W większości, a może i we wszystkich samochodach w elektrycznych podnośnikach szyb jest stosowane zabezpieczenie przeciążeniowe, powodujące wyłączenie silniczka gdy podnoszona szyba napotka przeszkodę. W bardziej rozbudowanych układach jest możliwość nawet opuszcenia szyby na jakąś tam odległość po napotkaniu przeszkody. Jednak aby taką możliwość osiągnąć, układ sterujący silnikiem musi posiadać co najmniej procesor sterujący z możliwością zliczania obrotów silnika, oraz pamięć położeń krańcowych szyby (pamiętać ilośc obrotów silnika od końca do końca), lub zamontowane krańcówki. Inaczej nie było by możliwości odróżnienia przeciążenia w położeniach krańcowych szyby od przeciążeń spowodowanych przeszkodą.
Aby zabezpieczenie przeciążeniowe zadziałało, wąska krawędż szyby musi wywrzeć dość spory nacisk na rękę lub głowę delikwenta zamykającego szybę. Taki nacisk wywołuje odruch obronny, gwałtowne cofnięcie, szarpnięcie np. ręki.
Właśnie ten odruch obronny, a nie nacisk krawędzi szyby powoduje, lub może spowodowac jakieś tam obrażenia, lub przykre wrażenia.
W przypadku zastosowania bariery optycznej wszystkie te problemy znikają. Nie potrzebny jest skomplikowany układ sterujący silnikiem, wszystko odbywa się bezdotykowo, poza wiedzą użytkownika, a zabezpieczenie jest bardzo skuteczne. Zadziała, gdy tylko głowa lub ręka zostaną zbliżone do szyby.
O tym, że przydało by się takie zabezpieczenie po raz pierwszy pomyślałem gdy stojąc obok samochodu chciałem zamknąć szybę naciskając przycisk w drzwiach przez otwarte okno (rodzaj ogłupienia ma nawet poprawną politycznie nazwę, "pomroczność jasna").
Ostateczną decyzję o zbudowaniu bariery optycznej podjąłem, gdy zamykając szyby z pulpitu kierowcy, w czasie jazdy, zdarzyło się przyciąć włosy pasażerce.
Było trochę zamieszania, a jak wiadomo, zamieszanie i panika nie wpływają dobrze na bezpieczeństwo jazdy.
Barierę optyczną warto też zbudować ze względu na małolatów, gdyż są oni wielkimi mistrzami w szukaniu sobie guza.
Opisywana bariera optyczna została zaprojektowana jako kolejne dodatkowe moduły do projektu "Elektryczne szyby w samochodzie" mojego autorstwa, opisane tu:
viewtopic.php?f=23&t=19970
W przypadku współpracy z tymi "szybami" podłączenie bariery optycznej jest bardzo proste. Moduł bariery jest włączany jako przejściówka do złącza zasilającego silnik, znajdującego się na słupku drzwi samochodu. W ten sposób został rozwiązany problem zasilania modułu oraz zmiany kierunku obrotów silnika. Nie potrzebne jest wchodzenie do wnętrza drzwi.
Zamontowanie czujników, diody nadawczej i odbiornika podczerwieni pod uszczelką drzwi, w wyciętych otworkach, pozwoliło na bezproblemowe poprowadzenie przewodów do tych czujników też pod uszczelką i także bez potrzeby wchodzenia do wnętrza drzwi.
Montaż całości można łatwo zrobic jedynie po zdjęciu plastykowj osłony słupka.
Trzeba zbudowac i zamontowac tyle kompletów: moduł bariery, moduł diody nadawczej, moduł odbiornika, ile chcemy zabezpieczyć szyb w samochodzie.
Opisywaną barierę można bez problemu zastosować w tych samochodach, gdzie jest bezpośredni dostęp do przewodów zasilających silniczki podnośników szyb, lub w tych, gdzie sterowanie silniczkami odbywa się bezpośrednio przyciskami.
Niestety, bez zmian w podłączeniu styków przekażnika wykonawczego (tego schematu) nie da się tej bariery zastosować w nowszych samochodach, gdzie silniczki są zintegrowane ze swoimi sterownikami i niema do ich zasilania bezpośredniego dostępu.
