مشروع ختامي: نظام تحكّم متكامل

הגדרת דרישות המערכת – متطلبات النظام (Requirements)

كل مشروع يبدأ بسؤال: ماذا يجب أن يفعل النظام؟ قبل التوصيل والبرنامج نكتب ما يريده صاحب الموقف بجمل قصيرة قابلة للفحص: بعد الاختبار نستطيع أن نقول «تحقّق» أو «لم يتحقّق».

نبني نموذجا مصغّرا (דגם) فيه 3 مواقف فقط لكي نملأه بسرعة في الاختبار؛ في موقف حقيقي نغيّر ثابتا واحدا في البرنامج. السيارة تقطع أولا شعاع المدخل، ثم تمرّ تحت الذراع فتقطع شعاع الأمان، وعندما تخرج منه فقط نعدّها.

דיאגרמת מלבנים ובחירת חיישנים – مخطّط الكتل واختيار الحسّاسات (Block Diagram)

من المتطلبات نستخرج ما يجب أن «يحسّه» النظام وما يجب أن «يفعله»، ونرسمه في مخطّط الكتل (דיאגרמת מלבנים): الحسّاسات يسارا، المتحكّم في الوسط، والمشغّلات والبيان يمينا.

كان يمكن أيضا استعمال الحسّاس فوق الصوتي (يقيس المسافة، لكنه يحتاج برنامج قياس) أو حلقة حثّية في الأرض (تكشف المعدن فقط، لكنها تحتاج حفرا ودائرة خاصة). نختار الحاجز الضوئي لأنه يعطي مخرجا رقميا بسيطا. نقطة ضعفه أن الإنسان يقطعه أيضا، فنعالجها بالمنطق: لا نعدّ إلا جسما مرّ أولا بحسّاس المدخل (R2).

טבלת מבואות ומוצאות ובחירת רכיבים – جدول المداخل والمخارج واختيار المكوّنات (I/O Table)

قبل أي توصيل نكتب جدول المداخل والمخارج (טבלת I/O). هذا الجدول هو العقد بين مخطّط التوصيل والبرنامج: كل طرف يظهر فيهما بنفس الرقم. الطرفان D0 و D1 يبقيان للشاشة التسلسلية، و A4 و A5 لناقل I2C.

كل المداخل مع INPUT_PULLUP، أي مع مقاومة الرفع الداخلية: الزرّ أو الحسّاس يوصل الطرف إلى الأرضي، فالمستوى الفعّال LOW. مفتاحا نهاية المشوار نوصلهما بالتلامس المغلق في الراحة (NC): عندما يضغطهما الذراع ينفتح التلامس ويصبح الطرف HIGH.

المحرّك في اتجاهين: جسر H – מנוע דו-כיווני: גשר H:

محرّك الذراع محرّك تيار مستمر 12 V. نعكس اتجاهه بعكس قطبية الجهد عليه بواسطة جسر H (גשר H) في الدائرة L298 على وحدة L298N. المتحكّم يعطي إشارتين منطقيتين، والجسر يمرّر تيار المحرّك من مصدر 12 V منفصل. حسب ورقة البيانات يتحمّل L298 حتى 2 A لكل جسر، ومدخلان متساويان يوقفان المحرّك بسرعة (كبح).

بدل جسر H يمكن استعمال مرحّلين بتلامس متبادل: المحرّك بين نقطتَي COM، تلامسا NO إلى +12 V وتلامسا NC إلى الأرضي. لا نشغّل الاثنين معا أبدا: هذا هو الإقفال المتبادل (נעילה הדדית). مع ملامسين لمحرّك ثلاثي الطور تشغيلهما معا قصر بين طورين، ولذلك الإقفال هناك إلزامي في الدائرة نفسها بتلامس NC، لا في البرنامج وحده.

תרשים מצבים של המחסום – مخطّط الحالات للبوابة (State Diagram)

• المهلة الزمنية (פסק זמן): زمن رفع الذراع في النموذج 4 s (قسناه)، ونسمح بـ 1.5 ضعفه، 6 s. بعدها نعرف أن الذراع عالق أو المحرّك معطّل أو مفتاح نهاية المشوار مكسور (R8).
• حالة العطل (מצב תקלה): المحرّك متوقّف، الأحمر يومض، الطنّان يعمل. لا نخرج منها تلقائيا: إنسان يفحص البوابة ثم يضغط OPEN أو CLOSE (R9).
• عكس الاتجاه: في CLOSING شعاع مقطوع ينقلنا فورا إلى OPENING (R7)، وفي OPEN لا ننخفض ما دام الشعاع مقطوعا.

