基于NS溫度傳感器LM83的交通工具座椅溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

基于NS溫度傳感器LM83的交通工具座椅溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

摘  要： 本文介紹了一種基于溫度傳感器芯片LM83的交通工具座椅溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，論述了系統(tǒng)的構(gòu)成以及LM83溫度傳感器在座椅溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 溫度調(diào)節(jié)；自動控制；溫度傳感器

圖1  系統(tǒng)組成框圖

圖2  LM83內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖3  系統(tǒng)電路圖
設(shè)計思路
人體的不適感來自于溫度的差異。在一定的環(huán)境中，當(dāng)人體所接觸物體的局部溫度高于(或低于)人體所處的環(huán)境溫度，且兩者的絕對差值大于某一閾值時，人體會產(chǎn)生不適感。座椅溫度的自動調(diào)節(jié)就是基于上述原理。它通過感測人體所處的環(huán)境溫度和座椅與人體不同接觸部位的溫度，將兩者進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇相應(yīng)的裝置進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使溫度的差值穩(wěn)定地處于某個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而避免人體不適感的產(chǎn)生。
座椅溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)由以下幾個部分組成：(1) 采集溫度的溫度傳感器；(2) 接收采樣數(shù)據(jù)并發(fā)出指令以實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的微控制器(MCU)；(3) 控制冷氣發(fā)生裝置工作的繼電器、電磁閥等；(4) 用于人機交互的顯示不同部位溫度值的液晶顯示屏。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的實現(xiàn)
溫度的自動調(diào)節(jié)，首先需要能夠采集溫度的溫度傳感器。由于人體與座椅的接觸部位主要是背部與臀部，而這兩處因接觸產(chǎn)生的“熱節(jié)點”與環(huán)境的溫差也不相同，因此，需要對座椅不同部位的溫度進(jìn)行采樣。美國國家半導(dǎo)體(NS)公司的LM83是一種遠(yuǎn)程二極管溫度感測IC，它可以同時測量系統(tǒng)內(nèi)四個不同位置的溫度，即它可以感測芯片外部三個不同位置的溫度以及芯片自身的溫度。因此，使用一片LM83就可以同時感測座椅與人體三個不同接觸部位的溫度(在本設(shè)計中主要考慮臀部和背部兩處的溫度變化)，而LM83所感測的芯片自身的溫度可作為交通工具內(nèi)的環(huán)境溫度。
LM83的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，D1+，D2+，D3+分別與用于感測溫度的三個遠(yuǎn)程三極管2N3904的集電極連接，而D- 則與這三個2N3904的發(fā)射極連接；LM83帶有I2C總線接口，作為從器件，其采樣值可以用數(shù)字量的形式由微控制器直接讀出。引腳SMBCLK是I2C的時鐘輸入，而SMBData雙向的I2C數(shù)據(jù)線。LM83的I2C器件地址為7位，由ADD0和ADD1的接法決定，例如，當(dāng)ADD0、ADD1均接地時，該器件地址為0011000。采樣所得到的本地、遠(yuǎn)程1、遠(yuǎn)程2、遠(yuǎn)程3四個溫度值分別保存在器件的寄存器中，它們的地址分別為00h、30h、01h、31h。
設(shè)計中選用Microchip公司的PIC16F874單片機作為控制器，這種MCU帶有I2C接口，比較容易實現(xiàn)對LM83所感測到的采樣數(shù)據(jù)的讀取過程。此外，為了便于駕駛員或乘客了解交通工具內(nèi)的環(huán)境溫度及座椅不同部位的溫度狀況，系統(tǒng)用一字符型的液晶模塊(LCD)作為輸出顯示。系統(tǒng)的電路如圖3所示。

溫度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)座椅溫度的自動調(diào)節(jié)，將LM83溫度傳感器的溫度感應(yīng)器件——三極管2N3904安裝在座椅與人體背部和臀部接觸的部位以感應(yīng)這兩處的溫度變化，LM83感應(yīng)的器件本地溫度作為交通工具內(nèi)的環(huán)境溫度Ts(也可根據(jù)情況選擇LM83的另一遠(yuǎn)程感測溫度作為交通工具內(nèi)的環(huán)境溫度)。MCU通過I2C總線讀取以數(shù)字量輸出的溫度采樣值并加以判斷，當(dāng)某一部位的熱量積累到使局部溫度與環(huán)境溫度的差值大于某一閾值時，由MCU啟動該處的冷氣發(fā)生裝置，通過向這個部位吹入冷氣以降低溫度；溫度的差值隨即減小，當(dāng)?shù)陀诹硪婚撝禃r，MCU關(guān)閉冷氣發(fā)生裝置，停止降溫。冷氣的強弱或冷氣閥門開度的大小可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)的不同要求，采用不同的控制算法加以實現(xiàn)，本文對此不作詳細(xì)論述。
簡要的控制規(guī)律如下：
當(dāng)時，啟動該處的冷氣發(fā)生裝置，并調(diào)用相應(yīng)的算法調(diào)節(jié)冷卻強度；
當(dāng)時，關(guān)閉冷氣裝置，停止降溫。
由于在不同的環(huán)境中，人體對溫度變化所產(chǎn)生的不適感的程度是不同的，例如：當(dāng)環(huán)境溫度較高時，局部溫度發(fā)生微小的升高就會給人體帶來較強的不適感(這也就是為什么夏天乘車常常感覺座椅很“燙”的原因)。因此，閾值與環(huán)境溫度有關(guān)。一般情況下，環(huán)境溫度越高閾值越小。為實現(xiàn)合理的溫度調(diào)節(jié)可將不同環(huán)境溫度所對應(yīng)的閾值以表的形式保存在MCU中，通過查尋閾值表來決定系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的具體措施。當(dāng)然，這種閾值表的確立還有待于人機工程學(xué)的發(fā)展給我們提供合理而正確的答案。■

參考文獻(xiàn)：
1.  寇振中，汪立森.‘PIC單片機應(yīng)用設(shè)計與實例’，北京航空航天大學(xué)出版社，1999.
2 . 劉和平等，‘PIC16F87x單片機實用軟件與接口技術(shù)—匯編語言及其應(yīng)用’,北京航空航天大學(xué)出版社,2001.