基于NS温度传感器LM83的交通工具座椅温度自动调节系统

基于NS温度传感器LM83的交通工具座椅温度自动调节系统

摘  要： 本文介绍了一种基于温度传感器芯片LM83的交通工具座椅温度自动调节系统的设计，论述了系统的构成以及LM83温度传感器在座椅温度调节系统中的应用。
关键词： 温度调节；自动控制；温度传感器

图1  系统组成框图

图2  LM83内部结构框图

图3  系统电路图
设计思路
人体的不适感来自于温度的差异。在一定的环境中，当人体所接触物体的局部温度高于(或低于)人体所处的环境温度，且两者的绝对差值大于某一阈值时，人体会产生不适感。座椅温度的自动调节就是基于上述原理。它通过感测人体所处的环境温度和座椅与人体不同接触部位的温度，将两者进行比较，根据比较结果选择相应的装置进行温度调节，使温度的差值稳定地处于某个适当的范围内，从而避免人体不适感的产生。
座椅温度自动调节系统由以下几个部分组成：(1) 采集温度的温度传感器；(2) 接收采样数据并发出指令以实现温度调节的微控制器(MCU)；(3) 控制冷气发生装置工作的继电器、电磁阀等；(4) 用于人机交互的显示不同部位温度值的液晶显示屏。系统组成框图如图1所示。

系统的实现
温度的自动调节，首先需要能够采集温度的温度传感器。由于人体与座椅的接触部位主要是背部与臀部，而这两处因接触产生的“热节点”与环境的温差也不相同，因此，需要对座椅不同部位的温度进行采样。美国国家半导体(NS)公司的LM83是一种远程二极管温度感测IC，它可以同时测量系统内四个不同位置的温度，即它可以感测芯片外部三个不同位置的温度以及芯片自身的温度。因此，使用一片LM83就可以同时感测座椅与人体三个不同接触部位的温度(在本设计中主要考虑臀部和背部两处的温度变化)，而LM83所感测的芯片自身的温度可作为交通工具内的环境温度。
LM83的内部结构如图2所示。其中，D1+，D2+，D3+分别与用于感测温度的三个远程三极管2N3904的集电极连接，而D- 则与这三个2N3904的发射极连接；LM83带有I2C总线接口，作为从器件，其采样值可以用数字量的形式由微控制器直接读出。引脚SMBCLK是I2C的时钟输入，而SMBData双向的I2C数据线。LM83的I2C器件地址为7位，由ADD0和ADD1的接法决定，例如，当ADD0、ADD1均接地时，该器件地址为0011000。采样所得到的本地、远程1、远程2、远程3四个温度值分别保存在器件的寄存器中，它们的地址分别为00h、30h、01h、31h。
设计中选用Microchip公司的PIC16F874单片机作为控制器，这种MCU带有I2C接口，比较容易实现对LM83所感测到的采样数据的读取过程。此外，为了便于驾驶员或乘客了解交通工具内的环境温度及座椅不同部位的温度状况，系统用一字符型的液晶模块(LCD)作为输出显示。系统的电路如图3所示。

温度调节的实现
为了实现座椅温度的自动调节，将LM83温度传感器的温度感应器件——三极管2N3904安装在座椅与人体背部和臀部接触的部位以感应这两处的温度变化，LM83感应的器件本地温度作为交通工具内的环境温度Ts(也可根据情况选择LM83的另一远程感测温度作为交通工具内的环境温度)。MCU通过I2C总线读取以数字量输出的温度采样值并加以判断，当某一部位的热量积累到使局部温度与环境温度的差值大于某一阈值时，由MCU启动该处的冷气发生装置，通过向这个部位吹入冷气以降低温度；温度的差值随即减小，当低于另一阈值时，MCU关闭冷气发生装置，停止降温。冷气的强弱或冷气阀门开度的大小可以根据温度调节的不同要求，采用不同的控制算法加以实现，本文对此不作详细论述。
简要的控制规律如下：
当时，启动该处的冷气发生装置，并调用相应的算法调节冷却强度；
当时，关闭冷气装置，停止降温。
由于在不同的环境中，人体对温度变化所产生的不适感的程度是不同的，例如：当环境温度较高时，局部温度发生微小的升高就会给人体带来较强的不适感(这也就是为什么夏天乘车常常感觉座椅很“烫”的原因)。因此，阈值与环境温度有关。一般情况下，环境温度越高阈值越小。为实现合理的温度调节可将不同环境温度所对应的阈值以表的形式保存在MCU中，通过查寻阈值表来决定系统进行温度调节的具体措施。当然，这种阈值表的确立还有待于人机工程学的发展给我们提供合理而正确的答案。■

参考文献：
1.  寇振中，汪立森.‘PIC单片机应用设计与实例’，北京航空航天大学出版社，1999.
2 . 刘和平等，‘PIC16F87x单片机实用软件与接口技术—汇编语言及其应用’,北京航空航天大学出版社,2001.