W tym przypadku trzeba przekonstruować połączenie stopnia wykonawczego (styki wykonawcze przekażnika P1) w ten sposob, aby wyłączanie i przełączanie kierunku obrotow silniczka odbywało się na poziomie przycisków sterujących, oraz trzeba doprowadzić do modułu dodatkowe zasilanie.
Oczywiście, barierę można też wykorzystać w dowolnym celu po przystosowani stopnia wykonawczego, oraz doprowadzeniu zasilania.
Zasada działania.
Ogólna zasada działania jest bardzo prosta, gdy naciśnięty przycisk zamykania i przerwana bariera, silnik zmienia kierunek obrotow za pomocą przekażnika P1, i szyba opuszcza się zamiast podnosić.
-- Bariera nie działa gdy szyba jest opuszczana za pomocą przycisku otwierania. Jest wtedy odłączone napięcie zasilania za pomocą diody D6.
-- Układ w stanie spoczynku nie pobiera prądu, jest zachowana "przerwa powietrzna".
Układ posiada stopień czasowy (elementy C4, R6), oraz podtrzymanie przycisku zamykania za pomocą styków 1p2 przekażnika P2. Dzięki temu występuje kilka opcji działania w zależności od ciągłości lub przerwania bariery, od czasu trwania przerwania, od chwili załączenia lub wyłączenia przycisku zamykania, oraz od czasu trwania załączenia przycisku.
-- Gdy bariera nie jest przerwana, zamykanie szyby przebiega w normalny sposób.
-- Naciśnięty i trzymany przycisk zamykania, a bariera przerwana na bardzo krótko,np. machnięcie ręką. Szyba się podnosi, w chwili przerwania bariery opuści się na około 15 cm (stała czasowa C4, R6 wynosi około 0,5 sekundy), a następnie będzie się podnosić aż do całkowitego zamknięcia.
-- Naciśnięty i trzymany przycisk, bariera przerwana na dłużej. Szyba się podnosi, w chwili przerwania bariery zacznie się opuszczać tak długo jak przerwana bariera, plus jeszcze 15 cm od chwili gdy bariera już nie jest przerwana, następnie zacznie się podnosić aż do całkowitego zamknięcia.
-- Bariera trwale przerwana, np. przechylenie glowy w stronę szyby. Nawet krótkie naciśnięcie przycisku zamykania spowoduje całkowite otwarcie okna. Przerwana bariera powoduje że cały czas jest podtrzymanie przycisku zamykania stykiem 1p2 przekażnika P2.
-- Krótkie naciśnięcie przycisku zamykania, ale w czasie tego krótkiego nacisku, również krótkie przerwanie bariery. Szyba opuści się na około 15 cm, pomimo tego, że przycisk już nie jest naciskany, a bariera też już nie jest przerwana. (Stała czasowa C4, R6, oraz podtrzymanie przekażnikiem P2).
Jako odbiornik podczerwieni zastosowany został scalony układ TSOP4840. Ma on bardzo małe wymiary, i pomimo tego zawiera wszystkie możliwe filtry i demodulatory, oraz rozbudowaną automatykę wzmocnienia.
Jest niewrażliwy na bezpośrednie światło słoneczne także wtedy, gdy niema obudowy zewnętrznej.
Gdy oświetlony nie modulowaną falą nośną podczerwieni o częstotliwości 40kHz, na wyjściu układu jest niski stan logiczny (0V).
Gdy nie oświetlony falą nośną o częstotliwości 40kHz, (bariera przerwana), na wyjścu występuje stan wysoki (+5V).
Gdy fala nośna (40kHz) zmodulowana, na wyjściu występuje przebieg modulujący o amplitudzie 5V.
Nadajnik podczerwieni, to dioda D7 o średnicy 3mm i kącie promieniowania 30°. Duży kąt promieniowania zwalnia od konieczności precyzyjnego ustawienia diody nadawczej, oraz zapewnia działanie bariery po każdym demontażu i ponownym montażu czujników bez konieczności ich ponownego ustawiania. Nie grożne jest przypadkowe przestawienie. Przy montażu wystarczy tylko, że nadajnik i odbiornik są zwrócone na siebie w rozsądny sposób.
