איך זה עובד: מנוע סרבו ושלט
כשהילד רוצה צעצוע שאין בחנות אז אין ברירה וצריך לבנות לו כזה. על הדרך אפשר גם להסביר איך עובד מנוע הסרבו ב''מחסום של חנייה'' שבנינו
נהוג לומר שהצורך הוא אבי ההמצאה. נניח, כאשר ילד בן ארבע מחליט שהוא אוהב מחסומים של חניות, ולמרות כל החיפושים לא מצליחים למצוא צעצוע ראוי לשמו בז'אנר הייחודי הזה, אין ברירה אלא לבנות אותו לבד.
השבוע נדבר על דגם מחסום זרוע שבניתי בעזרת קצת נגרות וקצת אלקטרוניקה – פחות על הדגם עצמו ויותר על הרכיבים המעניינים ועל עקרונות הפעולה, שמשותפים גם למחסומים (ולמכשירים רבים אחרים) בעולם האמיתי. לפני הכל, הנה סרטון של המחסום בפעולה – ולא לדאוג בעניין השלט, הוא עוד ישופר:
איך זה עובד ב-ynet מדע:
- כשאנחנו לוחצים על מקש במקדלת
מנוע סרבו
המנוע שמרים ומוריד את הזרוע בדגם המחסום הוא מנוע סרבו (Servo), שזה בעצם מנוע שמספק משוב בנוגע לזווית שלו. בדרך כלל, כשאנחנו חושבים על מנוע, אנחנו מדמיינים משהו שמסובב ציר מרכזי במהירות גבוהה בלי הפסקה. במנועים כאלה, כמו מנוע של מכונית או של מקדחה של רופא שיניים, אנחנו לא יודעים וגם לא אכפת לנו מה הזווית של הציר בכל רגע נתון. הוא מסתובב? זה מספיק. אבל במקרים אחרים, הזווית מאד חשובה לנו – למשל, אם ניקח את אחד השימושים המוכרים ביותר של מנועי סרבו, כשאנחנו רוצים לשלוט בטיסן או מכונית על שלט. הפעולות שאנו מבצעים בשלט הרחוק צריכות להיות מתורגמות לתנועות מאד מדויקות ומוגדרות מראש בכלי הרכב.
בתמונה הבאה מוצג מנוע סרבו קטן ופשוט, מאותו דגם שהותקן במחסום. אחרי שהסרתי ממנו את המדבקות המסחריות, אפשר לראות בתוך מארז הפלסטיק הכחול מנוע חשמלי רגיל, תמסורת גלגלי שיניים – וגם מעגל אלקטרוני צפוף ומעליו פוטנציומטר. פוטנציומטר הוא רכיב עם התנגדות חשמלית שמשתנה לפי הזווית של הציר שלו. ציר זה מחובר לציר הראשי של הסרבו, והמעגל קורא את התנגדות הפוטנציומטר ומסיק ממנה באיזו זווית הוא נמצא. כך אפשר לשלוח לסרבו פולסים חשמליים ברוחב מוגדר מראש (מה שנקרא PWM – Pulse Width Modulation) ולדעת שהסרבו יתרגם אותם ויסתובב בדיוק לזווית הרצויה – במקרה של המחסום, מאפס לתשעים ובחזרה.
במחסומי חניות אמיתיים, שאינם זקוקים למדידה מדויקת של כל זווית אלא פשוט לעצירה באפס ובתשעים מעלות, ייתכן שמותקן מנוע פשוט, עם שני מפסקי בטיחות לעצירה, בדיוק כמו זה שהיה במנגנון קורא התקליטורים שהוצג בשבוע שעבר.
זיהוי מכשולים
ביותר מדי סרטי פעולה ראינו את הגיבור מגיע לאזור מאובטח, שמוגן על ידי רשת זרחנית של קרני לייזר מאיימות, ובעזרת פליק-פלאקים אקרובטיים למיניהם הוא מצליח להגיע לצד השני מבלי "לקטוע את הקרן". זהו כמובן קשקוש הוליוודי, אם כי העיקרון הבסיסי נכון: בהתקנים רבים מוצב מקור אור בצד אחד, חיישן בצד שני, וכאשר החיישן אינו קולט את האור, הבקר האלקטרוני יודע שיש משהו בין לבין שמפריע וחוסם, ומגיב בהתאם. כך זה במעליות (בנוסף למנגנון הבטיחות שמזהה הפרעה פיזית לסגירת הדלת), וכך זה במחסומי רכב. אם תסתכלו טוב תראו, גם על עמוד הזרוע עצמו וגם על העמוד שבצד השני, חלקים שחורים בולטים זה מול זה – אלו הם מקור האור והחיישן.
