Verkeerslichten (Genomineerde Van Melsenprijs 2004)

Inleiding

De verbinding met de computer is wel stabiel en je hebt ook goede analoge ingangen waardoor een lichtsensor bijvoorbeeld goed te gebruiken is in combinatie met een schakeling

Conclusie

• De Microcontroller met de zelf geprogrammeerde Jal-taal geeft geen stabiele verbinding met de computer. De microcontroller kan dan het loodje leggen.
• De LPT1 poort met de programmeertaal BASIC levert problemen op met het aansturen van de printerpoort in Windows. De poort kan je daardoor opblazen.
• De Controlbox in combinatie met Coach4 is het meest betrouwbaar om de verkeerslichten aan te sturen. De verbinding met de computer is stabiel en je hebt goede analoge ingangen, waardoor de lichtsensor goed te gebruiken is in combinatie met een schakeling.
• Het verkeersplein is van multiplex gemaakt. De verkeerslichten zijn van 16 mm pvc-buis en de ledjes zijn gesoldeerd aan snoertjes die bevestigd zijn aan een breadboard met weerstandjes. De breadboard wordt op de controlbox aangesloten met krokodillenklemmen.

Discussie

Bijna niemand denkt erbij na dat een verkeerslicht niet zomaar uit zichzelf het verkeer regelt, maar dat daar een vaak een ingewikkelde programmering voor nodig is. Ik wil proberen zo'n echt verkeersplein na te bootsen. Voor deze kleine versie is wel elektronica nodig en een programmeertaal om te regelen hoe lang het verkeerslicht op rood, oranje of groen staat..		Figuur 1: Een verkeersplein
Vraagstelling De hoofdvraag is: Hoe bouw ik een systeem van verkeerslichten? De deelvragen zijn: Wat zijn de basisonderdelen en hoe werken ze? Welke programmeertaal kan ik gebruiken? Welke schakeling kan ik gebruiken? Hoe bouw ik het verkeerslichtensysteem? Hypothese Om een goed werkend verkeersplein met stoplichten te maken moeten we een geschikte programmeertaal gebruiken en vervolgens een elektrisch circuit bouwen. Theorie Er zijn verschillende manieren om de verkeerslichten (LEDjes) aan te sturen: de microcontroller rechtstreeks door de LPT-poort van de computer te gebruiken de controlbox met Coach Het aansturen doe je door een geschikte programmeertaal te kiezen. Zo heb je voor de microcontroller de programmeertaal Jal, voor een lpt-poort de taal Basic en voor de Controlbox de Coachtaal. Dit zijn 'hoge programmeertalen', ze zijn redelijk eenvoudig en je hoeft niets aan de geheugenadressering te doen. Je gebruikt basiscommando's zoals als(if)-voorwaardes en herhaal(loop). Bij de vaak gebruikte als-voorwaarde heb je een variabele x, die je gaat toetsen. Als het niveau van ingang 1 kleiner is dan x, dan is de als-voorwaarde waar en wordt de code na "Als" uitgevoerd tot "EindAls".
Als het niveau van ingang 1 nu groter is dan x dan is de als-voorwaarde onwaar(false) en wordt de code na Als niet uitgevoerd en slaat het programma alles tussen Als en EindAls over. De belangrijkste onderdelen die we voor de schakeling gebruiken zijn: weerstanden, condensatoren, LED's (een gelijkrichter met een lampje met een grote weerstand in de kleuren rood, groen en geel).		Figuur 2: LEDjes
ateriaal en methode Het programmeren van de microcontroller De microcontroller PIC16F84A leek mij een geschikte microcontroller omdat deze 13 I/O pinnen heeft, dat is genoeg voor 12 LEDs/uitgangen + 1 schakelaar. De 12 uitgangen van de microcontroller heb ik nodig om 12/3 = 4 verschillende verkeerslichten aan te kunnen sturen. Een op internet gevonden schema om de microcontroller te programmeren heb ik op een breadboard nagemaakt. Het schrijven van een programmaatje (op internet gevonden) voor de microcontroller heb ik gedaan in de 'hoge programmeertaal' Jal. Het lijkt op BASIC. Met een Jal-compiler kun je vervolgens de code omzetten naar assembly en hex. De assembly gebruiken we hier verder niet want de hex-code kan rechtstreeks geprogrammeerd worden. Er zijn standaard schakelingen voor de microcontroller te koop, die een constante spanning geven en die de microcontroller beter aansturen. De 'hoge programmeertaal' JAL is niet moeilijk. Het enige grote nadeel is dat een instabiele verbinding met de computer het doorbranden van de microcontroller tot gevolg kan hebben. Het programmeren van de LPT-poort
