)は2時間に相当。一時は初刻と正刻にニ分割。さらに細かくは一つから四つまでの四分割であらわす。
 このようなルールをこの文字盤に盛り込んでいます。何か間違いがあったらご指摘下さいね、

 昼と夜の長さは季節によって変わるので、和時計ではメカで時計の速度を切り替えています。その操作をArduinoと光センサーでやっちゃおう、というのが今回の試みです。

 なお、正確な緯度経度と日時が判っていれば、季節による昼夜の時間変化は計算で求めることが出来るので、こんな仕掛けは不要です。でも、それではあまりにつまらないです。

▼インターフェイス
和時計のインターフェイス回路
 これ以外に液晶シールド(2行×16文字)を接続しています。

 Digitalの9,10ピンで100円ショップの目覚まし時計のステッピングモータを駆動。
 Digitalの8は昼夜信号で、ベランダミニ太陽光発電の太陽電池パネルの電圧をシュミットトリガした信号を入れています。
 シュミットトリガの感度設定の関係で、和時計の本来の時間より昼が若干短く(たぶん20分くらい)なっています。また、シュミットトリガのヒステリシスで10分くらい時刻が遅れています。このあたりの誤差は今後もう少し詳しく調べたいと思います。

 Digitalの7ピンは時計を強制的に運針させるスイッチで、最初の秒針合わせのために使用します。ちなみにこのスイッチを入れっ放しにすると、普通の時計になります。(笑)

▼Arduinoのスケッチは、
 和時計のスケッチ20120122版
 へたくそで問題がある可能性も高いのですが、とりあえず公開します。
 和時計は2秒に一回程度の周期で秒針を進めればいいので、1秒毎に割込みを掛けて秒針を進めるかどうか判定をすることで時計の速度を調整しています。したがって、秒針の刻むリズムは一定ではありません。

使い方
・起動したらスイッチで時計を正確に合わせておきます。昼なら暮れ六つ(現代の時計で15:00の位置)、夜なら明け六つ(現代の時計で9:00の位置)に合わせます。昼夜が最初に変わるまで時計は動きません。
・スタート後昼夜が二回変わるまで、固定時間(8時間)で時計を廻します。
・その後は適当に昼夜に同期するはずです。同期のロジックはこの記事の後ろの方を参照下さい。
液晶シールドには昨日/今日の昼/夜の長さを表示します。

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