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

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

表2-3 nRF905引腳功能

Tab.2-3 Explain of nRF905’s pin defunction

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