Чем больше функций автомобиля будет включаться автоматически, тем он безопаснее и комфортнее. Техника сработает быстрее человека, при этом ему не потребуется отвлекаться от управления и слежения за обстановкой в дороге. Органы чувств автоматики – это датчики. Один из них появился в автомобиле сравнительно недавно, им стал датчик дождя (ДД).
Зачем в машине нужен датчик дождя
Первые капли дождя могут появиться на лобовом стекле внезапно, и они моментально ухудшат видимость. Преломление света в воде при этом происходит уже по другим законам, картинка настолько исказится, что можно не заметить опасное развитие ситуации. Особенно такое опасно на большой скорости.
Может измениться состояние дорожного покрытия или обстановка в потоке, а водитель не успеет отреагировать, будучи занят попытками рассмотреть через потерявшее чёткость лобовое стекло, при этом ещё и пытаясь быстро активировать стеклоочистители. Которые тоже не сразу наведут порядок с видимостью, поэтому важна каждая доля секунды.
Дворники необходимо включить сразу, как только упадут первые капли. Для этого потребуется устройство, способное распознать именно появление воды, а не другие помехи.
По теме: Что это за датчик ДТВВ, где находится и как работает
С разработкой надёжно срабатывающего датчика пришлось повозиться. Первые экземпляры стоили дорого, а устанавливались только на самые премиальные автомобили и в качестве опции. Сейчас это крупносерийная продукция и ничего особенного в таком оснащении даже бюджетной машины уже нет.
Место расположения
Датчик ставится по понятным причинами именно на лобовое стекло, которое он и призван защищать от водяных капель. Чтобы не мешать обзору, он размещается в его верхней части, в зоне расположения салонного зеркала заднего вида.
Для этого там выполняется специальная площадка, свободная от тонировки, обогрева и прочих помех в работе.
Установка светового датчика
Здесь работа довольно проста, от вас не понадобится делать ничего особенного. Но, учтите несколько нюансов. Первый и основной, это необходимость вертикальной установки. В противном случае, датчик будет подавать ложные сигналы намного чаще. Размещать его следует в зоне охвата дворников, это позволит более точно производить управление. Обязательно проверьте место установки на наличие сколов и трещин. Они могут при определенных условиях значительно преломлять свет. Для установки вам понадобятся следующие вещи:
- Датчик;
- Держатель;
- Специальный гель;
- Провода;
- Микропроцессор.
В качестве держателя можно использовать присоску от видеорегистратора, но ее придется немного доработать. Намного эффективнее приобрести специальный крепеж, благо стоит он недорого. Перед установкой на стекло, непосредственно соприкасающееся с датчиком, наносят гель, он выравнивает преломление. Корпус прибора крепят в держателе, на этом сборка закончена, остается только подключить его.
Принцип работы
Любой переход между находящимися в контакте веществами образует оптическую границу. Все виды электромагнитного излучения на ней преломляются, то есть меняют угол распространения и энергетические свойства. Часть луча проходит через границу, а другая отражается и возвращается в оптически более плотное вещество.
На этом принципе работают, например, волоконно-оптические линии связи, где под определённым углом свет не может выйти за пределы стекла и распространяется на большие расстояния без потерь.
Наиболее подходящим частотным диапазоном оказалось инфракрасное (ИК) излучение. Его спектр лежит ниже границы видимого света. Ощущается такое излучение только как тепло, поэтому и считается тепловым, глаз его не замечает. Тем не менее, это волна, по свойствам близкая к световой, поэтому работает по оптическим законам.
Скетч для проекта с сигнализацией
Ниже представлен тестовый код, который активирует звуковой сигнал на уже упомянутом выше цифровом выходе 6, с задержкой времени, для того, чтобы исключить ложные срабатывания при случайном попадании воды на сенсор. Работа реализована через переменную, которая обновляется каждую секунду и выступает порогом – curCounter. Сигнализация приводится в действие тогда, когда значение, передаваемое с сенсора, станет меньше 300. Задержка между обнаружением влаги и срабатыванием звукового сигнала составляет чуть больше 30 секунд.
