רמזור צעצוע

רמזור צעצוע

רעיון ואילוצים

רמזור הצעצוע הוא פרויקט קטן שיצרתי עבור הילדים שלי, וכדי להתאמן בעבודה עם תוכנה לעיצוב מעגלים מודפסים. מטרת הפרויקט היתה ליצור גאדג'ט למשחק, שניתן לחבר לסוללה או לספק כוח (3-5V), ושידמה את אופן הפעולה של רמזור אמתי. האילוץ העיקרי לפרויקט היה שפרט למעגל המודפס עצמו, הוא יעשה שימוש רק ברכיבים אלקטרוניים שכבר נמצאו ברשותי. זהו כמובן שיקול נדיר מאד בפרוייקטי פיתוח…

בחרתי לבסס את פעולת הרמזור על מיקרו-בקר מדגם PIC12F675 – דגם קטן, ותיק וזול מאד שכבר עבדתי איתו בעבר, ושעומד בקלות בכל דרישות הביצועים של המערכת.

הוכחת היתכנות / אבטיפוס

מכיוון שכבר היה לי ניסיון רב עם רכיבים ופרויקטים פשוטים כמו במקרה זה, דילגתי על הוכחת ההיתכנות ועל האבטיפוס. בסרטון הבא מוצג "רמזור" שבניתי על מטריצה (Breadboard) לפני מספר שנים – כך, בערך, יכולה להיראות הוכחת היתכנות לפרויקט.

בפרויקטים מורכבים או חדשניים יותר, מומלץ להתחיל בהוכחת היתכנות כדי לוודא שהרעיון הבסיסי ריאלי וישים. לאחר מכן בונים אבטיפוס של המערכת כולה, כדי לבדוק ולשפר אותה לקראת הייצור. את האבטיפוס אפשר גם לקחת להראות למשקיעים פוטנציאליים. הנה אבטיפוס של רמזור צעצוע אחר.

תכנון סכמטי

התכנון הסכמטי הוא שרטוט שמציין אילו רכיבים או סוגי רכיבים יהיו במעגל החשמלי, ומי מהם מחובר למי. לשרטוט זה אין שום קשר למבנה הפיזי של התוצר הסופי, והוא יכול להשאיר מרחב תמרון גדול לבחירה של רכיבים ספציפיים.

רמזור צעצוע - תכנון סכמטי
רמזור צעצוע – תכנון סכמטי (לחצו להגדלה)

מעבר לפונקציה החשובה של עשיית סדר בדברים, התכנון הסכמטי הוא שלב חיוני לקראת תכנון ה-PCB בהמשך.

אופציות פתוחות

למיקרו-בקר שבחרתי לפרויקט זה יש חמישה קווי קלט/פלט, ושלושה מהם "תפוסים" על ידי שלושת צבעי הרמזור. את השניים הנותרים אפשר היה לנתק לגמרי, אך בחרתי להשאיר אותם נגישים בשביל שינויים ופיתוחים שאולי ארצה לבצע בעתיד. לדוגמה, הם יכולים לשמש קווי שליטה ובקרה עבור "מערכת ניהול רמזורים" חיצונית, או קווי קלט לחיישנים חיצוניים עבור מערכת לאינדיקציה ויזואלית שכלל לא קשורה לרמזורים (כגון מערכת למדידת מתח בסוללות אצבע).

ברמזור אמתי, הצבע האדום והצבע הירוק לעולם אינם מופיעים יחד; לכן, אם המטרה היתה ליצור את המערכת המצומצמת והחסכונית ביותר, אפשר היה להסתפק בשני קווי פלט בלבד לשלושת הצבעים. אבל שוב, כדי לא לחסום אפשרויות עתידיות, הקדשתי קו נפרד לכל צבע.

תכנון PCB

על סמך התכנון הסכמטי, יצרתי בתוכנה KiCAD את תכנון ה-PCB עצמו – המעגל הפיזי שעליו יוצבו הרכיבים. תכנון זה כולל מידות מדויקות, חורים/פדים בצורות שמותאמות לחיבור הרכיבים השונים ("Footprints"), החיבורים החשמליים ביניהן, וכן כיתובים וסימונים ויזואליים.

כך נראה ה-PCB בתוכנת עיצוב
כך נראה ה-PCB בתוכנת עיצוב (לחצו להגדלה)

תוכנה זו מאפשרת גם הצגה של התכנון כדגם תלת-ממדי, להמחשה ויזואלית טובה יותר של המעגל:

תצוגה בתלת-ממד של ה-PCB, באותה תוכנה (לחצו להגדלה)
תצוגה בתלת-ממד של ה-PCB, באותה תוכנה (לחצו להגדלה)

כל PCB הוא למעשה פתרון לחידת היגיון מסובכת. תכנון נכון של PCB מחייב התייחסות לכללים ולאילוצים רבים ברמת האלקטרוניקה והחומרה, התמודדות עם שיקולים של מקום ומרחב (דו-ממדי ותלת-ממדי), וגם הסתכלות אסתטית.

תוכנה

כל החומרה הזו לא שווה כלום בלי תוכנה מתאימה. את התוכנה לרמזור כתבתי בשפת C ב-MPLAB X – סביבת הפיתוח הרשמית של חברת Microchip, היצרנית של המיקרו-בקר שבלב הרמזור.

תוכנת הרמזור בסביבת הפיתוח
תוכנת הרמזור בסביבת הפיתוח (לחצו להגדלה)

התוכנה נצרבת על המיקרו-בקר בתיווך של כלי צריבה ייעודי (Programmer). רוב המיקרו-בקרים כיום מאפשרים צריבה חוזרת של תוכנה, עד עשרת אלפים פעמים ויותר.

התוצר הסופי

בעזרת KiCAD יצרתי קובצי ייצור סופיים, ושלחתי אותם למפעל בחו"ל שמתמחה בייצור PCB בכמויות קטנות. זמן הייצור והמשלוח תלוי בתשלום, בדואר/חברת השילוח ובתנאים מיוחדים כגון חגים וחופשות.

המעגל המודפס (PCB) לפני הלחמת הרכיבים
המעגל המודפס (PCB) לפני הלחמת הרכיבים

כשהלוחות הגיעו בדקתי אותם מדגמית בעזרת זכוכית מגדלת ומכשיר מדידה חשמלי (מולטימטר). מטרת הבדיקה היא לאתר פגמים בייצור שעלולים לפגוע בתפקוד המערכת, וכן לבדוק שוב שלא נפלה טעות בתכנון שלי.

הצד השני של המעגל המודפס
הצד השני של המעגל המודפס

אחרי הבדיקה, שעברה בהצלחה, הלחמתי את הרכיבים השונים ללוח, כולל המיקרו-בקר שעליו צרבתי מראש את התוכנה שמדמה פעולת רמזור. את התוצאות אפשר לראות בתמונה שבראש הדף, וגם בסרטון הזה:

תכנות, מיקרו-בקרים וטכנולוגיה