- 汽車內(nèi)部環(huán)境影響駕駛及乘坐人員身體健康
- 汽車舒適度研究為改進汽車舒適度提供理論支持
- MSP43O單片機為核心的適度評價系統(tǒng)
引言
隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展，人們對汽車的需求量越來越大。汽車給我們的出行帶來了極大方便的同時，也對駕駛及乘坐人員的健康提出了挑戰(zhàn)。汽車車廂是一個相對狹小的空間，其內(nèi)部環(huán)境對于駕駛及乘坐人員(尤其是對長時間駕車的駕駛員)的身體健康的影響不容忽略。
加強對汽車舒適度的研究能為改進汽車舒適度提供理論支持。目前，人們對汽車舒適度評價的研究還是很少，無論是理論還是技術方面都還不成熟。提出一套合理的汽車舒適度評價系統(tǒng)的設計方法，將有利于汽車舒適度的提高，也有利于汽車綜合性能的提高。在此基礎上我們設計了一個基于MSP430單片機的汽車舒適度評價系統(tǒng)，此系統(tǒng)用MSP430系列單片機為系統(tǒng)的硬件核心，通過三種傳感器(溫度傳感器，濕度傳感器，振動傳感器)探測相關參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合，用液晶顯示器輸出結(jié)果，顯示是否舒適。
工作原理：要對一輛汽車的內(nèi)部空間進行舒適度評價，首先要確定評價的參數(shù)。我們選用人體最為敏感的溫度、濕度和振動程度作為評價參數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示，單片機通過相應的驅(qū)動電路控制繼電器的開閉，用低功耗的MSP430單片機作為硬件核心，選擇合適的濕度、溫度、振動傳感器作為參數(shù)測量的傳感器。由 MSP430的A／D端口導入，對導入的數(shù)據(jù)進行處理，采用濾波、去噪等手段，再采用相關辦法(比如查表法)計算出相應的濕度、溫度、振動程度，再對三個參數(shù)做出綜合評價，并同時送至顯示端，給出控制信號，調(diào)節(jié)相關設備，改善車廂的舒適度，直至舒適為止，并保持，用來完善整套系統(tǒng)，并與整車匹配。
1 硬件設計
1．1 電源及系統(tǒng)復位電路
整個系統(tǒng)采用3．3V供電，考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點，另外也考慮到硬件的低功耗等特點，因此系統(tǒng)硬件的電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實現(xiàn)，該芯片能很好地滿足本硬件系統(tǒng)的要求。
復位電路的設計一定要使系統(tǒng)能夠在各種復雜情況下穩(wěn)定可靠地工作。復位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運行。在MSP430單片機中有一RST復位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復位功能，只要有低電平輸入，系統(tǒng)就將復位。復位電路可以采用R-C復位電路，也可以采用以復位芯片實現(xiàn)的復位電路，R-C復位電路具有經(jīng)濟性，但可靠性不高，用復位芯片實現(xiàn)的復位電路具有很高的可靠性，因此為了保證復位電路的可靠性，本系統(tǒng)采用復位芯片實現(xiàn)的復位電路，本系統(tǒng)采甩MAX809芯片。復位電路如圖2所示。為了減小電源的干擾，還要在復位芯片的電源輸入端加一個0．1 μF的電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。
1．2 溫度傳感器的選擇及電路設計
AD7416是美國模擬器件公司(ADI)推出的單片低功耗數(shù)字溫度傳感器，其內(nèi)部包含帶隙溫度傳感器和10位A／D變換器，可將感應溫度以0．25℃的分辨率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機通過ⅡC接口可對內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，并允許8片AD7416掛在同一串行總線上。該溫度傳感器可廣泛應用于環(huán)境溫度檢測、工業(yè)過程控制、家用電器、電池充電、計算機系統(tǒng)等。其功耗極低，在應用于暖氣管道溫度測量時，采用特定的電源管理模式，以20s采樣周期工作，平均功耗僅66(nW)，很適合與TI公司MSP430超低功耗單片機構(gòu)成電池供電的熱能計算表，使隨機電池工作時間長達5年以上。利用P1．6接10kΩ上拉電阻分別模擬I2C的SCL、SDA，硬件連接圖如圖3所示。
1．3 濕度傳感器的選擇及電路設計