#define PIN_RAIN_SENSOR A1 // Аналоговый вход для сигнала датчика протечки и дождя #define PIN_ALERT 6 // Цифровой выход для сигнализации #define MAX_COUNTER 30 // Пороговое значение для счетчика #define ALERT_LEVEL 300 // Пороговое значение для счетчика int curCounter= 0; // Счётчик для сбора «статистики», который увеличивается на 1 каждую секунду после срабатывания датчика void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode(PIN_ALERT, OUTPUT); pinMode(PIN_RAIN_SENSOR, INPUT); // Можно не указывать, т.к. это значение по умолчанию } void loop(){ int sensorValue = analogRead(PIN_RAIN_SENSOR); Serial.println(sensorValue); // Выводим значение в монитр порта delay(300); // короткая задержка // Если накопили достаточно оснований для включения сигнализации if (curCounter >= MAX_COUNTER){ digitalWrite(PIN_ALERT, HIGH); // Срабатывание сигнализации curCounter = MAX_COUNTER; // Защита от переполнения переменной } // Определяем уровень влажности if (sensorValue < ALERT_LEVEL){ // В очередной раз убедились, что все влажно, увеличиваем счетчик curCounter++; }else { // Интенсивность дождя не превышает порога digitalWrite(PIN_ALERT, LOW); // Выключаем сигнализацию curCounter = 0; // Обнуляем счетчик } delay(1000); // Задержка между измерениями }
Устройство
Построенный по данному принципу ДД имеет в своём составе:
- инфракрасные источники света, в их роли выступают ИК-светодиоды;
- фотоприёмники, настроенный на тот же ИК-диапазон;
- призматические световоды, формирующие направленный поток лучей;
- печатную плату с электронными элементами, создающими и обрабатывающими сигналы;
- корпус с арматурой, обеспечивающей крепление на стекле, и электрическим разъёмом.
При сухом стекле угол размещения светодиодов и фотоприёмников с оптикой подобран таким образом, что наблюдается полное внутреннее отражение лучей от наружной поверхности лобового стекла. Точно так же, как в упомянутых выше волоконно-оптических линиях. К фотодиоду поступает максимальное количество энергии.
Когда в зоне слежения датчика появляется капля воды, даже самых небольших размеров, на границе раздела сред стекла и атмосферы изменяются условия преломления. Уже невозможно вернуть в тело стекла всю энергию луча, часть её уйдёт в воду. Сигнал на выходе приёмника моментально на это отреагирует, он уменьшится.
Дальнейшую оценку и решение принимает электроника. Контроллер датчика определит наличие достаточного количества воды для включения стеклоочистителей. Алгоритм их работы можно задавать различный. Например, если зафиксировано сильное загрязнение стекла, когда вода плохо удаляется, то щётки будут работать дольше и интенсивней. Можно принять решение на включение омывателя.
Приборы настраиваются на исключение нештатных срабатываний. Они не должны реагировать на сухое загрязнение стёкол, хотя и эту функцию можно добавить как полезное дополнение, но уже с омывателем.
Благодаря инфракрасному диапазону датчик одинаково работает и днём, и ночью, видимый свет на него никак не влияет. А с прочими помехами несложно бороться, применяя модулированное излучение.
Это интересно: Как проверить датчик скорости, 3 простых способа
Учитывая интеллектуальный уровень современного автомобиля, где все системы связаны по компьютерной шине данных, нетрудно предположить, что срабатывание ДД будет замечено прочими устройствами.
треагирует управление тормозами, подготовив колодки к экстренному срабатыванию и очистке от воды, включится дополнительное освещение, изменится режим работы климат-контроля и информационных экранов. Машина автоматически подстроится под изменившиеся условия.
