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Die Idee zu diesem Projekt entstand, als ich ein "Gleisbildstellwerk" erhielt, welches in der ursprünglichen Relaistechnik ausgeführt war und dessen Gleisbild als Abbild einer Märklin-Eisenbahn erstellt worden war.
Das Gleichbildstellwerk besteht aus den originalen, hellgrauen Tischfeldern aus Aluminium der Firma Siemens AG (1960er Jahre) mit einem Unterbau aus schwarzem Kunststoff, die jeweils 34 x 54 mm groß sind und ursprünglich mit Drucktastern sowie weißen und roten Glühlampen für Weichen, Signale und Gleisausleuchtung bestückt waren (Quelle: www.stellwerke.de). Die Steuerung der Weichen und Signale erfolgte über die o.g. Drucktaster, wobei hier jeweils zwei Taster pro Weiche bzw. Signal vorgesehen waren.
Bei diesem für eine Märklin-Eisenbahn modifizierten Gleisbildstellwerk wurde für die Kontrolleuchten der Weichenstellungen eine separate Platine mit einer Relaisschaltung erstellt, während die Signalkontrolleuchten direkt über die Relais der Märklin-Signale geschaltet wurden. Jede Weiche und jedes Signal konnte nur über das gleichzeitige Drücken sowohl des Weichen-/Signaldrucktasters als auch der zugehörigen Weichen- bzw. Signalgruppentaste umgestellt werden, um ein "versehentliches" Umschalten zu verhindern. Das gesamte Gleisbildstellwerk arbeitete mit 16V Wechselstrom Betriebsspannung, die über den Märklin-Trafo zur Verfügung gestellt wurde.
Meine Idee war, das Gleisbildstellwerk mit einer Arduino-Steuerung auszustatten, welche die Relaissteuerung zur Weichen- und Signalkontrollbeleuchtung ersetzen sollte. Um die Weichen und Signale schalten zu können, sollten Relaiskarten eingesetzt werden, die ebenfalls durch den Arduino geschaltet werden konnten. Die 16V-Glühlampen schließlich sollten durch gesockelte LEDs ersetzt werden, die dann ebenfalls einzeln durch den Arduino angesteuert werden konnten. Nur die ohnehin vorhandenen Drucktaster sollten weiterhin mit direktem Anschluss an den Arduino und passendem Pull-Down-Widerständen weitergenutzt werden. Die Betriebsspannung des Gleisbildstellwerks sollte insgesamt vollständig auf 5V Gleichstrom umgestellt werden, während die "echten" Signale und Weichen der Eisenbahn über die Relaiskarten mit 16V Wechselstrom aus dem Märklin-Trafo versorgt werden sollten.
Schließlich musste auch noch eine Märklin Eisenbahn mit C-Gleisen so aufgebaut werden, dass sie möglichst dem Gleisbild des Stellwerks entsprach:
Die Stromversorgung des Gleisbildstellwerks erfolgt über den Märklin-Trafo (16 V~), der durch einen Brückengleichrichter und den Spannungsregler LM2596S in 5 V= umgewandelt wird. Alle für die Spannungsversorgung benötigten Komponenten werden nebst ausreichender Anzahl an Anschlussbuchsen auf eine Leiterplatine mit Breadboardlayout gelötet. Auf einer weiteren Leiterplatine mit Breadboardlayout sind Buchsen- und Steckerleisten sowie Widerstände für die LEDs und Taster und zur Verbindung mit dem Arduino Mega 2560 aufgelötet. Beide Leiterplatinen sind ebenso wie die beiden 8-fach-Relaisplatinen auf kleine Abstandsleisten aus Holz geschraubt, die auf den Boden des Leergehäuses geklebt sind, während der Arduino Mega 2560 auf dieselbe Weise an der Vorderseite des Gehäuseinneren befestigt ist:
