طراحی و پیاده سازی کلید ایمنی به کمک گیت منطقی AND

ایمنی یکی از مهم ترین ارکان اجرای پروژه ها به شمار می رود. آنجاکه شعار اول ایمنی بعد کار را می بینیم، می توانیم اهمیت این موضوع را درک کنیم. چه بسیار نیروهای کار متخصصی که در اثر عدم رعایت ایمنی و یا خطرات محیط های صنعتی، جان خود را از دست داده و یا با نقص عضو رو به رو شده اند. محیط های صنعتی، به عنوان مثال کارگاه های برش قطعات فلزی و یا کارگاه های ماشین کاری، دارای ابزارهایی به شدت خطرناک هستند. در این محیط ها، مصداق بارز عبارت یک لحظه غفلت، یک عمر پشیمانی را می توان به چشم دید. موتورهای الکتریکی با پولی های بسیار تیز و برنده که تنها یک اشتباه می تواند به قیمت جان یا آسیب جدی تمام شود. اما مطابق همیشه، علم الکترونیک با پیشرفت خود، ایمنی در کارگاه ها را بسیار بالا برده است. استفاده از سنسورها و سوییچ های مختلف سبب شده تا جان بسیاری از افراد حفظ شود. در این آموزش ما به طراحی و پیاده سازی یک کلید ایمنی می پردازیم. این سوییچ دارای دو کلید و یک رله است. زمانی هر دو کلید با هم فشار داده شوند، خروجی رله فعال می شود. با قرار دادن کلیدها با فاصله نسبت به یکدیگر، کاربر جهت فعال کردن خروجی مجبور است تا هر دو دست خود را روی کلیدها قرار دهد. بدین ترتیب هیچ کدام از دست های وی آزاد نبوده و این مورد سبب حفاظت از اعضای بدن خواهد شد. در این آموزش به طراحی و پیاده سازی این کلید می پردازیم. در ادامه با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

مکانیزم عملکرد کلید ایمنی

همانطور که پیشتر نیز گفته شد، در این آموزش قصد به طراحی و پیاده سازی یک کلید ایمنی داریم. این کلید در خروجی به یک رله متصل شده است. از طرف دیگر، در ورودی دو کلید تعبیه شده است. این کلید ها به اندازه ای با یکدیگر فاصله دارند که کاربر برای فشردن هردو، می بایست از هر دو دست خود استفاده کند.

مطابق تصویر فوق، دو کلید، یک واحد پردازش و. یک خروجی تعریف شده است. در این پیاده سازی، زمانیکه هر دو کلید فشرده شوند، خروجی رله فعال خواهد شد. در این حالت اگر یکی از کلید ها فشرده شده و دیگر فشرده نشده باشد، خروجی فعال نخواهد شد. در خروجی ما از ماژول رله استفاده کرده ایم. این ماژول می تواند تا ۲۵۰ ولت AC تا ۱۰ آمپر را تحمل کند. اما برای قسمت پردازش، از میکروکنترلر یا برد پردازشی استفاده نکرده ایم. به این منظور، از یک آی سی گیت منطقی ۷۴۰۸ بهره برده ایم. در قسمت بعدی راجع به این آی سی بیشتر صحبت می کنیم.

نقش آی سی ۷۴LS08 در پروژه کلید ایمنی

آی سی ۷۴LS08 یک آی سی جهت پیاده سازی گیت منطقی AND است. پیشتر در سلسله آموزش های گیت منطقی، راجع به این آی سی صحبت کرده ایم. این آموزش را با کلیک بر روی این لینک می توانید مطالعه کنید.  در این آموزش نیز از قابلیت این گیت جهت فرمان به خروجی استفاده می کنیم. همانطور که اطلاع دارید، خروجی گیت AND تنها زمانی یک منطقی خواهد شد که هر دو ورودی یک منطقی باشند. اگر تنها یکی از ورودی ها صفر باشد، صرف نظر از مقدار دیگر ورودی، خروجی صفر خواهد شد.

در این پروژه نیز ما از مفهوم گیت منطقی AND جهت فعال سازی خروجی استفاده می کنیم. مطابق تصویر فوق، هرگاه هردو ورودی یک شوند، خروجی هم برابر با یک خواهد شد. مقادیر یک منطقی را در این تصویر به عنوان ۵ ولت و صفر را به عنوان ۰ ولت تلقی خواهیم کرد. به بیان دیگر، در صورتیکه به هردو ورودی پنج ولت اعمال شود، خروجی ۵ ولت خواهد شد. این خروجی به ماژول رله متصل است. بدین ترتیب رله با دریافت پالس، خروجی خود را تغییر وضعیت می دهد. پیش از آنکه به شماتیک مدار بپردازیم، قسمت بعدی را به بررسی مختصر رله و نقش آن در پروژه اختصاص می دهیم.

رله و نقش آن در پروژه کلید ایمنی

در این پروژه قصد داریم تا کنترل یک وسیله الکتریکی را به کمک کلید ایمنی انجام دهیم. همانطور که در قسمت قبل نیز گفته شد، با فشردن همزمان ۲ کلید، خروجی گیت AND 5 ولت می شود. این خروجی که به ماژول رله متصل است، می تواند وضعیت تیغه رله را کنترل کند. رله یکی از مهم ترین و پرکاربردترین ابزارها در صنایه به شمار می رود. در صنعت خودرو سازی جهت کنترل فن های خودرو، در صنعت برق جهت کنترل وسایل برقی نظیر لامپ ها و یا موتورهای الکتریکی  به کار می رود. رله دارای ساختار بسیار خلاقانه ای است. این قطعه از یک بوبین و یک تیغه تشکیل شده است. با اعمال ولتاژ به بوبین، میدان مغناطیسی ایجاد شده در اطراف بوبین سبب حرکت تیغه می شود. در این حالت ولتاژ وسیله برقی کنترل می شود.

راه اندازی و کار با رله ها نیاز به مدار راه انداز دارد. این مدار راه انداز شامل ترانزیستور جهت تقویت جریان ضعیف اعمال شده به ورودی و دیود هرزگرد به منظور جلوگیری از جریان پسماند ناشی از کنتاکت تیغه رله می گردد. اما ماژول رله کار را بسیار آسان می کند. این ماژول دارای ۳ پایه در ورودی جهت اعمال تغذیه و سیگنال است. سپس در خروجی از ۳ کانکتور با حالت ترمینال پیچی بهره می برد. این کانکتورها مطابق جدول زیر، نام و نقش دارند.

برای درک بهتر جدول فوق، در نظر بگیرید که رله همانند یک کلید، به صورت سری در مسیر تغذیه وسیله برقی قرار می گیرد. در این حالت، یک کابل تغذیه مستقیم به یک کابل از مصرف کنند متصل می گردد. سپس کابل دیگر تغذیه به پایه COM  و دیگر کابل وسیله برقی، به پایه NC  یا NO متصل می گردد. برای اطلاعات بیشتر در رابطه با رله، مطالعه آموزش جامع آن با کلیک بر روی این لینک، توصیه می گردد. در ادامه پس از آشنایی با المان های پروژه، قسمت بعد را به شماتیک و اجرا اختصاص می دهیم.

شماتیک، PCB و اجرای پروژه

پس از آشنایی با روال کلی پروژه، نوبت به ارایه شماتیک و اتصالات می رسد. ابتدا به تصویر زیر که فرم کلی اتصالات را نمایش می دهد؛ دقت کنید.

مطابق تصویر فوق، اتصالات را به شیوه زیر اجرا کنید.

• اتصال پایه VCC آی سی به ۵ ولت
• اتصال پایه GND آی سی به GND تغذیه
• اتصال هر کدام از پایه های ۱و ۲ با یک مقاومت یک کیلو به گراند
• اتصال هر یک از پایه های ۱ و ۲ با یک کلید به پایه VCC
• اتصال پایه ۳ آی سی به پایه IN ماژول رله
• اتصال پایه VCC ماژول رله به ۵ ولت مدار
• اتصال پایه GND ماژول رله به GND مدار

در ادامه پس از اجرای اتصالات، با فشردن همزمان کلیدها، خروجی رله فعال خواهد شد.

در نهایت فایل شمای پروژه در قالب PCB را ارایه می دهیم. این شماتیک تحت نرم افزار آلتیوم دیزاینر به شکل زیر طراحی شده است.

در ادامه می توانید با کلیک بر روی این لینک، فایل PCB را دانلود نمایید.

لوازم مورد نیاز

ماژول رله

مقاومت یک کیلو اهمی

آی سی گیت منطقی ۷۴LS08

جمع بندی

در این پروژه به طراحی و پیاده سازی یک کلید ایمنی پرداختیم. در این سوییچ دو کلید تعبیه شده که هرگاه دو کلید با هم فشرده شوند، رله فعال می گردد. بدین ترتیب هر دو دست کابر می بایست جهت فشردن کلیدها، روی آن ها قرار بگیرد. این قابلیت سبب می شود تا کاربر دست آزاد در هنگام راه اندازی وسیله برقی نداشته باشد. این پروژه به پیاده سازی کلید ایمنی می پردازد. به این منظور از گیت منطقی AND با آی سی ۷۴LS08 استفاده کردیم. ابتدای این آموزش به شرح مکانیزم عملکرد سیستم می پردازد. در ادامه با معرفی هر قطعه، نقش و وظیفه هر قطعه را بررسی می کنیم. در نهایت با ارایه شماتیک و اتصالات، پروژه را به اجرا درمی آوریم.

چنانچه مطالب این آموزش را گنک یافتید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در مطالب درج شده وجود دارد می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.