Как это работает
Принцип работы датчика дождя основан на элементарных законах физики. Любое стекло является полупрозрачным зеркалом, и частично отражает попавший свет. Причем угол падения равен углу отражения (вспоминаем школьные учебники). Луч отражается как от внутренней, так и от внешней поверхности. Прибор устанавливают таким образом, чтобы использовался только свет, отраженный от внешней границы. Если ветровое стекло чистое, отраженный свет достигает максимальной интенсивности. По мере загрязнения или появления капель воды, интенсивность отраженного света снижается.
Рассмотрим иллюстрации со схемой работы
В комплект прибора входит светодиод и фотодиод. С внутренней стороны ветрового стекла, параллельно ему, устанавливается отражатель. Фокусированное излучение настраивается таким образом, чтобы пройти максимально длинный путь с несколькими преломлениями, и достигнуть фотодиода. В идеальных условиях чистоты, прибор калибруется на минимальную чувствительность. Фотодиод выдает сигнал о максимально возможной яркости света в таком режиме.
Для справки: Чтобы свет от излучателя не мешал водителю и встречным машинам, в качестве источника устанавливается инфракрасный светодиод. То есть работа датчика не создает дополнительной опасности.
При попадании на стекло капель дождя или грязи, часть излученного света преломляется на внешней поверхности, и фотодиод получает ослабленный сигнал.
Его интенсивность оценивается модулем управления, который принимает решение о включении стеклоочистителей.
Как повысить точность срабатывания
Если путь луча настроен на одиночную каплю, датчик работает не эффективно: для запуска нужно, чтобы капля попала именно в точку отражения света. Поэтому путь преломления на авто должен быть как можно более длинным. Это решение работает не только на «вкл.» и «выкл.». Сенсору могут определить интенсивность дождя (загрязнения), и по необходимости менять скорость работы «дворников». В некоторых продвинутых системах блок управления может включить омыватель.
Датчик света устроен еще проще
Достаточно простого фотодиода и никаких сложный систем преломления луча. Прибор устанавливается в наиболее освещенном месте внутри автомобиля (чтобы не подвергаться загрязнениям). Чаще всего, это так называемая «торпеда» над приборной панелью, сразу под лобовым стеклом.
Важно! Для нормальной работы датчика света стекло должно быть чистым.
Фотодиод улавливает уровень освещенности, и при наступлении нижнего предела дает команду на включение внешних приборов освещения. Фактически, дублируется функция включателя ближнего света.
- Для нормальной и безопасной работы системы, обязательно предусматривается функция деактивации. Водитель должен сам решать: управлять освещением вручную, или доверить эту работу автоматике. То же самое касается датчика дождя. Иначе при заезде на автоматическую мойку портального типа, можно повредить стеклоочистители.
Теперь вы знаете, что такое датчик дождя и света. А как узнать, установлено ли это устройство на вашей машине? Можно посмотреть в инструкцию или комплектацию. Или определить наличие прибора по функциям на органах управления. На переключателе режимов стеклоочистителя и управления светом должно быть положение «AUTO».
Как самому установить датчик дождя
Производятся готовые комплекты для оснащения автомобилей, где опция ДД не предусмотрена. Необходимо лишь закрепить датчик на стекле, обеспечив нужную для его работы прозрачность, то есть удалить тонировку, если она имеется в этом месте.
Лучше выбирать набор именно для данной модели, тогда не возникнет сложностей с его интеграцией в электрооборудование автомобиля.
Схема проекта
Схема подключения датчика дождя к плате Arduino Uno представлена на следующем рисунке. Работа данной схемы была смоделирована в симуляторе Proteus.
На представленной схеме плата обнаружения дождя подключена к плате управления. Контакт VCC платы управления подключен к источнику напряжения 5V. Земля платы управления подключена к земле схемы. Выходной контакт датчика можно подключить к любому цифровому контакту платы Arduino, однако в результате наших экспериментов мы выяснили, что более стабильно схема работает если его подключить к аналоговому контакту платы Arduino. Зуммер подключен к контакту D5 платы Arduino.
Примечание: в нарисованной схеме небольшая ошибка, выходной контакт датчика дождя должен быть подключен не к контакту Reset, а к аналоговому контакту A0 платы Arduino.
