Propellor Clock V1 ตอนที่ 4 : ข้อมูลและรายละเอียดสร้างวงจร

ในบทความนี้เป็นรายละเอียดและขั้นตอนการสร้างครับและเพื่อไม่ให้บทความนี้ใช้เวลาในการเขียนมากเกินไปผมเลย
เอาข้อมุลมาจากคู่มือของโครงงาน ซึ่งเป็นคู่มือที่ทำส่งอาจารย์ตอนวันส่งโครงงานครับ

“Propeller Clock” Mechanically Scanned LED Clock
เป็นนาฬิกาที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เบอร์ PIC16F84A เป็นตัวควบคุมวงจร โดยจะมีการส่งข้อมูลซึ่งจะส่งออกไปทีละคอลัมน์ ซึ่งแต่ละคอลัมน์จะแสดงผลไล่เลี่ยกัน โดยการหน่วงเวลา ทำให้เราสามารถมองเห็นตัวเลขในขณะที่กำลังหมุนได้ ตัวสำคัญอีกตัวหนึ่งของวงจรก็คือตัวจับจังหวะวงจร จะแบ่งได้เป็น 2 แบบหลักๆก็คือ
ตัวจับจังหวะจากไฟที่ไปเลี้ยงมอเตอร์
ตัวจับจังหวะจากตัวรับ-ส่งอินฟาเรด

ซึ่งในคู่มือนี้จะนำมาแสดงให้ได้เห็นทั้ง 2 แบบเพื่อแสดงถึงความแตกต่างและยากง่ายในการทำ
แบบที่ 1 ใช้การจับจังหวะจากไฟที่ไปเลี้ยงมอเตอร์

 

อุปกรณ์ที่ใช้เป็นตัวหมุนก็คือ หัววิดีโอเทป ซึ่งค่อนข้างหายาก และการต่อสายไฟออกมาใช้งานก็ยากด้วยเช่นกัน ดังนั้นจึงมีการใช้ตัวมอเตอร์พัดลมขนาดเล็ก 12 V เพื่อมาทดแทนหัววิดีโอเทป

ลักษณะของพัดลมที่ใช้

โดยการส่งไฟไปให้บอร์ดนั้นจะใช้การต่อจากแกนของมอเตอร์ที่เคลื่อนที่ ซึ่งจะมีจุดต่อจำนวน 3 จุด ในการหมุนแต่ละรอบจะเกิดไฟที่จุดใดจุดหนึ่งใน 3 จุดนั้น ดังนั้นเมื่อมอเตอร์หมุนก็จะเกิดไฟส่งไปให้วงจรตลอดเวลา วงจรจึงทำงาน

แกนของมอเตอร์และสายไฟทั้ง 3 เส้น

เมื่อต่อสายไฟได้ครบทั้ง 3 เส้นแล้วก็ต้องนำสายทั้ง 3 เส้นออกจากมอเตอร์เพื่อนำไปต่อกับแผ่นวงจร โดยจะใช้ชุดลูกปืนซึ่งมีทางด้านหลังของมอเตอร์ แล้วเปลี่ยนแกนเหล็กนั้นเป็นแกน พลาสติก เจาะรู 3 รู แกนพลาสติกนี้จะหมุนไปพร้อมกับแกนมอเตอร์จึงทำให้ไฟจากสาย 3 เส้น สามารถส่งไฟไปให้แผ่นวงจรที่กำลังหมุนอยู่ จึงทำให้วงจรทำงาน

ชุดลูกปืน

 

สำหรับวงจรนาฬิกาแบบนี้ที่จะขาดไม่ได้ก็คือ ตัวจับจังหวะวงจร เพราะหากไม่มีก็ไม่สามารถแสดงตัวเลขออกมาให้เห็นได้ สำหรับวงจรที่ใช้การจับจังหวะจากมอเตอร์ จะใช้ตัวต้านทานจับจังหวะ ขณะที่มอเตอร์หมุนก็จะมีสายไฟ 1 เส้นที่ส่งไฟไปให้วงจรทำงาน ซึ่งไฟที่ได้พร้อมกันนี้ก็จะถูกส่งเข้าตัวจับจังหวะ เพื่อเป็นสัญญาณให้วงจรแสดงผลออกมา เราสามารถเปรียบเทียบตัวจับจังหวะนี้ได้กับ การกดสวิตช์เพื่อเป็นสัญญาณอินพุตให้วงจรทำงาน