濕度傳感器選用Honeywell公司的集成濕度傳感器HTH3610，該傳感器采用熱固性聚脂電容式傳感頭，同時在內(nèi)部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務，同時該傳感器還具有高精度、快速成響應、穩(wěn)定性好、低溫飄、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優(yōu)點，由于是線性電壓輸出故可簡化外圍電路設計。但是該傳感器在使用時仍需注意以下兩點：a．該傳感器在相對濕度由0％～100％變化時其電壓輸出為0．8V～3．9V，此輸出電壓值無法滿足A／D采集板標準輸入電壓 (0～5V，±5V，O～10V)的需求，故仍需進行電壓變換。b．IH3610內(nèi)部的信號調(diào)理電路被修正為Vsupply=5V，25℃時在 0％～100％相對濕度范圍內(nèi)輸出電壓變化范圍為0．8～3．9V，但當該濕度傳感器工作的溫度發(fā)生變化時，相同的濕度值，其輸出電壓值也將不同，因此該傳感器在使用時還須進行溫度補償。補償公式(1)為：
RH=(sensor％RH)／(1．0546-0．02l6T) (1)
由于HIH-3610濕度傳感器為線性輸出，因此它與MSP430F149的接口電路非常簡單。如圖4所示。
1．4 振動傳感器的選擇及電路設計
汽車行駛過程中，涉及到的振動一般是三維的，所以采集振動參數(shù)需要采集x、y、z三個方向的振動程度。測量振動程度需要用加速度傳感器，本系統(tǒng)采用精量儀器公司的EGAXT3系列加速度傳感器。
該加速度傳感器采用電橋式測量，傳感器共有12根接線，每軸有電源線和地線，及輸出線兩根，三軸可以獨立供電。如圖5所示。
1．5 顯示器件的選擇及輔助電路設計
系統(tǒng)選擇帶有中文字庫的液景顯示模塊LCMl2864ZK。其ROM內(nèi)含8192個16×16點中文字型和128個16×8半寬的字母符號字型；另外繪圖顯示畫面提供一個64×256點的繪圖區(qū)域GDRAM；而且內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可編程的 16×16點陣造字功能。電源操作范圍寬(2．7V到5．5V)；低功耗設計可滿足產(chǎn)品的省電要求。
同時，與單片機等微控制器的接口界面靈活(三種模式：并行8位／4位，串行3線／2線)。本系統(tǒng)由于MSP430F149的端口豐富，所以采用并行8位模式。
LCMl2864ZK可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表、家用電器和信息產(chǎn)品上作為顯示器件。
LCMl2864ZK具有上／下／左／右移動當前顯示屏幕及清除屏幕的命令，具有光標顯示／閃爍控制命令及液晶睡眠／喚醒／關閉顯示命令。預留多種控制線(復位／串并選擇／亮度調(diào)整)供用戶靈活使用。LCMl2864ZK與MSP430F149的接口電路如圖6所示。
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2 軟件程序設計
2．1 溫度參數(shù)的采集
結(jié)合溫度傳感器和MSP430F149的結(jié)構(gòu)特點，溫度的采集需要先將與溫度傳感器連接的P1．6和P1．7設置成輸出，對溫度傳感器進行參數(shù)配置，配置完畢后再改P1．6和P1．7設置成輸入，讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)寄存器中的溫度值，送入單片機的內(nèi)存中用來進行舒適度評價，然后返回進行下一個模塊程序的執(zhí)行。
2．2 濕度參數(shù)的采集
濕度參數(shù)采集，應該在溫度采集完成后才能進行。因為濕度傳感器需要進行溫度補償。濕度傳感器HIH3610是模擬電壓輸出，電壓范圍在0．8V～3．9V，通過電壓調(diào)整，通過MSP430Fll49的ADC口(即P6口)的一個通道P6．0對模擬電壓進行AD轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過式(1)計算，就可以得出濕度值。
2．3 振動參數(shù)的采集
振動加速度參數(shù)的采集是利用MSP430F149的ADC端口(P6口)中的3個通道P6．3、P6．4、P6．5采集的，所以實現(xiàn)采集功能，應該先設置這三個通道為ADC模式，然后依次從三個通道中讀取相應的電壓量，再存入相應的地址，然后轉(zhuǎn)入到主程序。
采用ADC通道進行參數(shù)采集，需要時間上的配合，因為ADC需要轉(zhuǎn)換時間。時間配合可以采用軟件延時方法，或者是采用定時器中斷的方法，還有軟件查詢方法。
2．4 液晶顯示的輸出
液晶顯示器在上電后應先初始化，首先延時40ms以上，進行功能設定(8位／4位、基本指令／擴充指令)；再延時100 μs，同樣是功能設定；然后延時37 μs，開關顯示設定；延時10 μs，清屏(清除顯示RAM)；最后延時10ms，設置讀取與寫入時光標的移動方向等。
2．5 綜合處理程序
綜合處理程序也就是主程序，主程序負責單片機的啟動，先后調(diào)用各個模塊子程序，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。綜合處理程序流程圖如圖7所示。
3 結(jié)束語
本文設計了一個基于超低功耗單片機MSP430F149的汽車舒適度評價系統(tǒng)，此系統(tǒng)能實時采集汽車車廂的溫度、濕度和振動加速度，將汽車舒適度分為5個等級，給出汽車車廂的舒適程度。