إزالة الارتداد تؤخّر عكس الاتجاه 50 ms فقط، والذراع يتحرّك خلالها مسافة صغيرة جدا. ومع ذلك لا يقف الذراع فورا بسبب القصور الذاتي، ولذلك يُركَّب على الذراع الحقيقي أيضا حافة مطاطية وتُحدَّد قوّته.

תרשים חיווט והפעלה ראשונה – مخطّط التوصيل والتشغيل الأوّل (Wiring and Bring-up)

نقسم التوصيل إلى رسمين: المخارج والمداخل. أرقام الأطراف فيهما مأخوذة من نفس جدول المداخل والمخارج الذي يولّد ثوابت البرنامج.

التشغيل الأوّل (הפעלה ראשונה): لا نحمّل البرنامج الكامل مباشرة، بل نفحص كل جزء وحده، فلا تختلط الأخطاء ببعضها:

1. برنامج قصير يطبع digitalRead() لكل مدخل: نقطع كل شعاع بيدنا ونضغط كل زرّ ومفتاح.
2. نرفع الذراع باليد ونرى أن كل مفتاح نهاية مشوار يتغيّر في مكانه الصحيح.
3. نحرّك المحرّك لحظة قصيرة في كل اتجاه ونتأكّد أن IN1 يرفع الذراع.
4. برنامج مثال المكتبة يكتب على الشاشة: إذا لم يظهر شيء نفحص عنوان I2C والتباين.
5. فقط بعد ذلك نحمّل البرنامج الكامل.

התוכנית המלאה – البرنامج الكامل (The Complete Sketch)

البرنامج آلة حالات لا تتوقّف: لا يوجد delay() في أي مكان. كل دورة من loop() تستغرق أقل من ميلي ثانية، وفيها ثلاث خطوات ثابتة: العدّ، ثم آلة الحالات (switch (state))، ثم البيان.

• enum State نوع قيمه أسماء الحالات. state يحفظ الحالة الحالية، و tState لحظة دخولها، ومنها نحسب المهل.
• إزالة الارتداد لكل مدخل: نقبل مستوى جديدا فقط إذا بقي ثابتا 50 ms ، ونحسب الحافّتين rose (أصبح فعّالا) و fell (لم يعد فعّالا). الزرّ يعمل على الحافّة، فضغطة طويلة لا تُحسب مرّتين.
• الدالة go() هي المكان الوحيد الذي يغيّر الحالة: تضبط المحرّك (اتجاه واحد على الأكثر)، تحفظ الزمن وتطبع سطرا.
• armed يصبح صحيحا عندما يكون حسّاس المدخل فعّالا؛ نعدّ سيارة فقط عندما يخرج جسم من شعاع الأمان و armed صحيح (R2).
• الشاشة تُكتب فقط عندما يتغيّر شيء (lcdDirty)، لأن الكتابة عبر I2C تستغرق بضع ميلي ثوانٍ.

// Parking gate controller - final project (chapter 14)
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

const byte ENTRY_PIN = 2;      // IR beam before the arm, LOW = car
const byte EXIT_PIN = 3;       // IR beam in the exit lane, LOW = car
const byte BEAM_PIN = 4;       // safety beam under the arm, LOW = blocked
const byte LS_OPEN_PIN = 5;    // NC limit switch, HIGH = arm is up
const byte LS_CLOSED_PIN = 6;  // NC limit switch, HIGH = arm is down
const byte BTN_OPEN_PIN = 7;   // manual buttons, LOW = pressed
const byte BTN_CLOSE_PIN = 8;
const byte IN1_PIN = 9, IN2_PIN = 10;   // L298N: IN1 = up, IN2 = down
const byte GREEN_PIN = 11, RED_PIN = 12, BUZZER_PIN = A0;

const int CAPACITY = 3;                 // places in the model lot
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 50;
const unsigned long MOVE_MAX_MS = 6000;  // limit switch must be reached
const unsigned long HOLD_MS = 5000;      // stay open after the car passed
const unsigned long BEEP_MS = 500;

enum State { CLOSED, OPENING, OPEN, CLOSING, FAULT };
const char *NAMES[] = { "CLOSED", "OPENING", "OPEN", "CLOSING", "FAULT" };

enum { ENTRY, EXITS, BEAM, LS_OPEN, LS_CLOSED, B_OPEN, B_CLOSE, N_IN };
struct Input {
  byte pin;
  bool activeHigh;
  bool on, raw, rose, fell;   // debounced level, raw level, edges
  unsigned long t;            // time of the last raw change
};
Input in[N_IN] = {
  { ENTRY_PIN, false }, { EXIT_PIN, false }, { BEAM_PIN, false },
  { LS_OPEN_PIN, true }, { LS_CLOSED_PIN, true },
  { BTN_OPEN_PIN, false }, { BTN_CLOSE_PIN, false }
};

