بخشی از مقاله
چکیده
چراغ دریایی دستگاهی برای هدایت شناورها ، در آبراه ها می باشد . این دستگاه با ارسال مورسهای نور در رنگهای مختلف مسیری ایمن برای شناورها بوجود می آورد . در این مقاله به طراحی و پیاده سازی و ساخت یک دستگاه چراغ دریایی بهینه پرداخته می شود . این دستگاه که بر اساس استاندارد های دریایی ساخته شده دارای مزایایی از جمله ، هوشمند بودن در برابر خطاها و نیز قابلیت برنامه ریزی برای هر نقطه از آبراه ها و قابلیت انتخاب نور رنگ برای هر موقعیت به انتخاب کاربر و مزایایی دیگری می باشد . این دستگاه با بهره گیری از یک کاهنده مرحله ای توان مصرفی را در ولتاژ ورودی 12 ولت حدود %37,5 کاهش داده بنابراین ضریب حرارتی مدار نیز بیش از %50 کاهش پیدا کرده است. همچنین توان و بازده خروجی حدود %37,5 افزایش یافته است . در طراحی و ساخت این دستگاه از نرم افزارهای بسکام و پروتئوس استفاده شده است .
مقدمه
چراغ دریایی یکی از سیستمهای راهنما ، جهت ایمن ساختن تردد شناورها در دریاها ، آبراه ها و کانالهای قابل کشتیرانی می باشد . اولین فانوس دریایی در دوره اسکندریه بنا شد . که دارای ارتفایی معادل 130 متر بوده . ودر شمار عجایب هفتگانه به عنوان هفتمین مورد ثبت شده است . [ 1] نور این فانوس از سوزاندن مقدار زیادی چوب بدست می آمد . صفحاتی برنزی که در پشت آتش قرار داشت نور را به سمت دریا منعکس می کرد . حتی کشتی هایی که در فاصله بیش از 50 کیلومتر بودند نیز می توانستند نور فانوس را ببینند .
تا قبل از ساخت این فانوس کشتیها نمی توانستند در شب به بندر وارد یا خارج شوند ، و باید قبل از تاریک شدن هوا خود را به اولین لنگرکاه می رساندند و تا صبح روز بعد منتظر می ماندند ، ولی با ساخت این فانوس دیگر کشتیها در شب نیز می توانستند به بندر اسکندریه وارد و یا از آن خارج شوند . این مسئله باعث گردید که در بنادر دیگر نیز از این نوع فانوس ها استفاده شود . به مرور زمان کارایی آن افزایش یافت که بعد ها برای آن در سیستم دریایی استانداردهایی تعریف گردید .
کلیه قوانین مربوط به چراغهای دریایی بر گرفته از قوانین تصویب شده ی انجمن بین المللی چراغهای دریایی - IALA - 1 بوده که به تصویب سازمان جهانی دریا نوردی - IMO - 2 نیز رسیده است . کشور های الحاقی به این کنوانسیونها موظف به رعایت این قوانین هستند . بر این اساس کلیه مناطق دریانوردی جهان به دو منطقه A و B تقسیم شده و هر کشور ، علائم کمک ناوبری خود را جهت هدایت شناورها بر اساس یکی از مناطق مذکور تنظیم ، ثبت و اعلام می نماید . دو منطقه A و B تنها در علائم لاترال با هم تفاوت دارند و این قوانین در سایر موارد با هم مشترک می باشند.
نور فانوسهای اولیه از سوزاندن مقدار زیادی چوب به دست می آمد و با گذشت زمان از سوزاندن گاز طبیعی و با پیشرفت علم از الکتریسیته جهت تولید نور در این دستگاه ها استفاده گردید . برای این منظور از لامپ با سیم ملتهب جهت تولید نور استفاده شد که تا کنون نیز از این مدل استفاده می گردد . و در سیستمهای جدید برای کاهش توان مصرفی از لامپهای ال ای دی با وات بالا استفاده می گردد . شرکتهای مختلفی در این زمینه چراغهایی تولید کرده اند که نمونه هایی از آنها عنوان می شود : چراغ های مدل جیسمان3 که ساخت یک شرکت چینی است . چراغهای سی لایت4 ساخت کشور استرالیا و چراغ های فاروس مارین5 که ساخت کشورهای اروپایی می باشد .
این دستگاه ها با یک سیستم کنترل کننده الکترونیکی کار می کنند که این مدار الکترونیکی برای ساخت مورس نوری و کنترل کننده زمان کاری دستگاه می باشد . با اضافه کردن یک مدار کنترل ولتاژ برای شارژ باطری دستگاه ازطریق سولار، این چراغ قادر خواهد بود برای مدت زمان طولانی به کار خود ادامه دهد . روشن و خاموش مشخص قرار گرفته و در موقع سوختن لامپ آنها از یک سیستم چرخشی استفاده گردیده تا چراغ سوخته شده با چراغ سالم به طور اتوماتیک تعویض گردد و این دستگاه ها فقط تعداد محدود 3 تا 6 چراغ را می تواند تعویض کند و این خود یکی از مشکلات آنها می باشد.
برای حالت تعویض چراغ ها یک مدار سنس جریان در مسیر لامپ گذاشته شده که ، اگر جریانی از آن عبور نکند ، یک فرمان به موتور تعویض لامپ می فرستد و باعث تعویض لامپ می گردد . ایرادی که به این فانوسها می توان گرفت ، عمر کوتاه منبع نورشان - لامپ با سیم ملتهب - است ، کاربرد هر دستگاه فقط برای یک منطقه خاص می باشد که برای جایگزینی باید یکی مشابه قبلی را تهیه نمود ، توان مصرفی و ضریب حرارتی بالا و نیاز به یک مدار کنترل شارژ ، برای شارژ باطری از طریق سولار1 است .
در چراغ های ساخته شده با ال ای دی نیز مشکلاتی وجود دارد که از جمله ضعف مدار کنترل ال ای دی ها ، تک کاربری بودن آنها - هر چراغ فقط برای یک منطقه خاص قابل بهره برداری است - ، ضعف مدار اصلی در برابر خطاهای انسانی ، ناتوانی شناخت خطاها ، ناتوانی در کنترل و شارژ باطری و در نهایت عمر کوتاه مدار این چراغها می باشد ، باعث مشکلات عدیده ای در آبراه ها گردیده .
روش ساخت چراغ دریایی قابل برنامه ریزی
ساخت این دستگاه به گونه ای است که برای آن از چند برد به طور مجزا استفاده گردیده و ارتباط بین بردها از طریق دیتا برقرار می شود . اولین برد ، کیبورد و ال سی دی دستگاه می باشد و برد دوم مدار کنترل ال ای دی های بکار رفته در دستگاه است و برد آخر ، برد اصلی مدار است که وظیفه آن هماهنگی و کنترل تمام مدار می باشد .
برد اصلی مدار
قلب برد اصلی را یک قطعه میکروکنترل از نوع ATMEGA8 تشکیل داده . این قطعه دارای سه پورت I/O می باشد و دارای شش پایه برای ADC و نیز پایه هایی جهت ارسال و دریافت دیتا از طریق دو سیم را دارد که تمام این خصوصیات همراه با 8 کیلو بایت حافظه فلش داخلی قابل برنامه ریزی ، کارایی بالا و توان مصرفی کم و نیز دارای 512 بایت حافظه Eeprom می باشد . در قسمت مدار کنترل شارژ ، برای شناسایی مقدار و میزان شارژ باطری از دو مدار نمونه گیری ولتاژ و جریان استفاده گردیده که مقدار خروجی این مدارات در محدوده کاری میکرو می با شد که این خروجی ها به پایه های ADC میکرو متصل شده اند و توسط آن میزان شارژ باطری چک می گردد وخروجی میکرو به دو قسمت ارسال می گردد یکی به پورت USB جهت نمایش بر روی ال سی دی قرارگرفته در کیبورد و دومی به پورت ارتباط دیتا برای ارسال به مدار ال ای دی ها جهت نمایش مقدار شارژ از طریقه سه ال ای دی قرار داده شده در قسمت بالایی چراغ از طریق سه رنگ قرمز ، زرد و سبز می توان میزان شارژ را مشخص کرد .
