時(shí)間:2015-11-02 17:12:15來(lái)源:刑媛
摘要:本文結(jié)合無(wú)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(wú)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(shí)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(chǔ)的功能,能夠?yàn)槠?chē)安全行駛和輪胎溫度場(chǎng)的研究提供可靠的數(shù)據(jù)資料。系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的輪胎溫度監(jiān)測(cè),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(wú)線傳輸芯片nRF905,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線傳輸。
關(guān)鍵詞:無(wú)線通信;輪胎溫度;溫度場(chǎng);NRF905
中途分類(lèi)號(hào):TP 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
0 前言
輪胎性能的優(yōu)劣,將直接影響汽車(chē)的行車(chē)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(guò)高時(shí),尼龍線會(huì)受熱收縮,橡膠會(huì)加速老化進(jìn)程,持續(xù)高溫會(huì)大大降低輪胎的使用壽命。目前汽車(chē)輪胎的損壞以熱損壞最為常見(jiàn),從而嚴(yán)重影響了輪胎的使用壽命和車(chē)輛行駛的安全性。
輪胎是汽車(chē)的一個(gè)重要部件,除空氣動(dòng)力外,幾乎所有作用于汽車(chē)的外力都是通過(guò)輪胎與路面的接觸并發(fā)生作用而產(chǎn)生的。釆用實(shí)測(cè)法測(cè)量輪胎的溫度,能夠?qū)ρ芯枯喬L動(dòng)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(duì)輪胎溫度的影響,同時(shí)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(cè)法可用于任何類(lèi)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(cè)溫儀通過(guò)測(cè)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(cè)溫只能測(cè)量輪胎的表面溫度,因此若要測(cè)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(cè)量了輪胎外表面的溫度分布狀況。王慶年采用雙向紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)滾動(dòng)中輪胎表面的溫度進(jìn)行了測(cè)量,獲得了滾動(dòng)輪胎表面的溫度分布,系統(tǒng)性能可靠,滿足了表面的測(cè)溫要求。采用輪胎內(nèi)置傳感器和無(wú)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(duì)不同的功能要求系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也不盡相同,而開(kāi)發(fā)一種可多點(diǎn)測(cè)量的無(wú)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(dòng)過(guò)程中,由于內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)的溫度的不同,因此需要釆集多個(gè)點(diǎn)的溫度,基于本系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)較多、施工現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),通過(guò)比較幾種短距離無(wú)線傳輸技術(shù),采用了符合系統(tǒng)要求的短距離無(wú)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(chǎng)監(jiān)測(cè)中心釆用人機(jī)交互技術(shù),利用計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)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(wú)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(guò)無(wú)線傳輸方式交換數(shù)據(jù),上位機(jī)通過(guò)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(cè)量是本系統(tǒng)的一個(gè)重要部分,溫度數(shù)據(jù)能否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。溫度采集器主要由溫度傳感器、信號(hào)處理模塊、微控制器和無(wú)線收發(fā)模塊組成。測(cè)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
Fig 1-1 Frame picture of the system
1.2系統(tǒng)的工作原理
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(gè)溫度傳感器。從溫度傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào),信號(hào)處理電路專(zhuān)用于對(duì)模擬信號(hào)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(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送出去。溫度釆集器與接收器之間通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞浇粨Q數(shù)據(jù),并且只有接收到來(lái)自接收器的釆集命令后才會(huì)開(kāi)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(wú)線傳輸方式,為了提高傳輸效率,確保通信的可靠性,無(wú)線傳輸遵循自制的無(wú)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(guò)通訊模塊的有效距離,否則會(huì)造成通訊的失敗。溫度接收器與上位機(jī)之間通過(guò)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(gè)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(shí)也可通過(guò)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(kāi)多個(gè)顯示窗口,各個(gè)窗口可同時(shí)顯示不同點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),并且上位機(jī)對(duì)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(gè)溫度釆集器的核心部分,針對(duì)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(chǔ)器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器在系統(tǒng)可編程,也適用于常規(guī)編程器。
2.2溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路
本設(shè)計(jì)的無(wú)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(cè)系統(tǒng)。熱電偶作為工業(yè)中常用的測(cè)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(wèn)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(gè)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
