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轮胎温度场无线采集系统硬件设计
2015-12-22 15:23:21  作者:  来源:网络
  • 本文结合无线通信技术,传感器技术和微控制器技术的发展,设计了一套基于无线通信的轮胎温度采集系统。系统能够可靠、准确、实时的采集轮胎内部的温度数据,并且具有数据存储的功能,能够为汽车安全行驶和轮胎温度场的研究提供可靠的数据资料。系统不同于传统的轮胎温度监测,本系统的特点是实现了轮胎内部温度的多点采集。温度采集器主要由传感器模块、控制器模块和射频模块组成,其中射频模块选用无线传输芯片nRF905,实现了数据的短距离无线传输。

  0 前言

  轮胎性能的优劣,将直接影响汽车的行车安全和运行效率。由于轮胎制造的主要原料是橡胶和骨架材料(如尼龙帘线、钢丝帘线等),在轮胎温度过高时,尼龙线会受热收缩,橡胶会加速老化进程,持续高温会大大降低轮胎的使用寿命。目前汽车轮胎的损坏以热损坏最为常见,从而严重影响了轮胎的使用寿命和车辆行驶的安全性。

  轮胎是汽车的一个重要部件,除空气动力外,几乎所有作用于汽车的外力都是通过轮胎与路面的接触并发生作用而产生的。釆用实测法测量轮胎的温度,能够对研究轮胎滚动下的温度的分布,探寻使用条件(轮胎速度、气压、载荷及环境等)对轮胎温度的影响,同时为优化轮胎设计及配方提供参考依据,并为数值分析提供必要的参考条件。

  实测法可用于任何类型和规格的轮胎,它包括接触法和非接触法。非接触法主要是指借助于红外线测温仪通过测定轮胎的红外线辐射量确定轮胎的表面温度。但由于红外测温只能测量轮胎的表面温度,因此若要测量轮胎内部的温度这种方式有很大的局限性。Oh用红外照相系统测量了轮胎外表面的温度分布状况。王庆年采用双向红外测温系统对滚动中轮胎表面的温度进行了测量,获得了滚动轮胎表面的温度分布,系统性能可靠,满足了表面的测温要求。采用轮胎内置传感器和无线传输的方式采集轮胎内部的温度是目前的热点,并且针对不同的功能要求系统开发也不尽相同,而开发一种可多点测量的无线轮胎温度釆集系统是本设计的研究方向。

  1 系统概述

  轮胎在转动过程中,由于内部各个点的温度的不同,因此需要釆集多个点的温度,基于本系统测点较多、施工现场环境恶劣、布线困难、通信距离比较近的特点,本课题的研发主要围绕短距离无线数据传输技术,通过比较几种短距离无线传输技术,采用了符合系统要求的短距离无线射频技术以实现温度数据的高精度釆集和全数字化传输,在现场监测中心釆用人机交互技术,利用计算机监测软件实时采集轮胎内部温度的变化,并为以后进行定量和定性分析提供准确的、大量的数据。

  1.1系统的整体结构

  无线轮胎温度采集系统主要由温度釆集器,温度接收器和上位机组成。温度采集器和温度接收器通过无线传输方式交换数据,上位机通过RS232总线与温度接收器连接,从中读取数据并且进行处理。

  轮胎温度的测量是本系统的一个重要部分,温度数据能否实时准确的测量影响着整个系统的运行。温度采集器主要由温度传感器、信号处理模块、微控制器和无线收发模块组成。测温传感器直接与微处理器连接,并且连接方便,可自由拆卸。釆集器的电源釆用电池供电,外壳釆用铝制外壳,抗干扰能力强,安装也非常方便。设计系统的整体结构如图1-1所示。

  

  图1-1 系统的整体结构图

  1.2系统的工作原理

  系统要釆集的是轮胎内部不同点的温度,因此温度釆集器包括多个温度传感器。从温度传感器出来的信号是模拟信号,信号处理电路专用于对模拟信号的放大和A/D转换,由微控制器完成温度数据的软件滤波和可视化转换,最终的数据由无线收发模块发送出去。温度釆集器与接收器之间通过无线传输的方式交换数据,并且只有接收到来自接收器的釆集命令后才会开始温度数据的采集。

  温度接收器与温度采集器之间的数据交换是无线传输方式,为了提高传输效率,确保通信的可靠性,无线传输遵循自制的无线通信协议,通信的协调由温度接收器按照通讯协议控制。温度接收器与采集器的通讯也不得超过通讯模块的有效距离,否则会造成通讯的失败。温度接收器与上位机之间通过串口交换数据,并且两者之间的通讯也遵循一定的通讯协议。上位机发送控制命令给温度接收器,温度接收器传送温度数据给上位机,整个采集系统在上位机管理软件的控制下进行数据的传输交换,上位机是控制命令的发起者。接收器不仅可以传送、转换数据,同时也可通过液晶显示轮胎内部不同点的温度。上位机在上位机管理软件的控制下完成温度数据的显示、历史数据记录等功能。系统软件可以在显示器上开多个显示窗口,各个窗口可同时显示不同点的实时温度数据,并且上位机对温度数据的采集周期是可调的。

  2 温度采集器硬件设计

  2.1微控制器单元

  微控制器单元的设计是整个温度釆集器的核心部分,针对本系统要求体积小,低功耗的特点,微控制器选用了ATMEL公司AT89S52的微控制器,微控制器的主要功能是管理系统的所有外围设备,完成温度数据的釆集、处理和数据的发送等工作。

  AT89S52是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K字节在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,也适用于常规编程器。

  2.2温度信号转换电路

  本设计的无线轮胎温度釆集系统釆集的是轮胎内部不同点的温度,不同于传统的轮胎温度监测系统。热电偶作为工业中常用的测温元件,为了解决线性化处理,热电偶冷端补偿,模数转换等上述问题,本设计采用了单片K型热电偶数字转换器MAX6675。

  (1) MAX6675的主要性能

  MAX6675是Maxim公司推出的,一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器[8]。MAX6675采用8引脚贴片封装,引脚排列如图2-1所示,引脚功能如表2-1所列。

  

  图2-1 MAX6675引脚图

  表2-1 MAX6675引脚功能  

引脚

名称

功能

1

GND

接地端

2

T-

K型热电偶负极

3

T+

K型热电偶正极

4

VCC

正电源端

5

SCK

串行时钟输入

6

CS

片选端,CS为低时,启动串行接口

7

SO

串行数据输出

8

N.C

空引脚


  MAX6675的工作电压为3.3V,工作温度为-20〜+85℃,具有片内冷端补偿、高阻抗差动输入和热电偶断线检测等功能,并且具有0〜1024℃的测温范围,12位0.25℃的分辨率,2000V的ESD信号和低功耗的特性。

  (2) MAX6675的电路设计

  其中单片MAX6675与微控制的接口电路如图2-2所示。芯片的SO、CS、SCK引脚分别与微控制器的P1.0、P1.1、P1.2相接。T+与热电偶的正极相接,T-与热电偶的负极相接,MAX6675的VCC和GND引脚之间并联了0.1μF的陶瓷电容,用于降低电源耦合噪声。

  

  图2-2 MAX6675与微控制器的接口电路

  Fig.2-2 Interface description of MAX6775 and MCU

  2.3无线通信单元

  考虑到本温度采集系统具有微型化、集成化、高精度、低功耗的设计要求,通过对无线收发芯片的比较,釆用了集发射和接收为一体的单片收发芯片nRF905作为系统的无线收发芯片。

  (1) nRF905的主要电气性能指标

  nRF905的主要电气性能指标如表2-2所示。引脚功能如表2-3所示。

  表2-2 nRF905主要的电气性能指标  

参数

数值

单位

工作电压

1.9~3.6

V

最大发射功率

10

dBm

最大数值传输率

100

Kbps

输出功率为-10dBm时的电流

11

mA

接收模式时工作电流

12.5

mA

典型灵敏度

-100

dBm

掉电模式时工作电流

2.5

μA

  表2-3 nRF905引脚功能  

管脚

名称

管脚功能

说明

17

VDD

电源

3.3~3.6V (DC)

32

TX_EN

数字输入

TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式

1

TRX_CE

数字输入

使能芯片发射或接收

2

PWR_UP

数字输入

芯片上电

6

CD

数字输出

载波检测

7

AM

数字输出

地址匹配

8

DR

数字输出

接收或发射数据完成

10

MISO

SPI接口

SPI输出

11

MOSI

SPI接口

SPI输入

13

CSN

SPI使能

SPI使能

14

SCK

SPI时钟

SPI时钟


  nRF905的载波检测引脚CD、地址匹配引脚AM和数据准备就绪引脚DR 的设计为nRF905的软件编程提供了方便同时也体现了nRF905的特点。

  在小范围通信中最常用的天线是单极天线、螺旋天线、片状天线和环形天线。

  为了实现晶体振荡器低功耗和快速启动时间的解决方案,本设计使用了低值晶体负载电容。选用了16MHZ的晶振,电阻R1做为晶体振荡器的偏置电阻。ANT1和ANT2输出脚给天线提供稳定的RF输出。与VDD引脚相接的电容C5、C6、08采用了高质量的RF滤波电容,另一端与地相接组成了去耦电路。nRF905芯片电路设计如图2-3所示。

  

  图2-3 nRF905的电路设计

  微控制器与nRF905芯片的接口电路如图2-4所示。其中微控制器的P2.6、P2.5、P3.0和P3.6接口分别与nRF905的SPI口相接,微控制器与nRF905的通讯要采用模拟SPI口时序。

  

  图2-4 nRF905与微控制器的接口

   2.4电源电路

  温度采集器使用电池供电,为了延长温度采集器的使用寿命,一般采用大容量电池供电。考虑到整个系统的供电需求,本设计选用了1节9V的锂电池供电,分别给主控芯片AT89S52、无线收发芯片nRF905及其外围模块供电。

  

  图2-5 AS1117的引脚图

  由于AT89S52和外围模块电路需要5V的电源供电,而无线收发芯片nRF905需要3.3V电源供电,因此需要把9V的电源转换为两种供电电压,电源的指标不仅仅有电压的要求,而且功率容限等指标都要满足系统要求。系统中釆用了AS1117系列电源转换芯片,AS1117是一款低功耗的电源转换芯片,具有三个引脚的SOTT-23的贴片封装形式,并且电源转换稳定。芯片引脚图如图2-5所示,3脚是外部电压的输入引脚,2脚是转换后电压的输出引脚,1脚是接地引脚。

  系统采用AS1117-5型号芯片来实现电源9V到5V的转换,其电源转换电路如图2-6所示。

  

  图2-6 AS1117-5电源电路

  系统采用AS1117-3.3来实现电源5V到3.3V的转换,其电源转换电路如图2-7所示。

  

  图2-7 AS1117-3.3电源电路

  4 结论

  本文在分析智能轮胎的基础上,提出了一种基于无线传输技术的可多点釆集温度的无线轮胎温度采集系统,系统抗干扰性强,精度高,并且具有良好的人机界面,能够实时的采集轮胎滚动过程中内部不同点的温度数据,为轮胎温度场的研究提供重要的数据支持,具有很好的实用价值。

  本设计重于轮胎内部温度的实时采集,从软件和硬件两个方面对无线温度采集系统进行了分析设计。温度釆集器和接收器的硬件设计:包括处理器、温度传感器的确定,无线收发芯片的选取,电源模块外围电路的设计等。对该系统进行了实际的测试试验,实验结果满足预期的设计要求,取得了较好的效果。


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