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
State state = CLOSED;
unsigned long tState = 0, tBeep = 0;
int cars = 0;
bool armed = false, beep = false, lcdDirty = true;

bool active(const Input &k) {
  return digitalRead(k.pin) == (k.activeHigh ? HIGH : LOW);
}

void readInputs(unsigned long now) {
  for (byte i = 0; i < N_IN; i++) {
    Input &k = in[i];
    bool r = active(k);
    k.rose = k.fell = false;
    if (r != k.raw) { k.raw = r; k.t = now; }    // raw change: restart
    else if (r != k.on && now - k.t >= DEBOUNCE_MS) {
      k.on = r; k.rose = r; k.fell = !r;         // stable: accept it
    }
  }
}

void stamp(unsigned long now) {
  Serial.print("t="); Serial.print(now / 1000);
  Serial.print('.'); Serial.print((now / 100) % 10);
  Serial.print("  ");
}

void go(State s, unsigned long now) {   // the only place that moves
  state = s; tState = now; lcdDirty = true;
  digitalWrite(IN1_PIN, s == OPENING);   // one direction at most
  digitalWrite(IN2_PIN, s == CLOSING);
  if (s == CLOSED) armed = false;
  stamp(now); Serial.print("state: "); Serial.println(NAMES[s]);
}

void count(int d, unsigned long now) {
  cars += d; lcdDirty = true;
  stamp(now);
  Serial.print(d > 0 ? "car in   free = " : "car out  free = ");
  Serial.println(CAPACITY - cars);
}

void showLcd() {
  lcd.setCursor(0, 0);
  if (cars >= CAPACITY) lcd.print("PARKING FULL    ");
  else {
    lcd.print("Free places: "); lcd.print(CAPACITY - cars);
    lcd.print("  ");
  }
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Gate: "); lcd.print(NAMES[state]); lcd.print("   ");
  lcdDirty = false;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (byte i = 0; i < N_IN; i++) {
    pinMode(in[i].pin, INPUT_PULLUP);
    in[i].raw = in[i].on = active(in[i]);
  }
  pinMode(IN1_PIN, OUTPUT); pinMode(IN2_PIN, OUTPUT);
  pinMode(GREEN_PIN, OUTPUT); pinMode(RED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  // position unknown after power-up: close first
  go(in[LS_CLOSED].on ? CLOSED : CLOSING, millis());
  lcd.init();
  lcd.backlight();
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  readInputs(now);
  bool full = cars >= CAPACITY;

  // 1. counting
  if (in[ENTRY].on) armed = true;      // came through the entry lane
  if (in[BEAM].fell && armed) { armed = false; count(+1, now); }
  if (in[EXITS].fell && cars > 0) count(-1, now);
  if (in[ENTRY].rose && full) {
    beep = true; tBeep = now;
    stamp(now); Serial.println("lot FULL, entry refused");
  }
  full = cars >= CAPACITY;

  // 2. state machine
  if (in[LS_OPEN].on && in[LS_CLOSED].on && state != FAULT)
    go(FAULT, now);                     // both limits: broken wire
  switch (state) {
    case CLOSED:
      if (in[B_OPEN].rose || (in[ENTRY].on && !full)) go(OPENING, now);
      break;
    case OPENING:
      if (in[LS_OPEN].on) go(OPEN, now);
      else if (in[B_CLOSE].rose) go(CLOSING, now);
      else if (now - tState > MOVE_MAX_MS) go(FAULT, now);
      break;
    case OPEN:
      if (in[BEAM].on || (in[ENTRY].on && !full)) tState = now;
      if (in[B_CLOSE].rose && !in[BEAM].on) go(CLOSING, now);
      else if (now - tState >= HOLD_MS) go(CLOSING, now);
      break;
    case CLOSING:                       // obstacle: reverse at once
      if (in[BEAM].on || in[B_OPEN].rose) go(OPENING, now);
      else if (in[LS_CLOSED].on) go(CLOSED, now);
      else if (now - tState > MOVE_MAX_MS) go(FAULT, now);
      break;
    case FAULT:                         // motor off: wait for a person
      if (in[B_OPEN].rose) go(OPENING, now);
      else if (in[B_CLOSE].rose) go(CLOSING, now);
      break;
  }

