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.
Описание датчика
Датчик протечки и дождя в проектах ардуино позволяет определить появление капель влаги и вовремя отреагировать на это, например, включив оповещение. Такие системы активно используются в аграрной отрасли, в автомобилестроении, и в других повседневных сферах нашей жизни. В этой статье мы рассмотрим работу с готовым модулем, который можно легко приобрести в любых специализированных интернет-магазинах.
Модуль датчика состоит из двух частей:
- «Сенсорная» плата обнаружения капель. Она отслеживает количество попавшей на неё влаги. По сути, сенсор представляет собой простой переменный резистор, замыкаемый водой в разных местах, что вызывает изменение сопротивления.
- Вторая часть датчика – сдвоенный компаратор (как правило, LM393, но возможны варианты LM293 и LM193). Его главная задача – преобразование значения с сенсора в аналоговый сигнал от 0 до 5 вольт.
На рынке встречаются варианты датчиков как с разнесенными сенсором и компаратором, так и с объединенными на одной панели.
Датчик запитывается от напряжения 5 В, который можно легко завести с любой платы Arduino. Как правило, у модуля датчика доступно два выхода:
- Аналоговый. Значение, получаемое контроллером, будет варьироваться от 0 до 1023. Где 0 – все затопило или идет ливень, сенсор очень влажный, 1023 – сухая погода, сенсор сухой (в некоторых датчиках встречаются противоположные значения, 1023 – максимальная влажность, 0 – максимальная сухость).
- Цифровой. Выдает высокое (5В) или низкое напряжение в случае превышения некоторого порога. Уровень порога срабатывания регулируется с помощью подстроечного резистора.
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.
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.
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.
Обнаружение дождя. Код для Arduino
Как только схема будет собрана, загрузите следующий скетч в вашу плату Arduino.
Теперь поместите датчик дождя в такое место, чтобы осадки могли попадать прямо в датчик, возможно, на крышу. Чтобы облегчить сток воды, слегка его наклоните (~20°).
Обратите внимание, что электронный модуль не обеспечивает водонепроницаемость, поэтому при установке соблюдайте осторожность, чтобы с водой контактировала только сенсорная панель.
// выводы, подключенные к датчику #define sensorPower 7 #define sensorPin 8 void setup() { pinMode(sensorPower, OUTPUT); // изначально держим датчик выключенным digitalWrite(sensorPower, LOW); Serial.begin(9600); } void loop() { // получить показания из функции ниже и вывести их в печать int val = readSensor(); Serial.print(«Digital Output: «); Serial.println(val); // определить состояние дождя if (val) { // дождя нет Serial.println(«Status: Clear»); } else { // идет дождь Serial.println(«Status: It’s raining»); } // брать показания каждую секунду delay(1000); Serial.println(); } // эта функция возвращает значение на выходе датчика int readSensor() { digitalWrite(sensorPower, HIGH); // включить датчик delay(10); // дать время питанию установиться int val = digitalRead(sensorPin); // прочитать выходной сигнал датчика digitalWrite(sensorPower, LOW); // выключить датчик return val; // вернуть значение }
Как только скетч будет загружен, откройте окно монитора последовательного порта, чтобы увидеть выходные данные Arduino. При ясной погоде вы должны увидеть высокий логический уровень на цифровом выходе. Чтобы увидеть, как определяется вода, можно брызнуть немного воды на сенсорную панель.
Рисунок 7 – Вывод Arduino в мониторе последовательного порта при работе с датчиком дождя
Объяснение кода
Скетч начинается с объявления выводов Arduino, к которым подключены выводы VCC и DO датчика.
#define sensorPower 7 #define sensorPin 8
Теперь, в функции setup(), мы сначала объявляем вывод подключения питания к датчику как выход, а затем устанавливаем на нем низкий логический уровень, чтобы изначально питание на датчик не подавалось. Также настраиваем последовательный порт.
pinMode(sensorPower, OUTPUT); digitalWrite(sensorPower, LOW); Serial.begin(9600);
В функции цикла мы периодически (с интервалом в одну секунду) вызываем функцию readSensor() и выводим возвращаемое значение вместе со статусом.
int val = readSensor(); Serial.print(«Digital Output: «); Serial.println(val); if (val) { Serial.println(«Status: Clear»); } else { Serial.println(«Status: It’s raining»); } delay(1000);
Функция readSensor() используется для получения текущего состояния цифрового выхода датчика. Она включает датчик, ждет 10 миллисекунд, считывает цифровое значение с датчика, выключает датчик и затем возвращает результат.
int readSensor() { digitalWrite(sensorPower, HIGH); delay(10); int val = digitalRead(sensorPin); digitalWrite(sensorPower, LOW); return val; }
Оригинал статьи:
- How Rain Sensor Works and Interface it with 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.
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.
