传感器系列之4.6雨滴传感器

4.6 雨滴传感器实验

一、实验目的

1. 了解雨滴传感器SSMY-002的原理与应用
2. 掌握滴传感器SSMY-002的编程与操作方法
3. 理解微处理器与滴传感器SSMY-002之间的通讯

二、实验材料

1. 具有USB 串口通讯的PC 机1 台
2. ADS1.2 集成开发软件1 套
3. J-Link-ARM 仿真器及软件1 套
4. NXP LPC2378 实验节点板1 个
5. LCD 显示实验板1 个
6. 雨滴传感器SSMY-002模块1个

三、实验原理

　　雨滴传感器实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开发环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、雨滴传感器、实验模块和LCD显示实验模块组成，如图4.6.1所示。

图4.6.1 传感器实验环境

1.雨滴传感器应用简介

　　雨滴传感器主要是用来检测是否下雨及雨量的大小。主要用于汽车智能灯光（AFS）系统、汽车自动雨刷系统、智能车窗系统。
　　当汽车在雨雪天等恶劣天气下行车时，由雨滴传感器向自动灯光系统（AFS）系统微电脑提供信号，微电脑自动调整前照灯的宽度、远近度，明暗度；同时天窗系统也会自动关闭车窗。为确保驾驶员在雨天具有良好的视线，汽车挡风玻璃上装有自动雨刷，随雨雪量的变化自动调整雨刷开闭时间和频率，确保行车安全。

2.常见的雨滴传感器的分类及工作原理

　　常见的雨滴传感器主要有流量式雨滴传感器、静电式雨滴传感器、压电时雨滴传感器，红外线式雨滴传感器。主要介绍压电式雨滴传感器和红外线式雨滴传感器。
2.1.流量式雨滴传感器
　　如图所示，S1/S2/S3为流量监测电极板，S1-S2为2.5cm，距离较近，小雨量时T1先导通，J1吸合，雨刮低速转动；S1-S3为3cm距离较远，大雨量时T2先导通，J2继电器吸合，常开触点接通，雨刮电机高速转动。

图4.6.2流量型雨滴传感器原理图
2.2.静电式雨滴传感器
　　如图所示，静电面积S，电极间的间隔d不变，则电容C只有介电系数ɛ决定，因水和空气的介电系数ɛ值不同，C随雨滴的大小而变，利用静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，从而控制雨刮器的动作。

图4.6.3 静电式雨滴传感器
2.3．压电式雨滴传感器
　　现在的雨滴检测刮雨器，将雨滴传感器检测出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，自动设定刮雨器的工作时间间隔，控制刮雨器的动作。在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。下面就介绍利用压电振子的传感器：压电振子利用压电效应将机械位移（振动）变成电信号。如图4.6.4，压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量做振动。

图4.6.4 压电雨滴传感器工作原理

图4.6.5 振子振动转化成电信号

　　雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电路、壳体及阻尼橡胶构成，如图4.6.7所示。
振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，按自身固有振动频率进行弯曲振动，并将振动传递给内侧压电元件上，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压。雨滴检测用传感器上的压电元件，当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压。所以，当雨滴落到振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，一般为0 5mV至300mV。放大电路将压电元件上产生的电压信号放大后再输人到刮水器放大器中。放大器由晶体管、IC块、电阻、电容器等部件组成。
　　
　　雨滴传感器安装在车身外部，其壳体密封要求良好，并用不锈钢材料制成。振动板要通过阻尼橡胶才能在外壳上保持弹性，阻尼橡胶除了可以屏蔽车身传给外壳的高频振动外，它的支撑刚性还可避免对振动板的振动工况发生干扰。
　　压电式雨滴传感器的结构图如图4.6.6所示：

图4.6.6压电式雨滴传感器的结构图
压电原件的结构如:4.6.7所示：

图4.6.7 压电原件的结构

图4.6.8测量框图
　　压电式雨滴传感器的雨滴落下测量框图如图4.6.8

　　压力传感器本身的内阻抗很高，而输出的能量较少，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出地微弱信号。
原本压电式传感器输出地可以使电压信号，也可以是电荷信号，但在这里我们研究的是电压信号的输出，因此我们用的是电压放大器。
　　
　　压电式传感器实际上也是一个阻抗变换器，如图4.6.9.a是电压放大器的电路原理图，图4.6.9.b是电压放大器的等效电路图。

