輪胎溫度場無線采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：本文結(jié)合無線通信技術(shù)，傳感器技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一套基于無線通信的輪胎溫度采集系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時的采集輪胎內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，并且具有數(shù)據(jù)存儲的功能，能夠?yàn)槠嚢踩旭偤洼喬囟葓龅难芯刻峁┛煽康臄?shù)據(jù)資料。系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的輪胎溫度監(jiān)測，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了輪胎內(nèi)部溫度的多點(diǎn)采集。溫度采集器主要由傳感器模塊、控制器模塊和射頻模塊組成，其中射頻模塊選用無線傳輸芯片nRF905，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸。
關(guān)鍵詞：無線通信；輪胎溫度；溫度場；NRF905
中途分類號：TP 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

正文：
輪胎性能的優(yōu)劣，將直接影響汽車的行車安全和運(yùn)行效率。由于輪胎制造的主要原料是橡膠和骨架材料（如尼龍簾線、鋼絲簾線等），在輪胎溫度過高時，尼龍線會受熱收縮，橡膠會加速老化進(jìn)程，持續(xù)高溫會大大降低輪胎的使用壽命。目前汽車輪胎的損壞以熱損壞最為常見，從而嚴(yán)重影響了輪胎的使用壽命和車輛行駛的安全性。
輪胎是汽車的一個重要部件，除空氣動力外，幾乎所有作用于汽車的外力都是通過輪胎與路面的接觸并發(fā)生作用而產(chǎn)生的。釆用實(shí)測法測量輪胎的溫度，能夠?qū)ρ芯枯喬L動下的溫度的分布，探尋使用條件（輪胎速度、氣壓、載荷及環(huán)境等)對輪胎溫度的影響，同時為優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)及配方提供參考依據(jù)，并為數(shù)值分析提供必要的參考條件。
實(shí)測法可用于任何類型和規(guī)格的輪胎，它包括接觸法和非接觸法。非接觸法主要是指借助于紅外線測溫儀通過測定輪胎的紅外線輻射量確定輪胎的表面溫度。但由于紅外測溫只能測量輪胎的表面溫度，因此若要測量輪胎內(nèi)部的溫度這種方式有很大的局限性。Oh用紅外照相系統(tǒng)測量了輪胎外表面的溫度分布狀況。王慶年采用雙向紅外測溫系統(tǒng)對滾動中輪胎表面的溫度進(jìn)行了測量，獲得了滾動輪胎表面的溫度分布，系統(tǒng)性能可靠，滿足了表面的測溫要求。采用輪胎內(nèi)置傳感器和無線傳輸?shù)姆绞讲杉喬?nèi)部的溫度是目前的熱點(diǎn)，并且針對不同的功能要求系統(tǒng)開發(fā)也不盡相同，而開發(fā)一種可多點(diǎn)測量的無線輪胎溫度釆集系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的研究方向。