Naciśnięcie przycisku w drzwiach w stronę zamykania powoduje włączenie uzwojenia przekażnika Z (w module sterującym szybami), i styk "z" tego przekażnika poda zasilanie +12V przez nóżkę 2 złącza Z4Gx na płytkę bariery. Minus zasilania bariery jest podłączony przez nóżkę 1 złącza Z4Gx i normalnie zamknięty w tym czasie styk "o" przekażnika O, do masy.
Jednocześnie z nóżek 1 i 2 złacza Z4, przez normalnie zamknięte styki 1p1 i 2p1 przekażnika P1, oraz złącze Z3Gx jest podane zasilanie na silnik.
Generator zbudowany na bramce B1 wytwarza przebieg o częstotliwości około 500Hz, i ten przebieg za pomocą diody D1 kluczuje pracą generatora 40kHz na bramce B2. W efekcie, na wyjściu bramki B3 jest częstotliwość nośna 40kHz zmodulowana częstotliwością 500 Hz w postaci paczek impulsów, i dalej, ten zmodulowany sygnał po wzmocnieniu tranzystorem T1 jest za pomocą diody nadawczej D7 wysłany w stronę odbiornika US2 (TSOP4840).
Na wyjściu 1 US2(TSOP4840) pojawi się przebieg modulujący o częstotliwości 500 Hz.
Częstotliwość 500 Hz (napięcie o tej częstotliwości) za rezystorem R5 jest zwierane do masy przez stosunkowo dużą pojemność kondensatora C3, na wejściu 11 bramki B4 stan niski, niski stan także na wyjściu 8 bramki B5, tranzystor T2 nie przewodzi, przekażniki P1 i P2 nie przełączają swoich styków, szyba podnosi się w normalny sposób.
W chwili przerwania bariery optycznej, na wyjściu 1 TSOP4840 pojawi się stan wysoki (+5V), stan wysoki na wejściu 11 bramki B4, stan wysoki na wyjściu 8 bramki B5, tranzystor T2 przewodzi, przekażnik P1 swoimi stykami 1p1 i 2p1 zmieni kierunek obrotów silnika, przekażnik P2 stykiem 1p2 podtryma załączenie przycisku.
Czas podtrzymania zależy od stałej czasowej elementów C4,R6, i przy takich wartościach jak na schemacie wynosi około 0,5 sekundy. W tym czasie szyba opuści się na około 15 cm także wtedy, gdy przycisk załączający jest już zwolniony.
Dioda D3 nie dopuszcza do szybkiego rozładowania kondensatora C4 po tym, gdy bariera już nie jest przerwana (niski stan na kondensatorze C3).
Rezystor R5 oraz łączna pojemność kondensatorów C3 i C4 zapewniają nie wielkie opóżnienie w pojawieniu się stanu wysokiego na wejściu 11 bramki B4. To opóżnienie zapobiega "klapaniu" przekażnika P1, a więc i szarpaniu silnikiem w chwili włączenia zasilania, zanim ustabilizuje się praca generatorów oraz odbiornika TSOP4840.
Warystor R9 zapobiega iskrzeniu styków przekażnika P1. Dioda D2 przyśpiesza rozładowanie kondensatora C3 po zaniku stanu wysokiego na wyjściu 1 TSOP4840.
Celowo zrezygnowałem ze scalonego stabilizatora 5V. Stabilizacja za pomocą diody Zenera jest wystarczająca, a rezystor R8 służy jednocześnie jako zabezpieczenie przed wszelkiego rodzaju zwarciami na przewodach do odbiornika TSOP4840. Podobną rolę zabezpieczającą pełni redukcyjny rezystor R4. Te przewody są stosunkowo cienkie i długie, o przetarcie i zwarcie nie trudno.