ตัวจับจังหวะที่ใช้ตัวต้านทาน 10 k

แบบที่ 2 ใช้การจับจังหวะจากตัวส่ง-รับอินฟาเรด
ในแบบนี้จะแตกต่างจากแบบแรกอยู่ 2 จุดคือ จุดของแหล่งจ่ายไฟและจุดของตัวจับจังหวะ
ในวงจรนี่ต้องแยกตัวจับจังหวะและแหล่งจ่ายไฟออกจากกัน เพื่อป้องกันไม้ให้วงจรทำงานผิดพลาด ดังนั้นวงจรในแบบนี่จะได้เปรียบในเรื่องของแหล่งจ่ายไฟที่สามารถใช้ไฟสูงๆป้อนเข้าวงจร โดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย ดังนั้นเราจึงสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ที่ใช้เพื่อให้การแสดงผลของตัวเลขชัดเจนมากขึ้น ในการควบคุมแรงดันที่ไปจ่ายจากวงจรจะใช้ไอซีเรกูเลเตอร์

ส่วนของแหล่งจ่ายไฟ

จะสังเกตเห็นได้ว่าวงจรยังคงรับไฟจากมอเตอร์โดยใช้สายไฟทั้ง 3 เส้นเช่นเดิม แต่มีไอซีเพื่อควบคุมแรงดันให้วงจรคงที่ 5 โวลต์ ทำให้ถึงแม้มีไฟที่มากกว่าจ่ายมาก็จะไม่ทำให้วงจรเสียหาย
ในส่วนของตัวจับจังหวะที่ใช้อินฟราเรด โดยให้ตัวส่งและตัวรับอยู่ใกล้ๆกัน แล้วเว้นช่องว่างเพื่อให้มีการตัดสัญญาณ เมื่อตัวรับและตัวส่งทำงานโดยปราศจากตัวกั้นจะทำให้ได้

ส่วนของตัวจับจังหวะ

สัญญาณออกจากทรานซิสเตอร์เป็น “0” ซึ่งจะมีผลให้วงจรไม่ส่งตัวเลขออกมาแสดงผล แต่เมื่อมีตัวกั้นไม่ให้ตัวรับทำงาน ก็จะมีผลให้สัญญาณที่ได้เป็น “1” ส่งให้ขาอินพุตของ MCU จากนั้นก็จะมีการส่งตัวเลขออกมาทีละ 1 คอลัมน์ อย่างนี้ แต่ในการส่งตัวเลขออกไปแสดงผลแต่ละครั้ง จะมี

การหน่วงเวลาเพื่อให้คอลัมน์แต่ละอันออกมาแสดงผลไล่เลี่ยกัน จนกลายเป็นตัวเลขที่มองเห็นได้

ผลงานจริง
จากการศึกษาข้อมูลของวงจรนาฬิกาทั้งในประเทศและต่างประเทศทำให้พบปัญหาและอุปสรรคในการสร้างดังนี้
1. การส่งไฟไปให้บอร์ดตัวเลขที่ยึดกับแกนมอเตอร์ (อันนี้เรื่องใหญ่ใหญ่สุด)
2. การเซ็นเซอร์เพื่อเป็นตัวกำหนด index จุดเริ่มต้นของตัวอักษรหรือตัวเลข ไม่งั้นโชว์มั่ว
3. ความสว่างของ LED แม้จะใช้ซุปเปอร์ไบร้ท์แล้วก็ตาม
การแก้ปัญหา
1. ใช้การส่งไฟจากหน้าสัมผัสโดยใช้แผ่นทองแดงเป็นวัสดุ เพื่อส่งไฟไปให้แผ่นวงจรที่กำลังหมุนอยู่ จากการทดลองได้ทดลองใช้แผ่นอะลูมิเนียมบางซึ่งสามารถดัดให้โค้งได้ง่ายกว่า แต่มีปัญหาในเรื่องความเสถียรของไฟ เพราะหน้าสัมผัสจะทำให้เกิดคราบดำและยังเป็นตัวต้านทำให้ความเร็วรอบของมอเตอร์ช้าลงมีผลให้มอเตอร์ทำงานหนักมาก ภายหลังได้ใช้แผ่นทองแดงซึ่งทำให้ปัญหาต่างๆเหล่านี้เบาบางลง มีผลให้วงจรทำงานได้เสถียรขึ้นและคงที่พอสมควร

2. การเซ็นเซอร์มีหลายแบบทั้งใช้โฟโต้ทรานซิสเตอร์ /hallsenror/หรีดรีเรย์และแม่เหล็กถาวร ผมเลือกวิธีแรก เพราะว่าสะดวกติดตั้งล่ายและที่สำคัญราคาถูก
3. ผมแก้ความสว่างของ LED โดยเพิ่มทรานซิสเตอร์ไดร้ท์เข้าไปอีก 7 ตัว ใช้แบบ PNP เบอร์ BC557
จากปัญหาและการแก้ไขทำให้ได้วงจรที่เหมาะสมซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
รายการอุปกรณ์
ไอซี
- PIC16F84A 1 ตัว

- 7805 1 ตัว

ทรานซิสเตอร์
- BC557(PNP) 7 ตัว
- BC547(NPN) 1 ตัว

ไดโอด
- 1N4001 5 ตัว
คริสตอล 4.00MHz 1 ตัว
LED SUPER-Bright 7 ตัว

แผ่นวงจรเอนกประสงค์ 1 แผ่น

ตัวต้านทาน
- 47 โอห์ม 7 ตัว
- 270 โอห์ม 1 ตัว
- 10 กิโลโอห์ม 14 ตัว
ตัวเก็บประจุ
- 470 uF 16V 1 ตัว
- 100 uF 16V 1 ตัว
- 0.1 uF 50V 1 ตัว
- 33 pF 50V 1 ตัว
แบตเตอรี่กระดุมแบบลิเทียม(Li) 1 ก้อน
มอเตอร์วิทยุเทป 12 Vdc

ประกอบวงจร
เนื่องจากวงจรดังภาพมีความซับซ้อนไม่มากนักจึงเลือกใช้แผ่นวงจรเอนกประสงค์ หลังจากประกอบแล้วจะได้ลักษณะดังภาพ

ในการต่อวงจรต้องใช้ความละเอียดรอบคอบ เพราะถ้าหากต่อผิดไปเพียงจุดเดียววงจรอาจจะไม่ทำงาน หรือเกิดความเสียหายขึ้นกับวงจรได้ เมื่อต่อวงจรหลักที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์แล้ว ก็ต้องมาต่อวงจรLED superbright สีเขียว 7 หลอดเข้ากับแผ่นวงจรอีกทีหนึ่ง จากนั้นจึงนำแผ่นวงจรทั้ง 2 มาต่อกันให้ได้ลักษณะดังภาพ

ต่อมาให้นำสายไฟมาเชื่อมในส่วนของวงจรหลักกับตัว LED ให้ครบทุกเส้น
ถัดไปให้ต่อตัวจับจังหวะซึ่งก็คือตัวส่งและตัวรับอินฟราเรด โดยการติดตั้งให้เป็นดังภาพคือหันหน้าเข้าหากันเพื่อให้แสงอินฟราเรดส่งถึงกันตลอดเวลา ข้อควรระวังในการใช้ตัวส่ง – รับ อินฟาเรดก็คือ ทั้งตัวรับตัวส่งเมื่อซื้อมาสามารถเป็นได้ทั้งสีดำและใส ก่อนนำมาใช้งานควรทำการตรวจวัดให้แน่ใจเสียก่อนว่าตัวไหนเป็นตัวรับตัวส่ง โดยการวัดให้วัดเช่นเดียวกับไดโอดหรือ LED ทั่วไป หากเป็นตัวส่งการวัดที่ได้จะเหมือนกับ LED แต่ถ้าวัดแล้วเข็มไม่กระดิกเลยแสดงว่าเป็นตัวรับ ในการใช้จริงควรใช้แบบสีดำทั้งคู่เพื่อป้องกันการรบกวนจากแสงภายนอก
หลังจากประกอบวงจรเสร็จทั้งหมดแล้ว ต่อมาก็ต้องมาทำในส่วนมอเตอร์ซึ่งเป็นส่วนที่มีความสำคัญอีกส่วนหนึ่งเพราะว่าเป็นส่วนที่ส่งไฟไปให้วงจร โดยจะใช้มอเตอร์เทปขนาด 12 โวลต์และตัวยึดดอกสว่านเจาะปริ๊นแบบทองเหลือง(ราคาไม่ถึง 20 บาท) และแผ่นทองแดงหรือทองเหลืองเพื่อมาทำเป็นเป็นหน้าสัมผัสเพื่อส่งไฟไปให้วงจรข้างบน

โดยการทำต้องนำแผ่นทองแดงมาตัดให้ได้ขนาด 2 แผ่น ก่อนอื่นให้ใช้แผ่นพลาสติกหรือเทปกาวมาปิดแกนของตัวยึดดอกสว่านก่อน เพื่อป้องกันการชอร์ต จากนั้นให้นำทองแดงที่ตัดมาแล้วนำมาพันบนแกน ปรับขนาดของแผ่นให้ดี
ต่อมาให้นำเส้นลวดทองแดงขนาดเล็กมาลอดใต้แผ่นทองแดงทั้ง 2 แผ่นโดยลวดที่ใช้นี้จะมี 2 เส้นเอาปลายของลวดมาบัดกรีเข้ากับแผ่นทองแดงให้แน่นและราบเรียบที่สุด เมื่อแน่ใจแล้วให้นำแผ่นทองแดงทั้ง 2 เส้นมายึดเข้ากับแกนทองเหลืองที่ได้เตรียมไว้ตั้งแต่ต้น โดยใช้กาวตราช้างติดให้แน่นหรืออาจจะใช้กาวปืนย้ำเพื่อให้แน่นอีกก็ได้
หลังจากยึดจนแน่นแล้ว ให้ทำการวัดทดสอบว่าสายและแผ่นทองแดงสื่อถึงกันหรือไม่ โดยใช้มัลติมิเตอร์วัด

หลังจากทำแกนเสร็จแล้ว จะมีลวดทองแดง 2 เส้นที่ได้บัดกรีไปแล้วด้านหนึ่งส่วนอีกด้าน จะนำมาต่อเข้ากับแผ่นวงจรต่อไป
ขั้นตอนต่อมาให้นำแผ่นไม้หรือวัสดุอื่นๆมาทำเป็นฐานรองบนแกนทองเหลืองเพื่อใช้เป็นตัวรองแผ่นวงจร ต้องยึดให้แน่นกับแกนเพื่อป้องกันไม่ให้แผ่นวงจรหลุดออกขณะที่กำลังหมุนอยู่
ต่อมาให้ใช้แผ่นทองแดงดังภาพ(แกะออกมาจากรถแข่ง)มาทำเป็นแปรงสัมผัสซึ่งต้องต่อให้สัมผัสกับแผ่นทองแดงบนแกนที่ได้ทำไว้ให้มากที่สุด เพื่อทำให้วงจรมีเสถียรภาพในการทำงานไม่รีเซ็ตเอง เพราะหากแผ่นทองแดงสัมผัสกันไม่สนิทพอก็จะทำให้ไฟที่จ่ายให้วงจรขาดไป เลยทำให้วงจรรีเซ็ตตลอดเวลา
หลังจากที่เราได้ทำส่วนของการจ่ายไฟเป็นที่เรียบร้อยแล้วก็มาถึงการการนำวงจรมาต่อเข้ากับตัวมอเตอร์ โดยสามารถต่อในลักษณะดังภาพหรือแบบอื่นๆตามเหมาะสม

เมื่อประกอบเสร็จแล้วให้ต่อสายไฟ(ลวดทองแดงทั้ง 2 เส้น)เข้ากับวงจร ในส่วนสุดท้ายก็จะเป็นการปรับตัวเซนเซอร์อินฟราเรดเพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างถูกต้อง โดยจะต้องมีตัวตัดแสงซึ่งใช้แผ่นพลาสติกขนาดบาง(บัตรเติมเงิน) มาทำ ดังภาพ

การทดสอบ
หลังจากที่เราประกอบวงจรจนเสร็จเรียบร้อบแล้ว และได้เบิร์นโค้ดที่ได้ดาวน์โหลดลงไอซีแล้ว ก็มาถึงการทดลองวงจรเพื่อตรวจสอบและแก้ไขปัญหาต่างๆ
ก่อนอื่นให้หาภาคจ่ายไฟขนาด 12 Vdc หรือตัวอแดปเตอร์ ซึ่งหากมีตัวเลือกแรงดันก็จะยิ่งดีเพราะทำให้การตรวจสอบหลากหลายมากขึ้น ให้จ่ายไฟเข้าที่แปรงทองแดงซึ่งต้องต่อสายไฟออกมา 2 เส้นหลังจากที่จ่ายไฟเข้าไปแล้ว จะมีไฟกระพริบออกจาก LED 1ทุกดวง 1 ครั้ง นั่นแสดงว่าวงจรทำงานแล้วแต่ถ้าไม่มีหรือมีไม่ครบก็ไม่ต้องตกใจเพราะว่าวงจรอาจจะยังทำงานไม่สมบูรณ์ก็ได้
ต่อมาให้ต้อไฟเข้ากับมอเตอร์ ขั้นแรกให้จ่ายไฟน้อยๆก่อนเพื่อดูว่ารอบของมอเตอร์เหมาะสมหรือไม่แล้วจึงค่อยปรับเพิ่มแรงดัน หากเห็นไฟที่ออกจาก LED เป็นตัวเลข 12 : 00 แสดงว่าวงจรทำงานไปขึ้นหนึ่งแล้ว แต่ถ้าแสดงผลออกมาเป็นในลักษณะอื่นที่ไม่ใช่ตัวเลข ก็ให้หยุดจ่ายไฟให้มเตอร์ก่อนเพื่อให้มอเตอร์หยุดหมุน แต่อย่าพึ่งถอดยาไฟออกจากแปรงสัมผัส ให้หาสายไฟมาต่อที่ขา 4 และ 5 ของไอซีเข้าด้วยกันเพื่อเป็นการรีเซ็ตวงจร จากนั้นจึงต่อไฟให้มอเตอร์ใหม่อีกครั้ง ก็จะได้ตัวเลขลักษณะดังภาพ

ถ้าหากไม่ปรากฏตัวเลขหรือไฟออกเลย แสดงว่าวงจรไม่ถูกต้องหรือต่อไม่ถูก ต้องไปตรวจเช็ควงจรทีละส่วนตั้งแต่ภาคจ่ายไฟ ตัวไอซี ภาคแสดงผล ว่าทำงานหรือไม่รวมทั้งตัวจับจังหวะ
ถ้าหากว่าวงจรทำงานเห็นเป็นตัวเลขแล้วให้หยุดจ่ายไฟให้มอเตอร์ แล้วทดลองกดปุ่มตั้งเวลาทั้ง 3 ปุ่ม จากนั้นจึงจ่ายไฟให้มอเตอร์ทำงาน ดูตัวเลขที่ได้ว่ายังปลี่ยนแปลงหรือไม่ ถ้าเปลี่ยนไปแสดงว่าวงจรทำงานสมบูรณ์แล้ว

ในส่วนที่เหลือก็เป็นการติดตั้งวงจรและตัวมอเตอร์กับฐานรอง ซึ่งสามารถทำได้หลายๆแบบ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของวงจรและการส่ายของมอเตอร์ ในการตั้งเวลาของวงจรอาจจะมาสะดวกนัก เพราะต้องหยุดไม่ให้มอเตอร์หมุนก่อนจึงจะปรับตั้งได้
สำหรับวงจรนี้สามารถนำไปดัดแปลงให้แสดงตัวเลขวินาทีก็ได้หรือจะแสดงเป็นตัวอักษร
ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับความคิดสร้างสรรค์ของแต่ละคน

ภาพวงจร Propellor Clock  ไม่รวมภาคจ่ายไฟภายนอก