輪胎溫度場無線采集系統硬件設計

摘要：本文結合無線通信技術，傳感器技術和微控制器技術的發展，設計了一套基于無線通信的輪胎溫度采集系統。系統能夠可靠、準確、實時的采集輪胎內部的溫度數據，并且具有數據存儲的功能，能夠為汽車安全行駛和輪胎溫度場的研究提供可靠的數據資料。系統不同于傳統的輪胎溫度監測，本系統的特點是實現了輪胎內部溫度的多點采集。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，實現了數據的短距離無線傳輸。
關鍵詞：無線通信；輪胎溫度；溫度場；NRF905
中途分類號：TP 9 文獻標識碼：B

正文：
輪胎性能的優劣，將直接影響汽車的行車安全和運行效率。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，橡膠會加速老化進程，持續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生作用而產生的。釆用實測法測量輪胎的溫度，能夠對研究輪胎滾動下的溫度的分布，探尋使用條件（輪胎速度、氣壓、載荷及環境等)對輪胎溫度的影響，同時為優化輪胎設計及配方提供參考依據，并為數值分析提供必要的參考條件。
實測法可用于任何類型和規格的輪胎，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部的溫度這種方式有很大的局限性。Oh用紅外照相系統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對滾動中輪胎表面的溫度進行了測量，獲得了滾動輪胎表面的溫度分布，系統性能可靠，滿足了表面的測溫要求。采用輪胎內置傳感器和無線傳輸的方式采集輪胎內部的溫度是目前的熱點，并且針對不同的功能要求系統開發也不盡相同，而開發一種可多點測量的無線輪胎溫度釆集系統是本設計的研究方向。

1 系統概述
輪胎在轉動過程中，由于內部各個點的溫度的不同，因此需要釆集多個點的溫度，基于本系統測點較多、施工現場環境惡劣、布線困難、通信距離比較近的特點，本課題的研發主要圍繞短距離無線數據傳輸技術，通過比較幾種短距離無線傳輸技術，采用了符合系統要求的短距離無線射頻技術以實現溫度數據的高精度釆集和全數字化傳輸，在現場監測中心釆用人機交互技術，利用計算機監測軟件實時采集輪胎內部溫度的變化，并為以后進行定量和定性分析提供準確的、大量的數據。

1.1 系統的整體結構
無線輪胎溫度采集系統主要由溫度釆集器，溫度接收器和上位機組成。溫度采集器和溫度接收器通過無線傳輸方式交換數據，上位機通過RS232總線與溫度接收器連接，從中讀取數據并且進行處理。
輪胎溫度的測量是本系統的一個重要部分，溫度數據能否實時準確的測量影響著整個系統的運行。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，安裝也非常方便。設計系統的整體結構如圖1-1所示。

圖1-1 系統的整體結構圖

系統要釆集的是輪胎內部不同點的溫度，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轉換，由微控制器完成溫度數據的軟件濾波和可視化轉換，最終的數據由無線收發模塊發送出去。溫度釆集器與接收器之間通過無線傳輸的方式交換數據，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據的采集。
溫度接收器與溫度采集器之間的數據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議，通信的協調由溫度接收器按照通訊協議控制。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之間通過串口交換數據，并且兩者之間的通訊也遵循一定的通訊協議。上位機發送控制命令給溫度接收器，溫度接收器傳送溫度數據給上位機，整個采集系統在上位機管理軟件的控制下進行數據的傳輸交換，上位機是控制命令的發起者。接收器不僅可以傳送、轉換數據，同時也可通過液晶顯示輪胎內部不同點的溫度。上位機在上位機管理軟件的控制下完成溫度數據的顯示、歷史數據記錄等功能。系統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的實時溫度數據，并且上位機對溫度數據的采集周期是可調的。

2 溫度采集器硬件設計

2.1 微控制器單元
微控制器單元的設計是整個溫度釆集器的核心部分，針對本系統要求體積小，低功耗的特點，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的所有外圍設備，完成溫度數據的釆集、處理和數據的發送等工作。
AT89S52是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節在系統可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，也適用于常規編程器。

2.2溫度信號轉換電路
本設計的無線輪胎溫度釆集系統釆集的是輪胎內部不同點的溫度，不同于傳統的輪胎溫度監測系統。熱電偶作為工業中常用的測溫元件，為了解決線性化處理，熱電偶冷端補償，模數轉換等上述問題，本設計采用了單片K型熱電偶數字轉換器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、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器[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℃，具有片內冷端補償、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的電路設計
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-與熱電偶的負極相接，MAX6675的VCC和GND引腳之間并聯了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具有微型化、集成化、高精度、低功耗的設計要求，通過對無線收發芯片的比較，釆用了集發射和接收為一體的單片收發芯片nRF905作為系統的無線收發芯片。
(1) nRF905的主要電氣性能指標
nRF905的主要電氣性能指標如表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

表2-3 nRF905引腳功能

nRF905的載波檢測引腳CD、地址匹配引腳AM和數據準備就緒引腳DR 的設計為nRF905的軟件編程提供了方便同時也體現了nRF905的特點。
在小范圍通信中最常用的天線是單極天線、螺旋天線、片狀天線和環形天線。
為了實現晶體振蕩器低功耗和快速啟動時間的解決方案，本設計使用了低值晶體負載電容。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定的RF輸出。與VDD引腳相接的電容C5、C6、08采用了高質量的RF濾波電容，另一端與地相接組成了去耦電路。nRF905芯片電路設計如圖2-3所示。

圖2-3 nRF905的電路設計

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。考慮到整個系統的供電需求，本設計選用了1節9V的鋰電池供電，分別給主控芯片AT89S52、無線收發芯片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，而無線收發芯片nRF905需要3.3V電源供電，因此需要把9V的電源轉換為兩種供電電壓，電源的指標不僅僅有電壓的要求，而且功率容限等指標都要滿足系統要求。系統中釆用了AS1117系列電源轉換芯片，AS1117是一款低功耗的電源轉換芯片，具有三個引腳的SOTT-23的貼片封裝形式，并且電源轉換穩定。芯片引腳圖如圖2-5所示，3腳是外部電壓的輸入引腳，2腳是轉換后電壓的輸出引腳，1腳是接地引腳。
系統采用AS1117-5型號芯片來實現電源9V到5V的轉換，其電源轉換電路如圖2-6所示。

圖2-6 AS1117-5電源電路

系統采用AS1117-3.3來實現電源5V到3.3V的轉換，其電源轉換電路如圖2-7所示。

圖2-7 AS1117-3.3電源電路

4 結論
本文在分析智能輪胎的基礎上，提出了一種基于無線傳輸技術的可多點釆集溫度的無線輪胎溫度采集系統，系統抗干擾性強，精度高，并且具有良好的人機界面，能夠實時的采集輪胎滾動過程中內部不同點的溫度數據，為輪胎溫度場的研究提供重要的數據支持，具有很好的實用價值。
本設計重于輪胎內部溫度的實時采集，從軟件和硬件兩個方面對無線溫度采集系統進行了分析設計。溫度釆集器和接收器的硬件設計：包括處理器、溫度傳感器的確定，無線收發芯片的選取，電源模塊外圍電路的設計等。對該系統進行了實際的測試試驗，實驗結果滿足預期的設計要求，取得了較好的效果。
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