Przekażnik P2 zaznaczony na schemacie zielonym kolorem, gdyż został zamontowany póżniej jako usprawnienie układu. Dla tego też na plytce drukowanej niema "druku" dla niego. Został wlutowany bokiem, dwoma wyprowadzeniami 5 i 6 w ścieżkę masy, a pozostałe wyprowadzenia połączone przewodami. Dodatkowo przyklejony do płytki dwustronnym przylepcem.
Przekażnik P2 ma bardzo małe wymiary, 12x9x7 mm, i można bez problemu zamontować w dowolnym miejscu płytki.
Przekażnik P2 zapobiega natychmiastowemu zatrzymaniu szyby w chwili puszczenia przycisku gdy bariera jest przerwana. Jest to dośc ważne, i dziwię się sobie, że wpadłem na ten pomysł dopiero po pewnym czasie użytkowania.
Przewód łączący złącze Z7 ze złączem przycisku na słupku ma tylko 5 cm długości. Jest to poprostu wyprowadzenie dodatkowego styku ze złącza przycisku na słupku.
Uruchomienie i montaż.
Układ scalony 40106, to sześć inwerterów z wejściem Szmitta. Wszystkie układy nie zależnie od serii i producenta, pod względem logicznym są takie same, ale gdy bramki są wykorzystywane do pracy jako generator, występują znaczne różnice w wartości elementów RC dla uzyskania tej samej częstotliwości, przy tym samym napięciu zasilania.
Różnica zależy od producenta oraz od serii, czyli od literek na końcu nazwy.
Stąd wynika konieczność wstępnego uruchomienia bariery, czyli doboru rezystorów R1 i R2 w celu uzyskania odpowiednich częstotliwości.
Na przykład, przy napięciu zasilania +5V, oraz C1=0,1μF, C2=1nF, aby uzyskać f1=500Hz i f2=40kHz, dla trzech podanych układów mamy:
CD40106BE --------R1=47k, R2=47,5k (wartości takie, jak na schemacie)
CD40106BCN --------R1=12,57k, R2=12,1k
MC14584BCP -------R1=56k, R2=63,8k
Dobór elementów R1 i R2 bardzo prosty, jest dość duża tolerancja wartości rezystancji. Stabilność częstotliwości generatorów dobra, niepotrzebna stabilizacja kwarcowa.
Do uruchomienia potrzebny będzie zasilacz 12V oraz oscyloskop, chociaż można to zrobić i bez tych urządzeń, korzystając tylko z gniazda zapalniczki w samochodzie jako zasilacza.
Aby wstępne uruchomienie sprawnie przeprowadzić proponuję następującą kolejność czynności:
1) Zamontować wszystkie elementy na płytce za wyjątkiem R1, R2, R2a, oraz kondensatora C4.
Te elementy są typu SMD, i mogą być kłopoty przy ich wylutowywaniu i ponownym lutowaniu.
Można przy okazji uszkodzić druk na płytce.
Kondensator C4 wprowadza opóżnienie i byłoby utrudnione dobieranie R2.
2) W miejsce rezystorow R1 i R2 wlutować na przewodach o długości około 15 cm potencjometry lub rezystory nastawne o wartści 100k.
3) Za pomocą wlutowanego drucika zewrzeć kondensator C1. W ten sposób będzie wymuszony stan wysoki na wyjściu 2 bramki B1, i generator na bramce B2 bedzie wytwarzał niemodulowaną częstotliwość (falę nośną).
4) Równolegle do uzwojenia przekażnika P1dolaczyć diodę LED z rezystorem ograniczającym np. 470Ω, w ten sposób, aby zwrot diody był przeciwny do zwrotu diody D4. (Dioda LED powinna świecić gdy przewodzi tranzystor T2).
5) Na drewnianej listewce zamontować diodę nadawczą i odbiornik TSOP4840 w odległości około 30cm od siebie i podłączyć do płytki. Dla wygody, przewody powinny być dość długie, co najmniej 1,5m. Mogą to już być przewody wiązek zakończone wtyczkami, o długości, zależnej od przewidywanego miejsca montażu czujnikow.
6) Podłączyć zasilanie 12V w te miejsca na płytce, gdzie podłączone złącze Z4.