Fig.2-1 Pins picture of MAX6675
表2-1 MAX6675引腳功能
Tab.2-1 Explain of MAX6675’s pin defunction
引腳 |
名稱(chēng) |
功能 |
1 |
GND |
接地端 |
2 |
T- |
K型熱電偶負(fù)極 |
3 |
T+ |
K型熱電偶正極 |
4 |
VCC |
正電源端 |
5 |
SCK |
串行時(shí)鐘輸入 |
6 |
CS |
片選端,CS為低時(shí),啟動(dòng)串行接口 |
7 |
SO |
串行數(shù)據(jù)輸出 |
8 |
N.C |
空引腳 |
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(dòng)輸入和熱電偶斷線檢測(cè)等功能,并且具有0?1024℃的測(cè)溫范圍,12位0.25℃的分辨率,2000V的ESD信號(hào)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
Fig.2-2 Interface description of MAX6775 and MCU
2.3無(wú)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(guò)對(duì)無(wú)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(wú)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)
Tab.2-2 Chief electric performance index of nRF905
參數(shù) |
數(shù)值 |
單位 |
工作電壓 |
1.9~3.6 |
V |
最大發(fā)射功率 |
10 |
dBm |
最大數(shù)值傳輸率 |
100 |
Kbps |
輸出功率為-10dBm時(shí)的電流 |
11 |
mA |
接收模式時(shí)工作電流 |
12.5 |
mA |
典型靈敏度 |
-100 |
dBm |
掉電模式時(shí)工作電流 |
2.5 |
μA |
表2-3 nRF905引腳功能
Tab.2-3 Explain of nRF905’s pin defunction
管腳 |
名稱(chēng) |
管腳功能 |
說(shuō)明 |
17 |
VDD |
電源 |
3.3~3.6V (DC) |
32 |
TX_EN |
數(shù)字輸入 |
TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式 |
1 |
TRX_CE |
數(shù)字輸入 |
使能芯片發(fā)射或接收 |
2 |
PWR_UP |
數(shù)字輸入 |
芯片上電 |
6 |
CD |
數(shù)字輸出 |
載波檢測(cè) |
7 |
AM |
數(shù)字輸出 |
地址匹配 |
8 |
DR |
數(shù)字輸出 |
接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成 |
10 |
MISO |
SPI接口 |
SPI輸出 |
11 |
MOSI |
SPI接口 |
SPI輸入 |
13 |
CSN |
SPI使能 |
SPI使能 |
14 |
SCK |
SPI時(shí)鐘 |
SPI時(shí)鐘 |
nRF905的載波檢測(cè)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(shí)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(dòng)時(shí)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)
Fig.2-3 Circuit design of nRP905
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(shí)序。
圖2-4 nRF905與微控制器的接口
Fig.2-4 InterfacedescriptionofnRF905andMCU
2.4電源電路
溫度采集器使用電池供電,為了延長(zhǎng)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(gè)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(wú)線收發(fā)芯片nRF905及其外圍模塊供電。
圖2-5 AS1117的引腳圖
Fig.2-5 Pins picture of AS1117
由于AT89S52和外圍模塊電路需要5V的電源供電,而無(wú)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(gè)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(hào)芯片來(lái)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
Fig.2-6 Power source circuit diagram of AS1117-5
系統(tǒng)采用AS1117-3.3來(lái)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
Fig.2-7 Power source circuit diagram of AS1117-3.3
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(wú)線傳輸技術(shù)的可多點(diǎn)釆集溫度的無(wú)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(shí)的采集輪胎滾動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),為輪胎溫度場(chǎng)的研究提供重要的數(shù)據(jù)支持,具有很好的實(shí)用價(jià)值。
本設(shè)計(jì)重于輪胎內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)采集,從軟件和硬件兩個(gè)方面對(duì)無(wú)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(wú)線收發(fā)芯片的選取,電源模塊外圍電路的設(shè)計(jì)等。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)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。
5 參考文獻(xiàn)
[1] 劉哲義著. 對(duì)影響高速行車(chē)安全的爆胎分析[J]. 汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā),1997,5:38~41
[2] D.J.Schuring M. The rolling loss of pneumatic tires[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2004,53:601~727
[3] 王慶年,趙子亮著. 紅外測(cè)溫技術(shù)在滾動(dòng)輪胎表面溫度場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 輪胎工業(yè),2001,21:733~734
[4] 郭南著. 智能型輪胎動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D]. 汕頭:汕頭大學(xué),2002
[5] ZhouChang ji,ChengQing yang. The imported greenhouses and their performances[J]. Transactions of the CSAE, 2007,5(14):53~58
[6] H.T.Park. nRF905 single chip very low power RF transceive[J]. ChipconProductsfromTexasInstruments, 2006,9(1):1~38
[7] 趙明著. 一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2008,26(8):4~7
[8] 王海著. CC1000射頻收發(fā)器在無(wú)線游戲控制器中的應(yīng)用[J]. 電子產(chǎn)品世界,2006,17(9):1~3
[9] 張曉健,李偉,張小雨著. MSP430和nRF905的無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,8:4~7
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