基于汽車自動(dòng)空調(diào)的紅外溫度傳感器性能研究

鄔忠萍，易　威，劉　冬（.成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,成都670；.武漢銳科控制系統(tǒng)有限公司應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)部,武漢40050；.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,成都6005）

基于汽車自動(dòng)空調(diào)的紅外溫度傳感器性能研究

鄔忠萍1，易威2，劉冬3
（1.成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,成都611730；2.武漢銳科控制系統(tǒng)有限公司應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)部,武漢430050；3.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,成都610051）

汽車空調(diào)不僅可以提高乘客的舒適性還能極大地提高汽車的安全性，據(jù)資料顯示，有了汽車空調(diào)后，交通事故可降低12%-15%。汽車自動(dòng)空調(diào)與手動(dòng)空調(diào)或半自動(dòng)空調(diào)相比，將更大程度的降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而可更進(jìn)一步提高汽車的主動(dòng)安全。本文旨在研究紅外溫度傳感器MLX90614的性能指標(biāo)及其在汽車自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，得出MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器可應(yīng)用于汽車自動(dòng)空調(diào)的結(jié)論。

汽車；自動(dòng)空調(diào)；MLX90614

汽車空調(diào)的發(fā)展經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程。其發(fā)展過(guò)程從單一供暖到單一制冷，從目前大多數(shù)經(jīng)濟(jì)汽車上使用的冷暖一體化再到自動(dòng)控制的汽車空調(diào)共經(jīng)歷了40年的發(fā)展歷程。1964年，美國(guó)通用汽車公司首先將自動(dòng)空調(diào)是安裝在凱迪拉克轎車上，直到1972年歐洲和日本才在高級(jí)轎車上安裝自動(dòng)空調(diào)。自動(dòng)空調(diào)是使用電子控制的方法，預(yù)先設(shè)定好溫度，空調(diào)會(huì)自動(dòng)在設(shè)定好的溫度范圍內(nèi)工作[1]。

在本文的研究中，采用MLX90614紅外溫度傳感器對(duì)車內(nèi)及車外溫度進(jìn)行檢測(cè)，反饋給行車電腦，行車電腦將檢測(cè)到的溫度與預(yù)先設(shè)置的溫度進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)環(huán)境溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，行車電腦控制控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)各風(fēng)門及改變壓縮機(jī)排量等方式完成溫度調(diào)節(jié)，使自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)定好的溫度范圍內(nèi)工作。

1　汽車自動(dòng)空調(diào)總體架構(gòu)

汽車自動(dòng)空調(diào)是人們根據(jù)自身需要設(shè)定合適的車內(nèi)溫度，其目的在于使車廂內(nèi)溫度控制在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，以保障乘客的舒適性及安全性。MLX90614傳感器在本文中的目的主要對(duì)車內(nèi)各個(gè)部位的溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)MSP430進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將檢測(cè)到的車內(nèi)溫度值傳給ECU。ECU根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行對(duì)比分析，由ECU來(lái)控制各驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)空調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，從而改變車內(nèi)的環(huán)境[2]。

若要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境的良好控制，除了必須有車內(nèi)溫度傳感器外，車外也應(yīng)有傳感器，而汽車外部的傳感器除了溫度傳感器外還應(yīng)有陽(yáng)光傳感器，該傳感器用來(lái)檢測(cè)日光的照射強(qiáng)度來(lái)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的各出風(fēng)口風(fēng)量及溫度[3]。

2系統(tǒng)硬件選型及設(shè)計(jì)

2.1微型控制單元主要特性

本項(xiàng)目選擇美國(guó)德州儀器（TI）開(kāi)發(fā)的一種超低功耗微型控制單元，其型號(hào)為MSP430G2553。

該微型控制單元是一種基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）的16位混合信號(hào)處理器。在芯片內(nèi)部集成有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D AC)。該處理器的最大特點(diǎn)是低功耗。為了降低功耗，專門設(shè)計(jì)了靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒及智能化外部設(shè)備模塊。本項(xiàng)目選用的MSP430G2553具有8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片上比較器，觸控式使能I/O，通用串行接口，16kB內(nèi)存和512ByteRAM.