7) Powoli pokręcając rezystorem nastawnym (R2) spowodować zaświecenie diody LED. Wtedy generator na bramce B2 wygeneruje przebieg o częstotliwości 40kHz. Dla potencjometru o wartości 100k będzie to dość ostre ekstremum. Po odlutowaniu i wstępnym zmierzeniu rezystancji, warto zamontować potencjometr o mnieszej wartości np. 30k, i dodatkowo szeregowy rezystor 30k.
Bedzie wtedy łagodniejsze ekstremum, i dokladniejszy odczyt wypadkowej rezystancji. Następnie odsunąć nadajnik i odbiornik na odleglość około 70cm, i ponownie wyregulować potencjometr tak, aby świeciła dioda. Uzyska sie wtedy bardzo dokładną rezystancję.
Gdy odbiornik oświetlony niemodulowaną falą podczerwieni bardzo drastycznie spada czułość i tym samym zasięg bariery, oraz duża wrażliwość na odchyłki częstotliwości nośnej. Trzeba też dokładnie ustawiać diodę nadawczą.
Na przykład, dla diody o średnicy 3mm i rezystora R4 zmniejszonego do 270Ω, maksymalny pewny zasięg tylko około 1m.
Gdy częstotliwość nośna zmodulowana, zasięg mocno wzrasta, i jest typowy jak dla pilotów sprzętu RTV.
W moich testach dla fali niezmodulowanej i układu CD40106BE bariera dobrze pracowała gdy R2=47,5±1k, a więc zakres tolerancji 2k, i w tym zakresie bez problemu można dobrać wypadkową rezystancję w pobliżu środkowej wartości 47,5k.
8.) Odlutować zworkę z kondensatora C1, podłączyć oscyloskop na wyjście 6 bramki B3 i pokręcając potencjometrem (R1) uzyskać ilość impulsów w "paczce" pomiędzy 20÷40. Odpowiada to częstotliwości f1=1000÷500Hz. Dobór tej częstotliwości (f1), a więc i rezystora R1 nie jest krytyczny, i gdy niema w dyspozycji oscyloskopu można zamontować rezystory R1 takie, jak podałem wyżej dla poszczególnych układów 40106.
9) Wlutować dobrane rezystory R1, R2+R2a, oraz kondensator C4 na swoje miejsca, odłączyć diodę LED z rezystorem, i bariera gotowa do użytku.
Teraz można przystąpić do wstępnego ustalenia miejsca zamontowania czujników oraz wstępnego przetestowania bariery w samochodzie.
W tym celu ponownie podłaczyć diodę LED z rezystorem rownolegle do uzwojenia przekażnika P1 (najlepiej nie demontować po poprzednich działaniach). Przewody zasilające zakończyć wtyczką do gniazda zapalniczki i podłączyć do tego gniazda.
Diodę nadawczą i odbiornik TSOP4840 wetknąć wyprowadzeniami (są wystarczająco sztywne) pod brzeg uszczelki, i bariera gotowa.
Wkładanie i wyjmowanie wtyczki symuluje przycisk zamykania, a zbliżając rękę, lub głowę, można obserwując diodę LED widzieć działanie bariery i wybrać optymalne miejsce zamontowania czujników.
Próby mogą być "wielokrotne i długotrwałe", i taki sposób z diodą LED zapobiega nie potrzebnemu szarpaniu mechanizmu podnośnika i silnika.
Ogólna zasada powinna być taka, że bariera przebiega możliwie wysoko, ale w ten sposób, aby przechylona głowa osoby o średnim wzroście ją przerywała.
Diodę należy umieścić z przodu, gdyż mały otworek wypełniony diodą jest nie widoczny nawet gdy się na niego patrzy, trochę większy otwór na odbiornik, umieszczony z tyłu jest też nie widoczny, gdyż znajdzie się poza polem widzenia.
Przewody do bardziej oddalonego czujnika najlepiej poprowadzić pod uszczelką, nad górną krawędzią okna.
Po takich wstępnych testach można już zamontować wszystko na swoje miejsca, z tym, że nie należy się śpieszyć z robieniem dziurek w uszczelce. Czujniki zatknąć pod brzegiem uszczelki, i niech pojeżdżą kilka dni, a w tym czasie można je przesuwać i wybrać optymalne miejsce w myśl zasady "siedem razy mierzyć, a raz ciąć".
Otworki dobrze wycina się za pomocą rurki o odpowiedniej średnicy, np. z uszkodzonej anteny teleskopowej. Aby było wygodnie, trzeba rurkę oprawić w rączkę np. od pilnika, lub w drewniany klocek i zaostrzyć krawędż. Dobrze jest potrenować na materiale podobnym do uszczelki, a najlepiej na starej uszczelce. Otworki dobrze wychodzą także pod ostrym kątem, jaki będzie przy mocno pochylonej krawędzi przedniej szyby.
Należy zwrócić uwagę czy bariera działa przy otwartym oknie. Do odbiornika dociera promieniowanie bezpośrednie, oraz odbite od powierzchni szyby. Przy zamkniętym oknie bariera zawsze będzie działać.
Przy skrajnie złym ustawieniu diody może być tak, że dociera promieniowanie odbite, a nie dociera promieniowanie bezpośrednie, szczególnie wtedy, gdy dioda ma mały kąt promieniowania.
Wtedy po opuszczeniu szyby nie można będzie zamknąć okna.
Promieniowanie odbite jest dużo słabsze od bezpośredniego, a bariera po zamontowaniu nie zmienia swoich parametrów fizycznych, odległość nadajnika od odbiornika jest nie duża i regulując wartość rezystora R4 można wyeliminować niepożądane zjawisko, natężenie promieniowania odbitego będzie poniżej czułości odbiornika.
Gdy rezystor R4 zbyt mały (zbyt silne promieniowanie) może być wpływ szyby i wnętrza kabiny.
Na przykład, dało się to zauważyć gdy na początku był zamontowany R4=270Ω.
Rezystor R4=1k okazał się optymalny, bariera działa bez problemu.
Wykaz elementów dla jednego zestawu bariery.
Rezystory
R1*, R2* --- 47k SMD (1206).....................2 szt.
R2a ................470Ω SMD (1206).....................1 szt.
R3, R7...............4,7k/0,1W ....................................2 szt.
R4* ...................1k/0,1W .....................................1 szt.
R5 ...................100k SMD (1206)........................1 szt.
R6 ....................4,7M SMD (1206)........................1 szt.
R8 ...................100Ω/0,5W..................................1szt.
R9 ...................VAR10-14....................................1szt. Warystor 14VAC/18VDC, 500A, 0,05W
Kondensatory
C1, C4.............0,1μF SMD (1206)......................2szt.
C2.....................1nF foliowy poliestrowy.............1szt.
C3 .................0,47μF SMD (1206).....................1szt.
C5 ..................10μF/25V elektrolityczny.............1szt.
Diody.
D1, D2, D3..........LL4148 SMD (1206)................3szt.
D4, D6...............1N4007 ...................................2szt.
D5...................X85C5V1...................................1szt.
D7..........LL-304IRC4B-2AD...............................1szt. nadajnik podczerwieni
Tranzystory.
T1, T2.................BC337..................................2 szt.
Układy scalone.
US1............CD40106BE..................................1szt.
US2...........TSOP4840.....................................1szt.
Przekażniki.
P1..........RM84-P-12V...................................1szt. ( RM84-2012-35-1012)
P2..........G5V1-12.........................................1szt.
Złącza.
Z1, Z7..............kompletne złącze, gniazdo i wtyk, 2 pin, typu NPP..........2 komplety
Z2...................kompletne złącze, gniazdo i wtyk, 3 pin, typu NPP...........1 komplet
Z3, Z4.............kompletne złacze, gniazdo i wtyk, 2pin, typu MNL (17A)....1komplet
Z5..................miniaturowe zlącze, gniazdo i wtyk, 2 pin, typu NX.............1 komplet
Z6..................miniaturowe złącze, gniazdo i wtyk, 3 pin, typu NX.............1komplet
Przewody.
Przewód do podłączenia czujników....0,25mm².......wg. potrzeby (około 7÷8 m)
Przewód 1,5÷ 2mm² .......... wg. potrzeby (około 1m).