An der linken Seite des Leergehäuses sind die Zwerg-Einbaubuchsen (Anschlüsse für Trafostrom, Weichen und Signale) und die USB-Anschlussbuchse verbaut und passend beschriftet:
Im Deckel des Leergehäuses befindet sich das eigentliche Geisbildstellwerk, welches auf der Oberseite mit einer Holzleiste umschlossen ist. Hier finden sich einerseits alle Taster, an denen Verbindungskabel zur o.g. Leiterbahnplatine angelötet sind; andererseits wurde jede 16V-Glühbirne durch eine gesockelte LED ersetzt, deren angelötete Verbindungskabel ebenfalls zur o.g. Leiterbahnplatine führen. Zusätzlich sind noch zwei einzelne, grüne LEDs verbaut, die per Verbindungskabel direkt mit der Stromversorgungs-Leiterbahnplatine bzw. mit dem Arduino-Pin 13 verbunden sind:
Der Arbeitsaufwand (Löten und Dupont-Steckverbindungen) bei diesem Projekt ist immens, da alle Taster und LEDs zunächst mit der Leiterbahnplatine und deren Widerständen und von dort jeweils mit dem Arduino Mega 2560 verbunden werden müssen. Hinzu kommen die Kabelverbindungen vom Arduino Mega 2560 zu den Relaiskarten und von dort zu den Zwerg-Einbaubuchsen.
Letztlich kann so jeder Taster, jede LED und jedes Relais einzeln über den Arduino Mega 2560 angesteuert werden, wodurch es möglich ist, die alte elektrische Steuerung des Gleisbildstellwerks mikroelektronisch umzusetzen: Nur wenn z.B. die Signalgruppentaste SGT und gleichzeitig eine Signaltaste (rot oder grün) gedrückt wird, wird das dazu passende Relais einmalig kurzzeitig aktiviert und das Signal schaltet um, während am Gleisbildstellwerk die entsprechenden Kontrolleuchten ein- bzw. ausgeschaltet werden. Dabei wird die Dauer des Schaltstroms begrenzt, um das Signal- oder Weichenrelais nicht zu beschädigen, ein "Gedrückthalten" und damit ein Relais-Dauerstrom ist hier über die Programmlogik ausgeschlossen.
Ein Problem, welches gelegentlich auftritt, ist ein zufälliger Neustart des Arduinos, weil offensichtlich die Stromzufuhr seitens des Märklin-Trafos kurzzeitig unterbrochen wird. Hier wird noch nach einer Lösung gesucht.
Der hier ausgeführte Arduino-Sketch enthält die vollständige Proigrammierung für das Gleisbildstellwerk, wie oben beschrieben, für alle drei Signale und vier Weichen mit den zugehörigen LED-Anzeigen. Auch ermöglicht die Programmierung eine "Grundstellung" aller Weichen und Signale bei Stromzufuhr des Gleisbildstellwerks.
Ein analoges Gleisbildstellwerk zu digitalisieren ist zwar mit einem hohen Aufwand an Material und Arbeitszeit verbunden - es ist aber dennoch ein lohnenswertes Projekt, welches darüber hinaus noch "Luft nach oben" hat: Als weitere Idee wäre z.B. ein sensorgesteuerter "Automatikbetrieb" denkbar, evtl. in Verbindung mit einer Fahrstromsteuerung durch den Arduino Mega 2560. Letzterer kommt jedoch hier schon an seine Grenzen, was die Anzahl der benötigten I/O-Anschlüsse betrifft: 20 LEDs, 16 Taster und 14 Relais macht bereits 50 (!) Anschlusspins, wobei hier bereits mehrere Weichen parallel geschaltet sind. Eine größere Anzahl an Aktoren lässt sich zwar mittels eines Schieberegisters (74HC595) ansteuern - aber wirklich große Modelleisenbahnen lassen sich so nicht mehr mit einem einzelnen Arduino Mikrocontroller steuern.