1 系統(tǒng)概述
輪胎在轉(zhuǎn)動過程中，由于內(nèi)部各個點(diǎn)的溫度的不同，因此需要釆集多個點(diǎn)的溫度，基于本系統(tǒng)測點(diǎn)較多、施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣、布線困難、通信距離比較近的特點(diǎn)，本課題的研發(fā)主要圍繞短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過比較幾種短距離無線傳輸技術(shù)，采用了符合系統(tǒng)要求的短距離無線射頻技術(shù)以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的高精度釆集和全數(shù)字化傳輸，在現(xiàn)場監(jiān)測中心釆用人機(jī)交互技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)測軟件實(shí)時采集輪胎內(nèi)部溫度的變化，并為以后進(jìn)行定量和定性分析提供準(zhǔn)確的、大量的數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
無線輪胎溫度采集系統(tǒng)主要由溫度釆集器，溫度接收器和上位機(jī)組成。溫度采集器和溫度接收器通過無線傳輸方式交換數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過RS232總線與溫度接收器連接，從中讀取數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理。
輪胎溫度的測量是本系統(tǒng)的一個重要部分，溫度數(shù)據(jù)能否實(shí)時準(zhǔn)確的測量影響著整個系統(tǒng)的運(yùn)行。溫度采集器主要由溫度傳感器、信號處理模塊、微控制器和無線收發(fā)模塊組成。測溫傳感器直接與微處理器連接，并且連接方便，可自由拆卸。釆集器的電源釆用電池供電，外殼釆用鋁制外殼，抗干擾能力強(qiáng)，安裝也非常方便。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)要釆集的是輪胎內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度，因此溫度釆集器包括多個溫度傳感器。從溫度傳感器出來的信號是模擬信號，信號處理電路專用于對模擬信號的放大和A/D轉(zhuǎn)換，由微控制器完成溫度數(shù)據(jù)的軟件濾波和可視化轉(zhuǎn)換，最終的數(shù)據(jù)由無線收發(fā)模塊發(fā)送出去。溫度釆集器與接收器之間通過無線傳輸?shù)姆绞浇粨Q數(shù)據(jù)，并且只有接收到來自接收器的釆集命令后才會開始溫度數(shù)據(jù)的采集。
溫度接收器與溫度采集器之間的數(shù)據(jù)交換是無線傳輸方式，為了提高傳輸效率，確保通信的可靠性，無線傳輸遵循自制的無線通信協(xié)議，通信的協(xié)調(diào)由溫度接收器按照通訊協(xié)議控制。溫度接收器與采集器的通訊也不得超過通訊模塊的有效距離，否則會造成通訊的失敗。溫度接收器與上位機(jī)之間通過串口交換數(shù)據(jù)，并且兩者之間的通訊也遵循一定的通訊協(xié)議。上位機(jī)發(fā)送控制命令給溫度接收器，溫度接收器傳送溫度數(shù)據(jù)給上位機(jī)，整個采集系統(tǒng)在上位機(jī)管理軟件的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換，上位機(jī)是控制命令的發(fā)起者。接收器不僅可以傳送、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時也可通過液晶顯示輪胎內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度。上位機(jī)在上位機(jī)管理軟件的控制下完成溫度數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。系統(tǒng)軟件可以在顯示器上開多個顯示窗口，各個窗口可同時顯示不同點(diǎn)的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)，并且上位機(jī)對溫度數(shù)據(jù)的采集周期是可調(diào)的。

2 溫度采集器硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器單元
微控制器單元的設(shè)計(jì)是整個溫度釆集器的核心部分，針對本系統(tǒng)要求體積小，低功耗的特點(diǎn)，微控制器選用了ATMEL公司AT89S52的微控制器，微控制器的主要功能是管理系統(tǒng)的所有外圍設(shè)備，完成溫度數(shù)據(jù)的釆集、處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送等工作。
AT89S52是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程器。

2.2溫度信號轉(zhuǎn)換電路
本設(shè)計(jì)的無線輪胎溫度釆集系統(tǒng)釆集的是輪胎內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度，不同于傳統(tǒng)的輪胎溫度監(jiān)測系統(tǒng)。熱電偶作為工業(yè)中常用的測溫元件，為了解決線性化處理，熱電偶冷端補(bǔ)償，模數(shù)轉(zhuǎn)換等上述問題，本設(shè)計(jì)采用了單片K型熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675。

(1) MAX6675的主要性能
MAX6675是Maxim公司推出的，一個集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器[8]。MAX6675采用8引腳貼片封裝，引腳排列如圖2-1所示，引腳功能如表2-1所列。

圖2-1 MAX6675引腳圖

表2-1 MAX6675引腳功能

MAX6675的工作電壓為3.3V，工作溫度為-20?+85℃，具有片內(nèi)冷端補(bǔ)償、高阻抗差動輸入和熱電偶斷線檢測等功能，并且具有0?1024℃的測溫范圍，12位0.25℃的分辨率，2000V的ESD信號和低功耗的特性。

(2) MAX6675的電路設(shè)計(jì)
其中單片MAX6675與微控制的接口電路如圖2-2所示。芯片的SO、CS、SCK引腳分別與微控制器的P1.0、P1.1、P1.2相接。T+與熱電偶的正極相接，T-與熱電偶的負(fù)極相接，MAX6675的VCC和GND引腳之間并聯(lián)了0.1μF的陶瓷電容，用于降低電源耦合噪聲。

圖2-2 MAX6675與微控制器的接口電路

2.3無線通信單元
考慮到本溫度采集系統(tǒng)具有微型化、集成化、高精度、低功耗的設(shè)計(jì)要求，通過對無線收發(fā)芯片的比較，釆用了集發(fā)射和接收為一體的單片收發(fā)芯片nRF905作為系統(tǒng)的無線收發(fā)芯片。
(1) nRF905的主要電氣性能指標(biāo)
nRF905的主要電氣性能指標(biāo)如表2-2所示。引腳功能如表2-3所示。

表2-2 nRF905主要的電氣性能指標(biāo)

表2-3 nRF905引腳功能

nRF905的載波檢測引腳CD、地址匹配引腳AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳DR 的設(shè)計(jì)為nRF905的軟件編程提供了方便同時也體現(xiàn)了nRF905的特點(diǎn)。
在小范圍通信中最常用的天線是單極天線、螺旋天線、片狀天線和環(huán)形天線。
為了實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器低功耗和快速啟動時間的解決方案，本設(shè)計(jì)使用了低值晶體負(fù)載電容。選用了16MHZ的晶振，電阻R1做為晶體振蕩器的偏置電阻。ANT1和ANT2輸出腳給天線提供穩(wěn)定的RF輸出。與VDD引腳相接的電容C5、C6、08采用了高質(zhì)量的RF濾波電容，另一端與地相接組成了去耦電路。nRF905芯片電路設(shè)計(jì)如圖2-3所示。

圖2-3 nRF905的電路設(shè)計(jì)

微控制器與nRF905芯片的接口電路如圖2-4所示。其中微控制器的P2.6、P2.5、P3.0和P3.6接口分別與nRF905的SPI口相接，微控制器與nRF905的通訊要采用模擬SPI口時序。

圖2-4 nRF905與微控制器的接口

2.4電源電路
溫度采集器使用電池供電，為了延長溫度采集器的使用壽命，一般采用大容量電池供電。考慮到整個系統(tǒng)的供電需求，本設(shè)計(jì)選用了1節(jié)9V的鋰電池供電，分別給主控芯片AT89S52、無線收發(fā)芯片nRF905及其外圍模塊供電。

圖2-5 AS1117的引腳圖

由于AT89S52和外圍模塊電路需要5V的電源供電，而無線收發(fā)芯片nRF905需要3.3V電源供電，因此需要把9V的電源轉(zhuǎn)換為兩種供電電壓，電源的指標(biāo)不僅僅有電壓的要求，而且功率容限等指標(biāo)都要滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)中釆用了AS1117系列電源轉(zhuǎn)換芯片，AS1117是一款低功耗的電源轉(zhuǎn)換芯片，具有三個引腳的SOTT-23的貼片封裝形式，并且電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)定。芯片引腳圖如圖2-5所示，3腳是外部電壓的輸入引腳，2腳是轉(zhuǎn)換后電壓的輸出引腳，1腳是接地引腳。
系統(tǒng)采用AS1117-5型號芯片來實(shí)現(xiàn)電源9V到5V的轉(zhuǎn)換，其電源轉(zhuǎn)換電路如圖2-6所示。

圖2-6 AS1117-5電源電路

系統(tǒng)采用AS1117-3.3來實(shí)現(xiàn)電源5V到3.3V的轉(zhuǎn)換，其電源轉(zhuǎn)換電路如圖2-7所示。

圖2-7 AS1117-3.3電源電路

4 結(jié)論
本文在分析智能輪胎的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無線傳輸技術(shù)的可多點(diǎn)釆集溫度的無線輪胎溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，精度高，并且具有良好的人機(jī)界面，能夠?qū)崟r的采集輪胎滾動過程中內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，為輪胎溫度場的研究提供重要的數(shù)據(jù)支持，具有很好的實(shí)用價值。
本設(shè)計(jì)重于輪胎內(nèi)部溫度的實(shí)時采集，從軟件和硬件兩個方面對無線溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。溫度釆集器和接收器的硬件設(shè)計(jì)：包括處理器、溫度傳感器的確定，無線收發(fā)芯片的選取，電源模塊外圍電路的設(shè)計(jì)等。對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的測試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，取得了較好的效果。
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