图4.6.9电压放大器电路原理图

　　
　　当雨滴接触到传感器表面是，在传感器内部产生随雨滴强度和频率变化的电压变换，该电压波形经传感器内部放大器放大，存储入功率放大器内部。当当信号达到一定值时，经过电路输入雨刮器驱动电路，雨刮器随即启动开始刮雨。

图4.6.10 压电式雨滴传感器的应用示意图

2.4.红外线式雨滴传感器

1. 光的反射：当光照射到物体表面时，有一部分的光会被物体反射回来，这种现象叫做光的反射。
2. 光的折射：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，这种现象叫光的折射。

图4.6.11光的折射和反射示意图
光密介质和光疏介质的概念如下：

1. 光密介质：折射率较大的介质叫光密介质
2. 光疏介质：折射率较小的介质叫光疏介质

表4.6.1 常见介质的光折射率

名称	折射率	名称	折射率
金刚石	2.42	岩石	1.55
二氧化硫	1.63	酒精	1.36
玻璃	1.5~1.9	水	1.33
水晶	1.55	空气	1.0028

　　光密介质和光疏介质都是相对的。
　　当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象．当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角．当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射．所以产生全反全反射射的条件是：

1. 光线必须由光密介质射向光疏介质．
2. 入射角必须大于或等于临界角

图4.6.12 光的全反射示意图

图4.6.13 无雨水接触挡风玻璃时
　　
　　根据上述光学原理，若让LED红外线发射器按入射角大于42°小于63°，射入挡风玻璃，这样形成红外光全反射，反射线由光电管全部接收。
在没有雨水接触挡风玻璃时的操作：

1. 从雨滴传感器里的LED向挡风玻璃发射红外线
2. 所发射的红外线通过透镜，并从挡风玻璃反射回来。
3. 从挡风玻璃反射回来的红外线被雨滴传感器中的光敏二极管接收。
4. 光敏二极管接收红外线光，雨滴传感器中的微型电子计算机根据反射率计算降雨量，并将此转换成电信号，然后将挡风玻璃刮水控制信号发送到自动光、雨刮器控制模块。

图4.6.14 雨水接触挡风玻璃时
　　外线光折射，反射光线减弱，雨量越大，折线（散射）光线越多，反射线减弱。
在有雨水接触挡风玻璃时

1. 从雨滴传感器里的LED向挡风玻璃发射红外线。
2. 所发出的红外线通过透镜被挡风玻璃接收，并被接触挡风玻璃的雨水散射。
3. 没有扩散的红外光被挡风玻璃反射，并由雨滴传感器里面的光敏二极管接收。
4. 光敏二极管接收红外线光，雨滴传感器中的微型计算机根据反射率计算降雨量，并将此转换成电信号，然后将挡风玻璃刮水控制信号送到自动光、雨刮器控制模块。

3. SSMY-002雨滴传感器的工作原理

　　SSMY-002雨滴传感器采用日本进口的特殊电子浆料和先进的厚膜技术制作的专门用于检测雨滴的一种新型传感元件。该元件广泛用于需要检测雨滴的各种场所，如：无人职守的机房、宾馆高楼的门窗，高级轿车、客车的门窗，以及各种货场等等的自动控制，以防止雨水的侵蚀。
　　
3.1使用方法及注意事项

1. 将传感器放在适当的位置，保证能在刚下雨时就能接受到雨滴，传感器应有必要的防护措施，以保证传感器不受损害。
2. 传感器在使用和存放中应避免剧烈的振动和各种腐蚀性物质的伤害。存放在干燥的容器内。

3.2实验原理

　　雨滴传感器采用特殊电子浆料和先进的厚膜技术制作的专门用于检测雨滴的一种新型传感元件。该元件广泛用于需要检测雨滴的各种场所，如：无人职守的机房、宾馆高楼的门窗，高级轿车、客车的门窗，以及各种货场等等的自动控制，以防止雨水的浸蚀。使用的环境条件如下，环境温度：-20 ～ +50℃;环境湿度：RH ≤ 95℅%;大气压力：86KPa ～ 106KPa。

