采用单片机和三种传感器实现汽车舒适度评价系统的应用方案

1 引言

随着经济水平的发展，人们对汽车的需求量越来越大。汽车给我们的出行带来了极大方便的同时，也对驾驶及乘坐人员的健康提出了挑战。汽车车厢是一个相对狭小的空间，其内部环境对于驾驶及乘坐人员（尤其是对长时间驾车的驾驶员）的身体健康的影响不容忽略。

加强对汽车舒适度的研究能为改进汽车舒适度提供理论支持。目前，人们对汽车舒适度评价的研究还是很少，无论是理论还是技术方面都还不成熟。提出一套合理的汽车舒适度评价系统的设计方法，将有利于汽车舒适度的提高，也有利于汽车综合性能的提高。在此基础上我们设计了一个基于MSP430单片机的汽车舒适度评价系统，此系统用MSP430系列单片机为系统的硬件核心，通过三种传感器（温度传感器，湿度传感器，振动传感器）探测相关参数，经过数据融合，用液晶显示器输出结果，显示是否舒适。

工作原理：要对一辆汽车的内部空间进行舒适度评价，首先要确定评价的参数。我们选用人体最为敏感的温度、湿度和振动程度作为评价参数。系统框图如图1所示，单片机通过相应的驱动电路控制继电器的开闭，用低功耗的MSP430单片机作为硬件核心，选择合适的湿度、温度、振动传感器作为参数测量的传感器。由MSP430的A／D端口导入，对导入的数据进行处理，采用滤波、去噪等手段，再采用相关办法（比如查表法）计算出相应的湿度、温度、振动程度，再对三个参数做出综合评价，并同时送至显示端，给出控制信号，调节相关设备，改善车厢的舒适度，直至舒适为止，并保持，用来完善整套系统，并与整车匹配。

2 硬件设计

2．1 电源及系统复位电路

整个系统采用3．3V供电，考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件的低功耗等特点，因此系统硬件的电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现，该芯片能很好地满足本硬件系统的要求。

复位电路的设计一定要使系统能够在各种复杂情况下稳定可靠地工作。复位性能不好会影响系统的正常运行。在MSP430单片机中有一RST复位管脚，它与不可屏蔽中断功能管脚复用，可由软件选择其功能，正常情况下为复位功能，只要有低电平输入，系统就将复位。复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用以复位芯片实现的复位电路，R-C复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，本系统采用复位芯片实现的复位电路，本系统采甩MAX809芯片。复位电路如图2所示。为了减小电源的干扰，还要在复位芯片的电源输入端加一个0．1 μF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。

2．2 温度传感器的选择及电路设计

AD7416是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片低功耗数字温度传感器，其内部包含带隙温度传感器和10位A／D变换器，可将感应温度以0．25℃的分辨率转换为数字信号。单片机通过ⅡC接口可对内部寄存器进行读写操作，并允许8片AD7416挂在同一串行总线上。该温度传感器可广泛应用于环境温度检测、工业过程控制、家用电器、电池充电、计算机系统等。其功耗极低，在应用于暖气管道温度测量时，采用特定的电源管理模式，以20s采样周期工作，平均功耗仅66（nW），很适合与TI公司MSP430超低功耗单片机构成电池供电的热能计算表，使随机电池工作时间长达5年以上。利用P1．6接10kΩ上拉电阻分别模拟I2C的SCL、SDA，硬件连接图如图3所示。

2．3 湿度传感器的选择及电路设计

湿度传感器选用Honeywell公司的集成湿度传感器HTH3610，该传感器采用热固性聚脂电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有高精度、快速成响应、稳定性好、低温飘、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，由于是线性电压输出故可简化外围电路设计。但是该传感器在使用时仍需注意以下两点：a．该传感器在相对湿度由0％～100％变化时其电压输出为0．8V～3．9V，此输出电压值无法满足A／D采集板标准输入电压（0～5V，±5V，O～10V）的需求，故仍需进行电压变换。b．IH3610内部的信号调理电路被修正为Vsupply=5V，25℃时在0％～100％相对湿度范围内输出电压变化范围为0．8～3．9V，但当该湿度传感器工作的温度发生变化时，相同的湿度值，其输出电压值也将不同，因此该传感器在使用时还须进行温度补偿。补偿公式（1）为：

