- 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(jìn)汽車舒適度提供理論支持
- MSP43O單片機(jī)為核心的適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)
引言
隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們對(duì)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(shí)，也對(duì)駕駛及乘坐人員的健康提出了挑戰(zhàn)。汽車車廂是一個(gè)相對(duì)狹小的空間，其內(nèi)部環(huán)境對(duì)于駕駛及乘坐人員(尤其是對(duì)長(zhǎng)時(shí)間駕車的駕駛員)的身體健康的影響不容忽略。
加強(qiáng)對(duì)汽車舒適度的研究能為改進(jìn)汽車舒適度提供理論支持。目前，人們對(duì)汽車舒適度評(píng)價(jià)的研究還是很少，無論是理論還是技術(shù)方面都還不成熟。提出一套合理的汽車舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǔ)上我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430單片機(jī)的汽車舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，此系統(tǒng)用MSP430系列單片機(jī)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(dòng)傳感器)探測(cè)相關(guān)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(duì)一輛汽車的內(nèi)部空間進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)，首先要確定評(píng)價(jià)的參數(shù)。我們選用人體最為敏感的溫度、濕度和振動(dòng)程度作為評(píng)價(jià)參數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示，單片機(jī)通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器的開閉，用低功耗的MSP430單片機(jī)作為硬件核心，選擇合適的濕度、溫度、振動(dòng)傳感器作為參數(shù)測(cè)量的傳感器。由 MSP430的A／D端口導(dǎo)入，對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用濾波、去噪等手段，再采用相關(guān)辦法(比如查表法)計(jì)算出相應(yīng)的濕度、溫度、振動(dòng)程度，再對(duì)三個(gè)參數(shù)做出綜合評(píng)價(jià)，并同時(shí)送至顯示端，給出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)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(shè)計(jì)
1．1 電源及系統(tǒng)復(fù)位電路
整個(gè)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(diǎn)，另外也考慮到硬件的低功耗等特點(diǎn)，因此系統(tǒng)硬件的電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好地滿足本硬件系統(tǒng)的要求。
復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作。復(fù)位性能不好會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在MSP430單片機(jī)中有一RST復(fù)位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復(fù)用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復(fù)位功能，只要有低電平輸入，系統(tǒng)就將復(fù)位。復(fù)位電路可以采用R-C復(fù)位電路，也可以采用以復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路，R-C復(fù)位電路具有經(jīng)濟(jì)性，但可靠性不高，用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路具有很高的可靠性，因此為了保證復(fù)位電路的可靠性，本系統(tǒng)采用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路，本系統(tǒng)采甩MAX809芯片。復(fù)位電路如圖2所示。為了減小電源的干擾，還要在復(fù)位芯片的電源輸入端加一個(gè)0．1 μF的電容來實(shí)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(shè)計(jì)
AD7416是美國(guó)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(yīng)溫度以0．25℃的分辨率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)通過ⅡC接口可對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)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(yīng)用于環(huán)境溫度檢測(cè)、工業(yè)過程控制、家用電器、電池充電、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。其功耗極低，在應(yīng)用于暖氣管道溫度測(cè)量時(shí)，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(jī)構(gòu)成電池供電的熱能計(jì)算表，使隨機(jī)電池工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(shè)計(jì)
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(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對(duì)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(wù)，同時(shí)該傳感器還具有高精度、快速成響應(yīng)、穩(wěn)定性好、低溫飄、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)，由于是線性電壓輸出故可簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。但是該傳感器在使用時(shí)仍需注意以下兩點(diǎn)：a．該傳感器在相對(duì)濕度由0％～100％變化時(shí)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(biāo)準(zhǔn)輸入電壓 (0～5V，±5V，O～10V)的需求，故仍需進(jìn)行電壓變換。b．IH3610內(nèi)部的信號(hào)調(diào)理電路被修正為Vsupply=5V，25℃時(shí)在 0％～100％相對(duì)濕度范圍內(nèi)輸出電壓變化范圍為0．8～3．9V，但當(dāng)該濕度傳感器工作的溫度發(fā)生變化時(shí)，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(shí)還須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)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(jiǎn)單。如圖4所示。
1．4 振動(dòng)傳感器的選擇及電路設(shè)計(jì)
汽車行駛過程中，涉及到的振動(dòng)一般是三維的，所以采集振動(dòng)參數(shù)需要采集x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)程度。測(cè)量振動(dòng)程度需要用加速度傳感器，本系統(tǒng)采用精量?jī)x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(cè)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(dú)立供電。如圖5所示。
1．5 顯示器件的選擇及輔助電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選擇帶有中文字庫(kù)的液景顯示模塊LCMl2864ZK。其ROM內(nèi)含8192個(gè)16×16點(diǎn)中文字型和128個(gè)16×8半寬的字母符號(hào)字型；另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64×256點(diǎn)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(diǎn)陣造字功能。電源操作范圍寬(2．7V到5．5V)；低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求。
同時(shí)，與單片機(jī)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(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)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(dòng)當(dāng)前顯示屏幕及清除屏幕的命令，具有光標(biāo)顯示／閃爍控制命令及液晶睡眠／喚醒／關(guān)閉顯示命令。預(yù)留多種控制線(復(fù)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(shè)計(jì)
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(diǎn)，溫度的采集需要先將與溫度傳感器連接的P1．6和P1．7設(shè)置成輸出，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行參數(shù)配置，配置完畢后再改P1．6和P1．7設(shè)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(jī)的內(nèi)存中用來進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)，然后返回進(jìn)行下一個(gè)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(yīng)該在溫度采集完成后才能進(jìn)行。因?yàn)闈穸葌鞲衅餍枰M(jìn)行溫度補(bǔ)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(gè)通道P6．0對(duì)模擬電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過式(1)計(jì)算，就可以得出濕度值。
2．3 振動(dòng)參數(shù)的采集
振動(dòng)加速度參數(shù)的采集是利用MSP430F149的ADC端口(P6口)中的3個(gè)通道P6．3、P6．4、P6．5采集的，所以實(shí)現(xiàn)采集功能，應(yīng)該先設(shè)置這三個(gè)通道為ADC模式，然后依次從三個(gè)通道中讀取相應(yīng)的電壓量，再存入相應(yīng)的地址，然后轉(zhuǎn)入到主程序。
采用ADC通道進(jìn)行參數(shù)采集，需要時(shí)間上的配合，因?yàn)锳DC需要轉(zhuǎn)換時(shí)間。時(shí)間配合可以采用軟件延時(shí)方法，或者是采用定時(shí)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(yīng)先初始化，首先延時(shí)40ms以上，進(jìn)行功能設(shè)定(8位／4位、基本指令／擴(kuò)充指令)；再延時(shí)100 μs，同樣是功能設(shè)定；然后延時(shí)37 μs，開關(guān)顯示設(shè)定；延時(shí)10 μs，清屏(清除顯示RAM)；最后延時(shí)10ms，設(shè)置讀取與寫入時(shí)光標(biāo)的移動(dòng)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(fù)責(zé)單片機(jī)的啟動(dòng)，先后調(diào)用各個(gè)模塊子程序，實(shí)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(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于超低功耗單片機(jī)MSP430F149的汽車舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集汽車車廂的溫度、濕度和振動(dòng)加速度，將汽車舒適度分為5個(gè)等級(jí)，給出汽車車廂的舒適程度。