图4.6.15 SSMY-002结构示意图
3.3使用方法及注意事项：

1. SSMY-002型雨滴传感器可以在规定的工作条件下设计在控制的电路做传感之用，以接通各种控制电路。根据传感器的工作电压和电流选取适当的限流电阻以保证其正常工作。将传感器放在适当的位置，保证能在刚下雨时就能接受到雨滴，当传感器接收到雨滴后，发出信号接通控制器，通过控制器使执行机构动作而关好门窗。传感器应有必要的防护措施，以保证传感器不受损害。
2. 传感器在使用和存放中应避免剧烈的振动和各种腐蚀性物质的伤害。存放在干燥的容器内。

四、实验内容

1.实验器材连线

　　本实验所使用的雨滴传感器实物图如图4.6.16所示

图4.6.16SSMY-002模块实物图
　　将雨滴传感模块安装到开发板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口与电脑相连，一端的20Pin的JTAG引脚与NXP LPC2378节点板的J2相连，并给NXP LPC2378节点板上电，如图4.6.17所示。

图4.6.17实验电路连接图

2.雨滴测量实验

　　本实验通过SSMY-002实验模块测量水滴，并通过LCD显示在屏幕上，模拟雨滴传感器检测雨水。

DispAscStr(0,12,"  Rain",6,&xpos,&ypos);
DispChnStr(xpos,ypos,"模块测试",4,&xpos,&ypos);
while(1)
{
    delay(1000);
    advalue=AD_read(1);

    //显示实时采集值
    DispAscStr(0,40,"WaterValue:",11,&xpos,&ypos);
    idx=0;
    count=advalue;
    //将count转化为char数组
    while(count>0)
    {
        sndBuf[idx]=count%10+'0';
        count=count/10;
        idx++;
    }
    for(count=idx-1;count>=0;count--)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[count],1,&xpos,&ypos);
    }
    for(count=idx;count<6;count++)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos," ",1,&xpos,&ypos);
    }
    //显示百分比
    DispAscStr(0,100,"Water(%):",9,&xpos,&ypos);
    if(advalue>=500)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos,"100%",4,&xpos,&ypos);
    }
    else if(advalue>=50)
    {
        sndBuf[0]=advalue/50+'0';
        sndBuf[1]=advalue%50/5+'0';
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[0],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[1],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,"%",1,&xpos,&ypos);
    }
    else
    {
        sndBuf[0]=advalue%50/5+'0';
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[0],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,"%",1,&xpos,&ypos);
    }
    //清除尾部显示
    DispAscStr(xpos,ypos,"    ",4,&xpos,&ypos);

}

3.汽车天窗实验

本实验模拟汽车上的雨滴传感器，实时检测空气中的水分以及是否有雨滴，当有雨滴时，自动关闭汽车天窗，即在LCD上显示“close window”。

if(advalue>100)
{
    DispAscStr(0,100,"close window",12,&xpos,&ypos);
    ftag=0;
}
else 
{
    DispAscStr(0,100,"rain stoped",11,&xpos,&ypos);
    ftag=1;
}

4.汽车雨刮器实验

本实模拟汽车雨刮器，根据雨滴量的大小，控制雨刮器转动的速度。即在LCD上按不同时间显示“brush”。

void RainBrush1(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/100ms",11,&xpos,&ypos);
}
void RainBrush2(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/500ms",11,&xpos,&ypos);
        delay(5000);
    }
}
void RainBrush3(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/1s",9,&xpos,&ypos);
        delay(10000);
    }
}
//main.c中主要代码
if(advalue>2000)
        {
            RainBrush2(xpos,ypos);
        }
        else if(advalue>1000)
        {
            RainBrush1(xpos,ypos);
        }
        else if(advalue>100)
        {
            RainBrush3(xpos,ypos);
        }
        else
        {
            drawrect(0,100,128,48,0x2345);
        }

五、实验思考

1.比较雨滴传感器和温湿度传感器。
2.调研三种车型所用的雨滴传感器。
3.调研四类雨滴传感器有哪些型号。