RH=（sensor％RH）／（1．0546-0．02l6T） （1）

由于HIH-3610湿度传感器为线性输出，因此它与MSP430F149的接口电路非常简单。如图4所示。

2．4 振动传感器的选择及电路设计

汽车行驶过程中，涉及到的振动一般是三维的，所以采集振动参数需要采集x、y、z三个方向的振动程度。测量振动程度需要用加速度传感器，本系统采用精量仪器公司的EGAXT3系列加速度传感器。

该加速度传感器采用电桥式测量，传感器共有12根接线，每轴有电源线和地线，及输出线两根，三轴可以独立供电。如图5所示。

2．5 显示器件的选择及辅助电路设计

系统选择带有中文字库的液景显示模块LCMl2864ZK。其ROM内含8192个16×16点中文字型和128个16×8半宽的字母符号字型；另外绘图显示画面提供一个64×256点的绘图区域GDRAM；而且内含CGRAM提供4组软件可编程的16×16点阵造字功能。电源操作范围宽（2．7V到5．5V）；低功耗设计可满足产品的省电要求。

同时，与单片机等微控制器的接口界面灵活（三种模式：并行8位／4位，串行3线／2线）。本系统由于MSP430F149的端口丰富，所以采用并行8位模式。

LCMl2864ZK可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上作为显示器件。

LCMl2864ZK具有上／下／左／右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令，具有光标显示／闪烁控制命令及液晶睡眠／唤醒／关闭显示命令。预留多种控制线（复位／串并选择／亮度调整）供用户灵活使用。LCMl2864ZK与MSP430F149的接口电路如图6所示。

3 软件程序设计

3．1 温度参数的采集

结合温度传感器和MSP430F149的结构特点，温度的采集需要先将与温度传感器连接的P1．6和P1．7设置成输出，对温度传感器进行参数配置，配置完毕后再改P1．6和P1．7设置成输入，读取温度传感器数据寄存器中的温度值，送入单片机的内存中用来进行舒适度评价，然后返回进行下一个模块程序的执行。

3．2 湿度参数的采集

湿度参数采集，应该在温度采集完成后才能进行。因为湿度传感器需要进行温度补偿。湿度传感器HIH3610是模拟电压输出，电压范围在0．8V～3．9V，通过电压调整，通过MSP430Fll49的ADC口（即P6口）的一个通道P6．0对模拟电压进行AD转换。再经过式（1）计算，就可以得出湿度值。

3．3 振动参数的采集

振动加速度参数的采集是利用MSP430F149的ADC端口（P6口）中的3个通道P6．3、P6．4、P6．5采集的，所以实现采集功能，应该先设置这三个通道为ADC模式，然后依次从三个通道中读取相应的电压量，再存入相应的地址，然后转入到主程序。

采用ADC通道进行参数采集，需要时间上的配合，因为ADC需要转换时间。时间配合可以采用软件延时方法，或者是采用定时器中断的方法，还有软件查询方法。

3．4 液晶显示的输出

液晶显示器在上电后应先初始化，首先延时40ms以上，进行功能设定（8位／4位、基本指令／扩充指令）；再延时100 μs，同样是功能设定；然后延时37 μs，开关显示设定；延时10 μs，清屏（清除显示RAM）；最后延时10ms，设置读取与写入时光标的移动方向等。

3．5 综合处理程序

综合处理程序也就是主程序，主程序负责单片机的启动，先后调用各个模块子程序，实现系统功能。综合处理程序流程图如图7所示。

4 结束语

本文设计了一个基于超低功耗单片机MSP430F149的汽车舒适度评价系统，此系统能实时采集汽车车厢的温度、湿度和振动加速度，将汽车舒适度分为5个等级，给出汽车车厢的舒适程度。

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