2.2MLX90614紅外溫度傳感器主要技術(shù)特性

MLX90614是由美國(guó)Melexis公司生產(chǎn)的一款紅外非接觸式溫度計(jì)，集成了由邁來(lái)芯開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的MLX81101紅外熱電堆傳感器芯片和MLX90302信號(hào)處理專用集成芯片。由于該傳感器集成了低噪聲放大器、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理單元及17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器使得精度及分辨度大大提高。該傳感器具有數(shù)字（PWM）和系統(tǒng)管理總線（SMBus）兩種輸出模式。在本文中使用的是SMBus輸出模式。

3　自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目系統(tǒng)使用MLX90614紅外傳感器，其軟件部分如下。

3.1MLX90614SMBus傳輸協(xié)議

MLX90614有兩種方式輸出數(shù)據(jù)，一種是PWM輸出，另一種是系統(tǒng)管理總線（SMBus）輸出。本項(xiàng)目使用SMBus輸出方式。SMBus接口為兩線協(xié)議，允許主控器件（MD）和一個(gè)以上的從動(dòng)器件(SD)通信。MLX90614只作為從動(dòng)器件使用。數(shù)據(jù)通信格式主要分為讀取數(shù)據(jù)格式與寫入數(shù)據(jù)格式。讀取數(shù)據(jù)格式取決于命令-RAM 或EEPROM，寫入數(shù)據(jù)格式只取決于EEPROM。

3.2環(huán)境溫度（Ta）和物體溫度（To）的測(cè)量與計(jì)算

紅外傳感器（IR）包含有若干個(gè)串接的熱電偶，熱電偶的冷接頭置于芯片襯底上，熱接頭置于薄膜上。薄膜通過(guò)吸收或是輻射紅外使自身加熱或冷卻。熱點(diǎn)對(duì)的輸出信號(hào)為：

Vir(Ta,To)=A.(To4-Ta4)

其中To是物體的絕對(duì)溫度（開(kāi)爾文），Ta是傳感器芯片的絕對(duì)溫度，A是靈敏度。

傳感器芯片是通過(guò)DSP輸出的與傳感器絕對(duì)溫度成比例（PTAT）或者正溫度系數(shù)傳感器（PTC）原件測(cè)量的。傳感器的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)標(biāo)志的處理都在片內(nèi)完成，計(jì)算好的線性溫度存于RAM中，地址單元為：006h。傳感器出廠的校準(zhǔn)范圍為-40…+125°C。在006h中，值2DE4h代表-38.2°C（最低線性溫度），值4DC4h對(duì)應(yīng)125°C。由于采用SMBus協(xié)議其溫度分辨率為0.02°C。

環(huán)境溫度的計(jì)算公式為：

Ta[oK]=Tareg*0.02

物體溫度的計(jì)算公式為：

To[oK]=Toreg*0.02

3.3系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

駕駛員開(kāi)啟空調(diào)后設(shè)定車內(nèi)的目標(biāo)溫度，此時(shí)MLX90614紅外溫度傳感器檢測(cè)車內(nèi)溫度值，并將檢測(cè)到的車內(nèi)溫度值通過(guò)MSP430進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)傳給車內(nèi)的行車電腦（ECU），ECU將該溫度與設(shè)定好的溫度進(jìn)行比較，判斷是否相差大于某一數(shù)值（如2℃），當(dāng)超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，行車電腦驅(qū)動(dòng)空調(diào)模塊運(yùn)行（如調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)風(fēng)門位置等），如MLX90614檢測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度在合適的范圍內(nèi)，則不對(duì)空調(diào)驅(qū)動(dòng)模塊做調(diào)整，并且持續(xù)MLX90614持續(xù)檢測(cè)，直到檢測(cè)到溫差大于2℃，驅(qū)動(dòng)空調(diào)模塊運(yùn)行?？照{(diào)模塊運(yùn)行后仍需實(shí)時(shí)通過(guò)MLX90614檢測(cè)車內(nèi)溫度，形成閉環(huán)控制，直至關(guān)閉空調(diào)為止。

4　性能測(cè)試與結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采取從4月1日到4月10日每天上午9點(diǎn)測(cè)得溫度數(shù)據(jù)，，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為110ms。MLX90614在室溫下的測(cè)量誤差為±0.5°C.通過(guò)SMBus協(xié)議傳輸?shù)組SP430通過(guò)USB總線傳輸至上位機(jī)中進(jìn)行分析。溫度測(cè)量分別在不同天氣條件下進(jìn)行了10次測(cè)量，每次測(cè)量相同時(shí)長(zhǎng)，并對(duì)測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可以看到MLX90614傳感器的最大溫度分辨率≤0.5°C，且標(biāo)準(zhǔn)差都小于0.1，方差都小于0.01。所以該傳感器完全可以用于汽車自動(dòng)空調(diào)。

[1]林剛，曹永明.汽車空調(diào)原理及維修[M].北京大學(xué)出版社,2011:6-7.

[2]王樹(shù)義.高檔轎車用全自動(dòng)空調(diào)智能化控制系統(tǒng)的研究[D].吉林：吉林大學(xué),2006.

[3]趙南,田均.簡(jiǎn)析傳感器在汽車走動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].2007(03):25-26.

[4]張日欣.基于MLX90614的非接觸式體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]2009(03):107.