במחסום הצעצוע, מקור האור הוא נורית LED כחולה רבת עוצמה. בחרתי באור כזה כדי להמחיש לצאצא הנרגש את העיקרון, אך כמובן שביישומים בעולם האמיתי משתמשים בתדרי אינפרה-אדום בלתי נראים. כדי להבטיח שרעש רקע אינפרה-אדום (לדוגמה, מחום השמש) לא יפריע לפעילות ההתקן, החיישנים מכוונים לתדר מאד ספציפי, ומתקינים לפניהם גם פילטרים כהים שחוסמים תדרים אחרים.
שלט רחוק
כאשר נתקלתי לראשונה ברעיון של "גל שקט" ברדיו, כשהייתי קטן וחסר השכלה מתאימה, הוא נשמע לי פתאום מוזר. כידוע, כשתחנה לא משדרת אז שומעים ברדיו "רעש לבן" – אבל אם כך, כשהיא משדרת "שקט", מה בעצם היא משדרת?
מה שלא ידעתי אז זה שיש הבדל בין "האות הנושא" (Carrier) – מה שיוצא פיזית מהאנטנה של תחנת השידור – לבין מה שאנחנו שומעים במכשיר הרדיו. אם אין אות נושא בכלל, אנחנו נקלוט רעשים אקראיים מהאטמוספרה, אבל אם יש אות נושא, המעגלים החשמליים/אלקטרוניים שברדיו יחלצו ממנו את המידע שהוא נושא עליו (מכאן השם "נושא") ואת זה הם יעבירו לרמקולים – גם כאשר מדובר בדממה מוחלטת. אפשר לדמות, לצורך העניין, את האות הנושא לדף נייר ואת המידע לאותיות שמודפסות עליו. דף יכול להיות ריק מאותיות, אבל אנחנו עדיין צריכים את הדף עצמו כדי לדעת את זה.
השלט הרחוק של מחסום הצעצוע מבוסס על RF Kit – סט זול של משדר ומקלט לטווח קצר, בתדר RF (רדיו). משדרים ומקלטים דומים טמונים גם בתוך שלטי החניה שבצרור המפתחות שלכם, ובתוך המחסומים עצמם. מה שמיוחד בסטים האלה זה שבניגוד לתחנות הרדיו, אין בהם הפרדה בין האות הנושא לבין המידע: כשמשהו משודר, משהו יוצא מהאנטנה – וכשלא אז לא. קצת בדומה לקוד מורס, אם מישהו עוד זוכר מה זה.
אופן השידור הפרימיטיבי הזה מחייב בדיקה רצופה של הקלט ומדידת זמנים. מעבר לטיפול הפשוט יחסית בסרבו, באורות ובחיישן, איתור האות מהשלט הוא עיקר העבודה של לוח הארדואינו ששולט במחסום הצעצוע (שחור, לרגלי עמוד הזרוע). כל עוד אין אות, המקלט קולט זבל מהאטמוספרה שיכול להיות כל דבר שהוא ומשתנה ללא הפסקה. רק כאשר הקלט יציב לזמן מספיק ארוך אפשר להיות בטוחים שאכן יצא שידור מהמשדר ולהגיב לו – במקרה של הצעצוע שלנו, ב"התנעה" של תהליך הרמת והורדת הזרוע.
בשלטים בעולם האמיתי, המשדר והמקלט שהוצגו בתמונה למעלה הם רק הבסיס: באמצעות רכיבים נוספים מועבר מהשלט למחסום רצף ייחודי של מספרים, ורק כאשר המספרים הללו מזוהים על ידי המחסום, הוא נפתח. זו הסיבה לכך שלא כל שלט יכול להפעיל את כל המחסומים, אף על פי שכולם – או כמעט כולם – עובדים על אותו תדר. שכפול של שלטים כאלה נעשה בעזרת מכשיר שקורא את רצף המספרים הייחודי מהשלט הישן וצורב אותו על שבב חדש ו"ריק" בשלט החדש.
למידע נוסף על המחסום, ארדואינו וכדומה, בקרו בבלוג הבייט הלבן.
