- 汽車內部環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
引言
隨著經濟水平的發展，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。汽車車廂是一個相對狹小的空間，其內部環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，此系統用MSP430系列單片機為系統的硬件核心，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，經過數據融合，用液晶顯示器輸出結果，顯示是否舒適。
工作原理：要對一輛汽車的內部空間進行舒適度評價，首先要確定評價的參數。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。系統框圖如圖1所示，單片機通過相應的驅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測量的傳感器。由 MSP430的A／D端口導入，對導入的數據進行處理，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，再對三個參數做出綜合評價，并同時送至顯示端，給出控制信號，調節相關設備，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，并與整車匹配。
1 硬件設計
1．1 電源及系統復位電路
整個系統采用3．3V供電，考慮到硬件系統要求電源具有穩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，因此系統硬件的電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實現，該芯片能很好地滿足本硬件系統的要求。
復位電路的設計一定要使系統能夠在各種復雜情況下穩定可靠地工作。復位性能不好會影響系統的正常運行。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的復位電路，R-C復位電路具有經濟性，但可靠性不高，用復位芯片實現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，本系統采用復位芯片實現的復位電路，本系統采甩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字溫度傳感器，其內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℃的分辨率轉換為數字信號。單片機通過ⅡC接口可對內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境溫度檢測、工業過程控制、家用電器、電池充電、計算機系統等。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、穩定性好、低溫飄、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點，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內部的信號調理電路被修正為Vsupply=5V，25℃時在 0％～100％相對濕度范圍內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
系統選擇帶有中文字庫的液景顯示模塊LCMl2864ZK。其ROM內含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點的繪圖區域GDRAM；而且內含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)。本系統由于MSP430F149的端口豐富，所以采用并行8位模式。
LCMl2864ZK可實現漢字、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 溫度參數的采集
結合溫度傳感器和MSP430F149的結構特點，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，讀取溫度傳感器數據寄存器中的溫度值，送入單片機的內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行。
2．2 濕度參數的采集
濕度參數采集，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轉換。再經過式(1)計算，就可以得出濕度值。
2．3 振動參數的采集
振動加速度參數的采集是利用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，然后轉入到主程序。
采用ADC通道進行參數采集，需要時間上的配合，因為ADC需要轉換時間。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，先后調用各個模塊子程序，實現系統功能。綜合處理程序流程圖如圖7所示。
3 結束語
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，此系統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。