Figuur 3 De LPT poort heeft 25 aansluitingen en 8 datalijnen in de parallelle poort.	LEDjes kunnen worden aangestuurd via de (parallelle) LPT-poort met 8 datalijnen. Logisch 1 betekent +5 V en logisch 0 is 0 V. Met Windows 95/98 is de parallelle poort eenvoudig aan te sturen, maar met Windows 2000/XP is dat een probleem, omdat Windows 2000/XP niet het recht toekent om de parallelle poort aan te sturen.	Figuur 4 De aansluitingen van de LPT poort
Dit maakt het lastiger om de parallelle poort te gebruiken. De lpt-besturing is met de nieuwe besturingssystemen geen goede mogelijkheid om te programmeren. De mogelijkheid bestaat dat door onjuist aansluiten je printerpoort het niet overleeft. De programmeertaal BASIC is vrij eenvoudig en komt grotendeels overeen met allerlei andere talen. Het programmeren is niet zo moeilijk, het aansturen van de printerpoort in Windows daarentegen wel. De parallelle poort geeft een uitgangspanning van +5 V, waarmee je LEDjes branden. Het programmeren van Coach
Ook Coach is te gebruiken voor het aansturen van de LEDjes. De Controlbox heeft met 8 uitgangen voordelen boven Coachlab met 4 uitgangen. Het programmeren van de Controlbox deed ik in het programma Coach4 voor DOS omdat dit geïnstalleerd stond. De programmeertaal lijkt op basic. Om de schakeling goed te programmeren heb je eerst een overzichtstabel nodig. Met de 4 verkeers-lichten zijn 6 verschillende situaties mogelijk.		Figuur 5 De controlbox
In onderstaande tabel kun je zien bij welke situatie welke uitgangen hoog (= spanning +5,0 V) gemaakt moeten worden en hoe lang ze hoog moeten blijven. De x in de kolom tijd staat voor onbepaald. In principe is namelijk de hoofdweg altijd groen. Zodra er echter door de lichtsensor een auto op de zijweg gesignaleerd wordt gaat de hoofdweg op rood en krijgt de zijweg groen. Die blijft net zolang groen totdat er geen auto meer gesignaleerd wordt en dan gaat de hoofdweg weer op groen.
Tabel 1 Verkeerslichtenschema voor hoofd- en zijwegen Na enkele testmetingen bleek de spanning door de lichtsensor hoger te zijn dan 0,05 V als er geen auto voor de sensor stond en lager dan 0,05 V als er wél een auto voor stond. Deze waarde gebruiken we in de als-voorwaarde. Code 1 is geschreven voor 1 lichtsensor bij de zijweg. De hoofdweg staat in principe altijd op groen. Zodra er echter een auto bij de zijweg gesignaleerd wordt doordat het afgegeven voltage van de lichtsensor lager is dan x gaat de hoofdweg op rood en krijgt de zijweg groen. In de eerste regels wordt x gedefinieerd en wordt de hoofdweg op groen gezet en de zijweg op rood. Dit blijft zo totdat lichtsensor 1 een voltage lager dan x afgeeft. Zodra dat het geval is gaat de hoofdweg op oranje en vervolgens op rood en de zijweg gaat na 1 extra seconde rood op groen. Dan komt de tweede als-voorwaarde. Als de auto nog steeds op de zijweg staat, blijft het licht groen. Dat blijft 2 seconden zo en dit herhaalt zich tot er geen auto meer op de zijweg staat. Dan gaat het licht via oranje naar rood en krijgt de hoofdweg weer groen. Code 2 is geschreven voor 2 lichtsensoren, een bij beide zijwegen. De code is feitelijk hetzelfde als de code 1, maar er moeten nu telkens 2 sensoren gecontroleerd worden. Tabel 2 Code 1 voor 1 lichtsensor bij de zijweg Al met al is Coach in combinatie met de Controlbox een hele goede mogelijkheid om schakelingen aan te sturen. Het programmeren met Coach is vrij eenvoudig. De commando's zijn duidelijk, er zijn alleen niet zo heel erg veel functies.
Figuur 6 De programmeer-schakeling van de microcontroller	Figuur 7 De schakeling van de microcontroller om de LED's aan te sturen	Figuur 8 De schakeling om LEDjes aan te sturen met de microcontroller

De programmeertalen zijn niet moeilijk. Jal is het moeilijkst van alledrie. Het programmeren in BASIC is vrij eenvoudig. Er is een slechte ondersteuning door Windows 2000/XP waardoor je eigenlijk gedwongen bent DOS te gaan gebruiken voor het aansturen van de lpt-poort. De lpt-poort is geschikt voor het aansturen van de verkeerslichten. Elke computer heeft een LPT-poort, die de goede spanning afgeeft aan LEDjes.

Figuur 9 De Controlbox met Coach 4 en het verkeersplein met 2 lichtsensoren