Недостатки устройства
Основные проблемы связаны с установкой порога чувствительности. Слишком тонкая настройка приводит к многочисленным ложным срабатываниям на малейшие загрязнения стекла.
Искусственное загрубление вызывает большие задержки на включение. Даже при проверке приходится ждать десяток секунд до включения, что обнуляет всю пользу от автоматической реакции на дождь.
Неудобства проявляются и при необходимости заменить лобовое стекло. Датчик приходится переклеивать, что требует определённой квалификации, после чего проводить инициацию и настройку. Но квалифицированные специалисты этому обучены и уверенно справляются, а стёкла выпускаются во всех исполнениях, в том числе и с подготовкой под ДД.
Пример скетча
#define PIN_ANALOG_RAIN_SENSOR A1 // Аналоговый вход для сигнала датчика протечки и дождя #define PIN_DIGITAL_RAIN_SENSOR 5 // Цифровой вход для сигнала датчика протечки и дождя void setup(){ Serial.begin(9600); } void loop(){ int sensorValue = analogRead(PIN_ANALOG_RAIN_SENSOR); // Считываем данные с аналогового порта Serial.print(«Analog value: «); Serial.println(sensorValue); // Выводим аналоговое значение в монитр порта sensorValue = digitalRead(PIN_DIGITAL_RAIN_SENSOR); // Считываем данные с цифрового порта Serial.print(«Digital value: «); Serial.println(sensorValue); // Выводим цифровое значение в монитр порта delay(1000); // Задержка между измерениями }
В данном скетче мы просто считываем значения с датчика и выводим их в монитор порта. Проведите эксперимент и проверьте, как изменяется получаемое значение, когда вы дотрагиваетесь до датчика мокрой или сухой рукой. Намочили датчик – пошел дождь или появилась протечка, вытерли сухой тряпкой – дождь закончился.
Обзор аппаратного обеспечения
Типовой датчик дождя состоит из двух компонентов.
Сенсорная панель
Датчик включает в себя сенсорную панель с рядом открытых медных дорожек, которая размещается на открытом месте, например, на крыше или там, где на нее могут воздействовать осадки.
Обычно эти дорожки электрически не связаны друг с другом, но вода образует между ними электрический контакт.
Рисунок 2 – Сенсорная панель
Модуль
Датчик также содержит электронный модуль, который соединяет сенсорную панель с Arduino.
Модуль выдает выходное напряжение в соответствии с сопротивлением сенсорной панели, которое доступно на выводе аналогового выхода (AO).
Тот же сигнал подается на прецизионный компаратор LM393 для его оцифровки, сигнал с выхода компаратора подается на вывод цифрового выхода модуля (DO).
Рисунок 3 – Регулировка чувствительности датчика дождя
Для регулировки чувствительности цифрового выхода (DO) модуль имеет встроенный потенциометр. С помощью этого потенциометра вы можете установить порог срабатывания; таким образом, когда количество воды превышает пороговое значение, модуль выдаст низкий логический уровень, в противном случае он будет выдавать высокий логический уровень.
Поверните движок потенциометра по часовой стрелке, чтобы увеличить чувствительность, или против часовой стрелки, чтобы уменьшить ее.
Рисунок 4 – Индикаторы питания и состояния датчика дождя
Помимо этого, модуль имеет два светодиода. Индикатор питания загорится, когда на модуль подано напряжение питания. Светодиод состояния загорится, когда на цифровом выходе будет установлен низкий логический уровень.
Подведение итогов
Датчик дождя и протечки можно использовать в ардуино для создания устройств, реагирующих на появление влажности в виде капель. Среди преимуществ рассмотренного модуля можно отметить его простоту, удобство и дешевизну. Подключается датчик очень легко – с помощью аналогового или цифрового выходов. Для получения значения в скетче используется стандартная функция analogRead (или digitalRead для цифрового пина). Используя полученные значения, можно включать сигнализацию или другие внешние устройства с помощью реле.
