¿Cuál es un buen enfoque para detectar la distancia y la velocidad en ferrocarriles modelo?

Desde el principio, debo admitir que tengo poco conocimiento práctico de los microcontroladores modernos y su software: conozco la ingeniería de potencia y los motores grandes mucho mejor (45 años).

Ahora, mi pregunta: tratar de entusiasmar a los nietos con la electrónica. Les encantan los modelos de ferrocarriles, por lo que estamos construyendo un sistema de monitoreo de trenes poco a poco.

Problema actual: para detectar la distancia (opcionalmente, la velocidad) de una locomotora desde una ubicación de vía específica, sin interferir con la potencia de la vía.

Plataforma de control: Stellaris Launchpad

Opciones consideradas:
* TSOPxxxx con oscilador de frecuencia fija "tonto" y LED de RF en loco - ¿Cómo obtengo información de velocidad?
* TSOPxxxx y emisor en la pista, reflejo de la locomotora: puede obtener velocidad por tiempo de vuelo, tal vez
* Láseres rojos de 5 voltios y detección de rotura por LED rojo como sensor (a los niños les encantan los láseres, así que ...) - sin velocidad detección sin múltiples dispositivos por ubicación de detección
* Etiquetas RFID y una bobina en el costado de la pista (identificará la locomotora específica que es un plus) - sin información de velocidad
* Sensores de distancia ultrasónicos - Ubicuo y bien apoyado por los internautas, pero sospecho un ángulo de cobertura demasiado amplio
* Uno de los muchos modelos de productos ferroviarios prefabricados: contrario al propósito de este ejercicio

Entonces, ¿cuál de estos enfoques, o cualquier otro, me dará la menor molestia al final del software y, sin embargo, implicará una oportunidad suficiente para involucrar a los niños de 8 a 12 años en el diseño electrónico con los resultados que pueden experimentar? ¿Cuáles son las trampas a tener en cuenta (además de la cola derramada)?

Los trenes son de escala N (escala 1: 160).

Otras respuestas han proporcionado excelentes aportes a su requerimiento; Mi respuesta se concentra exclusivamente en la detección de proximidad (y presencia) de trenes modelo, sin identificación, en las escalas que me interesan, las pequeñas escalas N y T.

Teniendo en cuenta su necesidad de simplicidad de software, una combinación de transmisor / sensor infrarrojo cortado será más fácil. Su mención de los dispositivos TSOP indica que ya está evaluando esa ruta. Considere en su lugar el TSSP4P38, que está diseñado específicamente para la detección de proximidad utilizando IR interrumpido de 38 KHz:

Afirmando lo que puede ser obvio para usted: la detección de distancia a través del tiempo de vuelo de las ondas electromagnéticas (IR, radar, etc.) no es práctica para sus propósitos: dada la velocidad de la luz, se necesita una resolución en femtosegundos o inferior para el 0 a 10 distancias objetivo de centímetro con las que probablemente esté trabajando (escala N de 1: 160). En las rutas de tránsito del "mundo real" que mencionas en un comentario, las distancias pueden ser mayores, supongo.

Un mecanismo de sensor reflectante IR utilizado en los ferrocarriles modelo generalmente involucra, en cambio, la intensidad de la señal IR reflejada, lo que aumentaría por ley del cuadrado inverso con el enfoque locomotor.

Su dispositivo necesitaría tener un LED IR como el TSAL6200 y el TSSP4P38, alojado en algo como el diagrama en la página 5 de la hoja de datos de TSSP. La combinación se montaría entre los lazos en su pista, uno hacia cada lado. Si lo monta lo suficientemente bajo y apuntando casi en paralelo a las pistas, se minimizarán los reflejos de objetos externos y las pistas funcionarán como luces intermitentes.

La salida del TSSP es un pulso de duración de nivel lógico proporcional al IR reflejado. A medida que se acerca una locomotora, los pulsos sucesivos se alargan, por lo que las lecturas de al menos 2 pulsos consecutivos, preferiblemente varios más, proporcionarán un conjunto de duraciones de pulso y, por lo tanto, una indicación de velocidad. De la hoja de datos:

El ancho de pulso de salida del TSSP4P38 tiene una relación casi lineal con la distancia del emisor o la distancia de un objeto reflectante. El TSSP4P38 está optimizado para suprimir casi todos los pulsos espurios de las lámparas fluorescentes de bajo consumo.

Si permanece con los requisitos de precisión practicables para su dispositivo, es posible "rápido" versus "lento", "acercándose" versus "retrocediendo" y, por supuesto, la presencia de una locomotora dentro del rango del sensor.

Deberá establecer una línea de base del sistema para tener en cuenta los reflejos estáticos, por ejemplo, del paisaje. Además, la calibración de la velocidad real versus las longitudes de pulso consecutivas proporcionará las asignaciones de rango "rápido" / "lento".

La duración del pulso se puede medir utilizando una entrada de temporizador / contador en el microcontrolador de su elección. Hay varios ejemplos en la web para hacer esto en el Arduino, pero como ha mencionado usando un Stellaris Launchpad en su lugar, puede ser necesario investigar un poco.

Esta es una descripción general de alto nivel de una solución, no dude en preguntar si aspectos específicos necesitan aclaración. Supongo que, dados sus antecedentes establecidos, este no será un proyecto nocturno, pero se puede lograr dentro de una temporada de vacaciones. Algunos de los productos de ferrocarriles modelo que usted mencionó utilizan este mecanismo.

Para una discusión más general sobre detección de distancia, mire esta respuesta de una pregunta anterior.

Si yo estuviera automatización de un modelo de ferrocarril que pondría etiquetas de código de barras en la parte inferior de los vagones del tren. Luego, extendiéndome por toda la pista, colocaría lectores de códigos de barras, mirando hacia arriba entre los rieles.

Con esto puede detectar la posición, la velocidad y la identidad de los automóviles. Cada automóvil tendría su propio código de barras único, no solo la locomotora.

La detección de la posición de este método es muy clara, ya que depende de cuando un tren pasa sobre un sensor. Pero debería funcionar bien para la mayoría de las cosas. Siempre puede colocar más sensores en puntos importantes de la pista y menos sensores donde no importa tanto.

Una gran ventaja de este método es que el precio por vagón de tren es muy bajo, solo una etiqueta que puede imprimir en su impresora láser o de inyección de tinta. La complejidad por vagón de tren es muy baja. Y el peso agregado a cada auto también es súper bajo.

Implementaría esto usando un LED IR y un fototransistor como sensor (hay componentes con ambos incorporados) y los conectaría a un microcontrolador. Cada sensor tiene su propio microcontrolador. Los diferentes sensores pueden conectarse entre sí mediante una red simple (como un bus RS-485). Con los LED IR, el sensor sería difícil de ver a simple vista. El costo total por sensor + MCU podría ser inferior a US $ 3, sin incluir una pequeña PCB.

Comenzaría con el interruptor óptico o el método del reflector a ambos lados de los cruces de carreteras para señalar los trenes que se aproximan y encender un LED ROJO parpadeante. El seguimiento remoto también se puede conectar a un mapa de trenes con indicadores de cruce de trenes y directo y velocidad.

El escáner de código de barras es engañosamente simple hasta que tiene que lidiar con la seguridad del rayo láser, las tasas de seguimiento de la velocidad de la etiqueta y el tiempo de intervalo de intervalo de la barra de cómputo para calcular la velocidad y validar el contenido del código para determinar el ion directo en el software.

Desglose el proyecto en;

• diseño funcional del sistema
  • entradas, procesos, salidas (incluye falso rechazo de disparador)
• diseño electronico
  • esquema, lista de materiales, diseño
• diseño de trayectoria óptica
  • rutas y alcance del emisor y detector, respuesta de frecuencia, rechazo de ruido
• construcción y pruebas
  • cableado con alimentación fuera de la pista, filtrado de ruido y detalles mecánicos, eléctricos

IR puede detectar la interrupción de la señal en cualquier lado más fácilmente o la reflexión de la señal desde el mismo lado con un rango más amplio de detección. La secuencia a dos detectores adyacentes indica qué dirección y el intervalo de tiempo indican la velocidad. Esto se puede medir con métodos analógicos o digitales.

Los escáneres de códigos de barras IR dependen del código que pasa por el detector a una velocidad constante o que el emisor se refleja más allá del código de barras para ser detectado por la dispersión de la luz o la absorción de carbono negro. Los rayos láser estables hacia arriba tendrían que cambiarse ópticamente para reducir la potencia a un nivel seguro o propagarse y luego enfocarse para una longitud de trayectoria corta para reducir la densidad de potencia de la luz parásita.