基于汽車自動空調的紅外溫度傳感器性能研究

鄔忠萍，易　威，劉　冬（.成都工業學院機械工程系,成都670；.武漢銳科控制系統有限公司應用軟件開發部,武漢40050；.電子科技大學計算機科學與工程學院,成都6005）

基于汽車自動空調的紅外溫度傳感器性能研究

鄔忠萍1，易威2，劉冬3
（1.成都工業學院機械工程系,成都611730；2.武漢銳科控制系統有限公司應用軟件開發部,武漢430050；3.電子科技大學計算機科學與工程學院,成都610051）

汽車空調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，據資料顯示，有了汽車空調后，交通事故可降低12%-15%。汽車自動空調與手動空調或半自動空調相比，將更大程度的降低駕駛員的勞動強度，從而可更進一步提高汽車的主動安全。本文旨在研究紅外溫度傳感器MLX90614的性能指標及其在汽車自動空調系統中的應用。通過對實驗測得數據進行誤差分析，得出MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器可應用于汽車自動空調的結論。

汽車；自動空調；MLX90614

汽車空調的發展經歷了由簡單到復雜，由低級到高級的過程。其發展過程從單一供暖到單一制冷，從目前大多數經濟汽車上使用的冷暖一體化再到自動控制的汽車空調共經歷了40年的發展歷程。1964年，美國通用汽車公司首先將自動空調是安裝在凱迪拉克轎車上，直到1972年歐洲和日本才在高級轎車上安裝自動空調。自動空調是使用電子控制的方法，預先設定好溫度，空調會自動在設定好的溫度范圍內工作[1]。

在本文的研究中，采用MLX90614紅外溫度傳感器對車內及車外溫度進行檢測，反饋給行車電腦，行車電腦將檢測到的溫度與預先設置的溫度進行對比分析，當環境溫度高于或低于設定溫度時，行車電腦控制控制器，通過調節各風門及改變壓縮機排量等方式完成溫度調節，使自動空調系統在設定好的溫度范圍內工作。

1　汽車自動空調總體架構

汽車自動空調是人們根據自身需要設定合適的車內溫度，其目的在于使車廂內溫度控制在設定溫度范圍內，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車內各個部位的溫度進行檢測，然后通過MSP430進行模數轉換成數字信號，再將檢測到的車內溫度值傳給ECU。ECU根據檢測到的數據和預先設定的溫度值進行對比分析，由ECU來控制各驅動模塊實現空調執行機構的工作，從而改變車內的環境[2]。

若要實現車內環境的良好控制，除了必須有車內溫度傳感器外，車外也應有傳感器，而汽車外部的傳感器除了溫度傳感器外還應有陽光傳感器，該傳感器用來檢測日光的照射強度來調整空調系統的各出風口風量及溫度[3]。

2系統硬件選型及設計

2.1微型控制單元主要特性

本項目選擇美國德州儀器（TI）開發的一種超低功耗微型控制單元，其型號為MSP430G2553。

該微型控制單元是一種基于精簡指令集（RISC）的16位混合信號處理器。在芯片內部集成有模/數轉換器(ADC)和數/模轉換器(D AC)。該處理器的最大特點是低功耗。為了降低功耗，專門設計了靈活的時鐘系統、多種低功耗模式、即時喚醒及智能化外部設備模塊。本項目選用的MSP430G2553具有8通道10位模數轉換器，片上比較器，觸控式使能I/O，通用串行接口，16kB內存和512ByteRAM.

2.2MLX90614紅外溫度傳感器主要技術特性

MLX90614是由美國Melexis公司生產的一款紅外非接觸式溫度計，集成了由邁來芯開發和生產的MLX81101紅外熱電堆傳感器芯片和MLX90302信號處理專用集成芯片。由于該傳感器集成了低噪聲放大器、強大的數字信號處理單元及17位模數轉換器使得精度及分辨度大大提高。該傳感器具有數字（PWM）和系統管理總線（SMBus）兩種輸出模式。在本文中使用的是SMBus輸出模式。

3　自動空調系統軟件設計

本項目系統使用MLX90614紅外傳感器，其軟件部分如下。

3.1MLX90614SMBus傳輸協議

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

3.2環境溫度（Ta）和物體溫度（To）的測量與計算

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

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

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

傳感器芯片是通過DSP輸出的與傳感器絕對溫度成比例（PTAT）或者正溫度系數傳感器（PTC）原件測量的。傳感器的所有數據和狀態標志的處理都在片內完成，計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對應125°C。由于采用SMBus協議其溫度分辨率為0.02°C。

環境溫度的計算公式為：

Ta[oK]=Tareg*0.02

物體溫度的計算公式為：

To[oK]=Toreg*0.02

3.3系統軟件流程設計

駕駛員開啟空調后設定車內的目標溫度，此時MLX90614紅外溫度傳感器檢測車內溫度值，并將檢測到的車內溫度值通過MSP430進行模數轉換，同時傳給車內的行車電腦（ECU），ECU將該溫度與設定好的溫度進行比較，判斷是否相差大于某一數值（如2℃），當超過這一數值時，行車電腦驅動空調模塊運行（如調節鼓風機轉速、調節風門位置等），如MLX90614檢測到的溫度與設定溫度在合適的范圍內，則不對空調驅動模塊做調整，并且持續MLX90614持續檢測，直到檢測到溫差大于2℃，驅動空調模塊運行。空調模塊運行后仍需實時通過MLX90614檢測車內溫度，形成閉環控制，直至關閉空調為止。

4　性能測試與結果

本實驗采取從4月1日到4月10日每天上午9點測得溫度數據，，數據采樣時間為110ms。MLX90614在室溫下的測量誤差為±0.5°C.通過SMBus協議傳輸到MSP430通過USB總線傳輸至上位機中進行分析。溫度測量分別在不同天氣條件下進行了10次測量，每次測量相同時長，并對測量得到的溫度數據進行了誤差分析。根據實際測試得到的數據可以看到MLX90614傳感器的最大溫度分辨率≤0.5°C，且標準差都小于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空調。

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

[2]王樹義.高檔轎車用全自動空調智能化控制系統的研究[D].吉林：吉林大學,2006.

[3]趙南,田均.簡析傳感器在汽車走動空調系統中的應用[J].2007(03):25-26.

[4]張日欣.基于MLX90614的非接觸式體溫測量系統設計[J]2009(03):107.