یک مدار نمونه گیر
در این مدار مقاومت R1 و R2 یک مدار تقسیم ولتاژ بوده که از مقدار اولیه نمونه برداری می کنند و مقاومت R3 یک مقاومت محافظ برای دیود زنر می باشد و D1 یک دیود زنر با شکست ولتاژ 5 ولت است و باعث می شود خروجی هرگز بیشتر از 5 ولت نگردد خروجی این مدار به یک پایه ADC از میکرو متصل می گردد تا مقدار آن توسط میکرو خوانده شود . این مدار نمونه ای از یک مدار حس گر ولتاژ می باشد .
در مدار شناسایی سولار ، خطا های مربوط به سولار شناسایی می گردد در این مدار از دو سنسور ، یکی جهت شناسایی پلاریته و دیگری جهت شناسایی ارتباط با سولار استفاده گردیده است که از طریق ADC میکرو شناسای شده و خروجی میکرو به دو قسمت می رود یکی به پورت USB برای نمایش روی ال سی دی و دیگری به بازر برای تولید صدا جهت متوجه کردن کاربر از خطای بوجود آمده . مدار کنترل ولتاژ ، ولتاژ ورودی را گرفته و ولتاژهای مورد نیاز دستگاه را تولید می کند . ولتاژ ورودی می تواند از 7/8 ولت تا 32 ولت متغیر و خروجی این مدار تثبیت شده می باشد و به علت وجود سنسورهای جریان در قطعه تثبیت کننده ، برای جلوگیری از لود بیش از حد در موقع اتصال کوتاه به مدار ضربه ای وارد نمی کند فقط باعث خاموشی مدار می گردد .
در سیستم شناسایی ولتاژ ورودی ، سنسور هایی برای جلوگیری از خطای جابجایی پلاریته و نیز جلوگیری از نشتی های احتمالی ولتاژ وجود دارد . خروجی این مدار نیز به میکرو می رود و فرمانهای میکرو به دو قسمت ارسال می گردد یکی به پورت USB جهت نمایش روی ال سی دی و دیگری به بازر جهت توجه کاربر از خطای بوجود آمده . برای سیستم شناسایی روز و شب از یک فتو رزیستر استفاده شده که در روز با برخورد نور به آن ، میزان مقاومتش از بی نهایت به چند کیلو اهم تغییر می کند و باعث عبور جریان از خودش می گردد و با قرار دادن یک مدار ، مقدار خروجی آنرا برای ارسال به میکرو کنترل می کنیم ، برای این کار فرمان خروجی از میکرو به دو قسمت ارسال می گردد.
یکی به قسمت مدار شناسایی سولار جهت هماهنگی از کارکرد صحیح سولار و دیگری به مدار کنترل شارژ جهت فرمان سوییچ شارژ . با فرا رسیدن شب و با تاریکی هوا ، مقدار مقاومت فتو ریزیستور افزایش پیدا می کند و به سمت بی نهایت می رود که باعث قطع جریان عبوری از فتو رزیستر می شود . در این حالت میکرو مقدار صفر را تشخیص می دهد و فرمان خاموشی سوییچ شارژ را می دهد و اطلاعات از قبل داده شده را به برد ال ای دی ها ارسال می کند . این مدار دارای دو پورت می باشد : یکی از پورتهای این برد برای ارتباط با کیبورد از طریق USB عمل می کند که در آن ارتباط دو طرفه با کیبورد بر قرار است و دیگری پورت ارتباطی به برد ال ای دی ها می باشد که در آن ارتباط یکطرفه از برد اصلی به برد ال ای دی ها وجود دارد .
شکل : 4 بلوک دیاگرام کیبورد
صفحه کلیدی مدار اطلاعات دریافتی از کاربر را به میکرو منتقل می کند و میکرو از طریق پورت USB اطلاعات را به برد اصلی ارسال نموده و صحت دیتای ارسالی را از برد اصلی دریافت و بر روی ال سی دی نمایش می دهد . این برد توانایی این را دارد که برنامه از قبل داده شده به برد اصلی را دانلود نماید . همچنین جهت اطلاع کاربر از خطاهای بوجود آمده یک بازر در برد وجود دارد که در موقع خطا کاربر را متوجه نماید . کلیدی جهت ریست کلی مدار نیز بکار رفته است که در مواقع لزوم کاربر بتواند به راحتی از آن استفاده کند.
