基于NS溫度傳感器LM83的交通工具座椅溫度自動(dòng)調節系統

基于NS溫度傳感器LM83的交通工具座椅溫度自動(dòng)調節系統

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(dòng)調節系統的設計，論述了系統的構成以及LM83溫度傳感器在座椅溫度調節系統中的應用。
關(guān)鍵詞： 溫度調節；自動(dòng)控制；溫度傳感器

圖1  系統組成框圖

圖2  LM83內部結構框圖

圖3  系統電路圖
設計思路
人體的不適感來(lái)自于溫度的差異。在一定的環(huán)境中，當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(shí)，人體會(huì )產(chǎn)生不適感。座椅溫度的自動(dòng)調節就是基于上述原理。它通過(guò)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，根據比較結果選擇相應的裝置進(jìn)行溫度調節，使溫度的差值穩定地處于某個(gè)適當的范圍內，從而避免人體不適感的產(chǎn)生。
座椅溫度自動(dòng)調節系統由以下幾個(gè)部分組成：(1) 采集溫度的溫度傳感器；(2) 接收采樣數據并發(fā)出指令以實(shí)現溫度調節的微控制器(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。系統組成框圖如圖1所示。

系統的實(shí)現
溫度的自動(dòng)調節，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“熱節點(diǎn)”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。美國國家半導體(NS)公司的LM83是一種遠程二極管溫度感測IC，它可以同時(shí)測量系統內四個(gè)不同位置的溫度，即它可以感測芯片外部三個(gè)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(shí)感測座椅與人體三個(gè)不同接觸部位的溫度(在本設計中主要考慮臀部和背部?jì)商幍臏囟茸兓?，而LM83所感測的芯片自身的溫度可作為交通工具內的環(huán)境溫度。
LM83的內部結構如圖2所示。其中，D1+，D2+，D3+分別與用于感測溫度的三個(gè)遠程三極管2N3904的集電極連接，而D- 則與這三個(gè)2N3904的發(fā)射極連接；LM83帶有I2C總線(xiàn)接口，作為從器件，其采樣值可以用數字量的形式由微控制器直接讀出。引腳SMBCLK是I2C的時(shí)鐘輸入，而SMBData雙向的I2C數據線(xiàn)。LM83的I2C器件地址為7位，由ADD0和ADD1的接法決定，例如，當ADD0、ADD1均接地時(shí)，該器件地址為0011000。采樣所得到的本地、遠程1、遠程2、遠程3四個(gè)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(shí)現對LM83所感測到的采樣數據的讀取過(guò)程。此外，為了便于駕駛員或乘客了解交通工具內的環(huán)境溫度及座椅不同部位的溫度狀況，系統用一字符型的液晶模塊(LCD)作為輸出顯示。系統的電路如圖3所示。

溫度調節的實(shí)現
為了實(shí)現座椅溫度的自動(dòng)調節，將LM83溫度傳感器的溫度感應器件——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這兩處的溫度變化，LM83感應的器件本地溫度作為交通工具內的環(huán)境溫度Ts(也可根據情況選擇LM83的另一遠程感測溫度作為交通工具內的環(huán)境溫度)。MCU通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取以數字量輸出的溫度采樣值并加以判斷，當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(shí)，由MCU啟動(dòng)該處的冷氣發(fā)生裝置，通過(guò)向這個(gè)部位吹入冷氣以降低溫度；溫度的差值隨即減小，當低于另一閾值時(shí)，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(mén)開(kāi)度的大小可以根據溫度調節的不同要求，采用不同的控制算法加以實(shí)現，本文對此不作詳細論述。
簡(jiǎn)要的控制規律如下：
當時(shí)，啟動(dòng)該處的冷氣發(fā)生裝置，并調用相應的算法調節冷卻強度；
當時(shí)，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：當環(huán)境溫度較高時(shí)，局部溫度發(fā)生微小的升高就會(huì )給人體帶來(lái)較強的不適感(這也就是為什么夏天乘車(chē)常常感覺(jué)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(shí)現合理的溫度調節可將不同環(huán)境溫度所對應的閾值以表的形式保存在MCU中，通過(guò)查尋閾值表來(lái)決定系統進(jìn)行溫度調節的具體措施。當然，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：
1.  寇振中，汪立森.‘PIC單片機應用設計與實(shí)例’，北京航空航天大學(xué)出版社，1999.
2 . 劉和平等，‘PIC16F87x單片機實(shí)用軟件與接口技術(shù)—匯編語(yǔ)言及其應用’,北京航空航天大學(xué)出版社,2001.