  // 3. indication
  if (beep && now - tBeep >= BEEP_MS) beep = false;
  bool blink = (now / 500) % 2;
  digitalWrite(GREEN_PIN, !full && state != FAULT);
  digitalWrite(RED_PIN, state == FAULT ? blink : full);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, state == FAULT || beep);
  if (lcdDirty) showLcd();
}

תוכנית בדיקות – خطّة الاختبار (Test Plan)

خطّة الاختبار (תוכנית בדיקות) جدول نكتبه قبل الاختبار: لكل حدث الحالة والمخارج المتوقّعة، ثم ننفّذ ونسجّل النتيجة. كل متطلب يظهر في سطر واحد على الأقل.

ننفّذ الأسطر 1–10 كتجربة واحدة. أزمنة الأحداث بالثواني: سيارة عند المدخل في 2 وتحت الذراع بين 7 و 9؛ سيارتان بين 20 و 31؛ مارّ في 38؛ سيارة رابعة تنتظر من 52؛ سيارة تخرج في 56؛ الذراع عالق بين 69 و 79؛ الحارس يضغط CLOSE في 80. أدخلنا هذا التسلسل إلى نموذج للبرنامج بلغة بايثون ينفّذ نفس الشروط كل ميلي ثانية، فحصلنا على:

t=0.0  state: CLOSED
t=2.0  state: OPENING
t=6.1  state: OPEN
t=9.0  car in   free = 2
t=14.0  state: CLOSING
t=18.0  state: CLOSED
t=20.0  state: OPENING
t=24.1  state: OPEN
t=27.0  car in   free = 1
t=31.0  car in   free = 0
t=36.0  state: CLOSING
t=38.0  state: OPENING
t=40.1  state: OPEN
t=45.1  state: CLOSING
t=49.1  state: CLOSED
t=52.0  lot FULL, entry refused
t=57.0  car out  free = 1
t=57.0  state: OPENING
t=61.1  state: OPEN
t=64.0  car in   free = 0
t=69.0  state: CLOSING
t=75.0  state: FAULT
t=80.0  state: CLOSING
t=84.1  state: CLOSED

نقارن السجلّ بالجدول: في الثانية 38 انعكس الاتجاه ولم يُعَدّ المارّ؛ في 52 رُفضت السيارة؛ في 57 خرجت سيارة فارتفع الذراع للسيارة المنتظرة؛ في 75.0 دخلنا حالة العطل بعد 6 s من بدء الانخفاض. كل زمن متأخّر 50 ms عن الحدث بسبب إزالة الارتداد.

הרחבות לפרויקט – توسيع المشروع (Extensions)

تقرير لاسلكي مع ESP32: لوحة ESP32 ترسل كل دقيقة عدد الأماكن الشاغرة إلى صفحة في الإنترنت، فيعرف السائق قبل أن يصل. الأفضل إبقاء Uno للتحكّم وإضافة ESP32 للاتصال فقط: عطل في الشبكة لا يوقف البوابة.

متحكّم ثانٍ: شاشة كبيرة عند الشارع يقودها متحكّم ثانٍ، والأوّل يرسل إليه العدد في كل تغيير. هذا اتصال آلة-آلة (ממשק מכונה-מכונה): سطر نصّي عبر خطّ تسلسلي (TX إلى RX مع أرضي مشترك).

نفس البوابة بـ PLC: في المصنع تُبنى البوابة غالبا بمتحكّم منطقي قابل للبرمجة (בקר מתוכנת, PLC) ويُكتب برنامجه بـ المخطّط السلّمي (דיאגרמת סולם)، كما في الفصل 2 من مادة 33.102:

نقارن: الحالة في Arduino متغيّر state، وفي PLC ملفّ K1 أو K2 مع تلامس تثبيت ذاتي. عكس الاتجاه تلامسان لـ BEAM: المغلق في الراحة في درجة الخفض يوقف الخفض، والمفتوح في الراحة الموازي في درجة الرفع يشغّل الرفع. المهلة مؤقّت TON، والعدّ عدّاد CTU/CTD مع مقارنة تعطي NOT_FULL. والإقفال المتبادل تلامس K2 مغلق في الراحة في درجة K1 وبالعكس، بدل الدالة go().

הערכת הפרויקט – تقييم المشروع (Assessment Checklist)

ملخّص قوانين الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: