Modelleisenbahn

Eine alte analoge Märklin-Modelleisenbahnanlage soll mit eigenentwickelten Steuerplatinen digital gesteuert werden. Hierzu wird zunächst eine später nicht mehr sichbare Ebene als "Schattenbahnhof" verwendet, um Erfahrung beim Anbringen der Sensoren und der Ansteuerung der Komponenten zu sammeln.

Der Gleisplan des Schattenbahnhofs zeigt die Einfahrt aus dem Wendel, der die Züge von der oberen Etage nach unten bringt. Eine Haltestelle (H0) sorgt dafür, dass bei voller Belegung des Schattenbahnhofs kein Zug einfahren kann. Die Weichen W1 bis W5 werden so gestellt, dass vom einfahrenden Zug ein freies Gleis angefahren werden kann. Die Steuerung hierzu übernimmt die Mikrocontrollersteuerung auf [Platine1]. Alle Züge werden in den Bereichen H1 bis H6 angehalten und können auf Tastendruck oder auch nach Zufallsprinzip wieder ausgefahren werden. Diese Steuerung erfolgt auf [Platine2]. Die Ausfahrt eines Zuges darf nur erfolgen, wenn entweder Gleis7 oder Gleis8 frei ist. Normalerweise ist die Durchfahrt auf Gleis 7 vorgesehen.

Damit ein einfahrender Zug jeweils auf ein freies Gleis geführt werden kann, erfolgt die Steuerung durch eine Mikrocontrollerplatine. Zur Belegtmeldung werden IRLEDs und gegenüberliegende IR-Phottransistoren verwendet. Diese geben bei freiem Gleis LOW-Signal und bei belegtem Gleis HIGH-Signal ab. Das Controllerprogramm prüft dauernd den Zustand aller Sensoren und schaltet bei Änderungen (Ausfahrt eines Zuges) die Weichen so, dass das nächste freie Gleis angefahren werden kann. Sind alle Gleise belegt, wird die Einfahrt gesperrt.

Das Herz der Weichensteuerung ist der Mikrocontroller Atmega8 der Firma Atmel®. Die Gleisbelegtsensoren geben bei belegtem Gleis H-Signal ab. Bei freiem Gleis wird der Fototransistor beleuchtet und schaltet L-Signal an die Eingänge des Controllers. Diese Eingänge sind auf „pull-up“ programmiert, so dass keine undefinierten Eingangssignale vorkommen können. Über R1 und C4 erfolgt im Einschaltmoment eine gewisse Zeit L-Signal an den Reseteingang (Pin 1). Hiermit wird das Steuerprogramm definiert gestartet. C1, C2, C3 und Q1 bilden die Taktsteuerung des Controllers. Die Ausgangsports werden über zwei Treiberbausteine zu den Relais weitergeleitet. Diese Bausteine enthalten auch eine Freilaufdiode zum Schutz der Halbleiter vor induktiven Überspannungen, die beim Abschalten der Relais entstehen.

Die Ansteuerung der Relais erfolgt direkt durch die Treiberbausteine ULN 2003. Für jede Weichenstellung ist ein Relais mit einem Schließerkontakt zuständig. Softwareseitig wird die Dauer der Weichenbetätigung eingestellt (ca. 50 ms).
Als Stromversorgung für den Gleichspannungsteil wurde ein ausrangiertes 5 V- Netzteil eines Netzwerkswitches verwendet. Die Weichen werden direkt mit dem Transformator der Gleis-Stromversorgung (16 V ~) verdrahtet und durch die Relaiskontakte durchgeschaltet.

Das Steuerprogramm für die Weichen wurde mit AVRSTudio in Assembler entwickelt. Der Programmablaufplan zeigt den logischen Zusammenhang der Steuerung: