轮胎温度无线监控系统设计

2014-11-06宫照辉曹瀚林张辛未

科技创新导报 2014年10期

宫照辉++曹瀚林++张辛未

摘要：介绍了基于单片机的轮胎温度无线监控系统电路设计。系统以AT89C51单片机作为控制核心。无线收发芯片NRF24L01将轮胎温度实时传输给中央控制器。LCD12864液晶显示屏实时显示当前的轮胎温度。通过比较轮胎实测温度和预先设定的温度阈值，由中央控制器决定是否采取降温措施，使轮胎温度保持在安全范围内。该设计功能较全面，结构小巧，具有良好的实用价值和现实意义。

关键词：轮胎温度无线监控无线收发芯片液晶显示

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0036-02

自从汽车发明以来，其安全问题就一直受到人们的关注，其中轮胎温度是影响行使安全的因素之一[1-2]。轮胎温度过高会影响轮胎的使用寿命，甚至导致爆胎。因此，实时检测并控制行驶中汽车轮胎的温度对安全驾驶起着极大的作用[3]。而转动中的轮胎不适合用传统的温度传感器进行实时检测，因此结合数字温度传感器，本文设计一种轮胎温度无线监控系统，实现对于汽车轮胎安全的智能监控，有效保障了行车安全，具有良好的实用价值和现实意义。

1 系统总体方案设计

系统分为上位机、下位机两部分，分别采用单片机AT89C51作为各自的控制核心。下位机由单片机，DS18B20数字温度传感器和无线收发芯片NRF24L01组成。主要负责轮胎温度的采集和发送。将DS18B20采集到的温度数据传输到无线收发芯片NRF24L01，NRF24L01通过无线信号将温度值发送到上位机。

上位机的硬件结构图如（图1）所示。主要功能是接收下位机采集到的轮胎温度数据，并由上位机的单片机作为控制核心对温度数据进行监控。LCD液晶实时显示温度，方便驾驶员观察。上位机控制核心预先设定三个温度值，温度值由低至高分别定义为阈值1、阈值2和警戒值。当实测轮胎温度达到或超过阈值1时，控制核心自动开启风冷模式，即风扇降温；温度超过阈值2时，自动开启水冷模式降温；温度超过警戒值，自动停止系统的运行，即停车提醒驾驶员需要检查当前的汽车轮胎状态，从而实现智能无线监控轮胎温度的目的。

2 系统硬件设计

2.1 DS18B20温度采集电路设计

DS18B20与下位机的AT89C51由一条数据线连接，其中DQ引脚为数据端口，与AT89C51的P3.4相连。VCC接5V电源正极，GND为接地端。需要注意的是使用外部供电时，输出引脚在空闲时始终是高电平输出，所以在VCC引脚与DQ引脚间需要串接一个4.7K欧姆电阻。经过数据转换处理，温度值的输出形式为9至12位的串行数字信号。

2.2 无线通讯硬件电路设计

本设计的关键是上、下位机间的温度数据传输。采用Nordic公司的NRF24L01射频芯片[4-5]负责温度的无线发射和接收，工作频段2.4GHz。通过设置NRF24L01引脚CE，寄存器参数PWR_UP，PRIM_RX可以选择芯片NRF24L01的工作模式为接收模式或发射模式。

NRF24L01与单片机采用SPI的通讯方式。下位机的NRF24L01设定为发射模式。根据上位机的指令，发射端通过SPI将温度信息送入NRF24L01的Tx_Buf（发送缓冲区），启动发射模块进行发射。

上位机接收数据，首先将该部分的NRF24L01设置为发射模式，由其唤醒下位机的NRF24L01。然后再将上位机的NRF24L01设置为接收模式，延迟130μs接收并解析Rx_Buf当中的温度信息。

2.3 液晶显示电路设计

显示电路采用LCD。为了方便驾驶员的观察，选择带中文字库的LCD12864。显示界面实时显示所测量的轮胎温度和预先设定的温度阈值1，阈值2，警戒值。LCD12864能显示8×4行16×16点阵的汉字，完全可以满足本设计的功能要求。

3 系统软件设计

3.1 下位机数据采集及发射软件设计

下位机部分的软件主要解决两个问题。一是DS18B20检测轮胎温度及温度值的转换处理。二是温度值通过NRF24L01无线传输给上位机。其软件设计流程图如（图2）所示。下位机初始化后，等待上位机的发送数据请求信号。一旦接收到主机的发送请求，下位机将NRF24L01设置为发送模式，将DS18B20采集和处理过的温度值以串行数字信号的形式，传送给上位机的无线芯片。

3.2 上位机温度接收及处理软件设计

上位机根据采集到的温度信息，自主判断当前轮胎状态是否健康安全。同时通过LCD12864实时显示温度，供驾驶员参考。该部分软件设计流程图如图3所示。

上位机首先初始化设置，包括单片机、LCD的设置等。系统准备好后，由NRF24L01通知下位机可以发送温度数据。当检测到下位机的发送数据后，NRF24L01开始接收温度信息，并将其存储在缓存单元。当前温度数据接收完毕后，应答下位机。对接收到的温度值，上位机控制核心送LCD显示。同时比较实测值与设定值的大小，决定是否发送控制信号，采取降温措施。然后系统准备接收下一组温度数据。

具体的降温措施描述如下，本系统共设定了三个温度档位，分别定义为阈值1，阈值2和警戒值。档位值由低到高，分别采取不同的轮胎降温措施。若轮胎的实测温度值小于阈值1，则轮胎温度正常，不需要任何降温处理。若实测温度介于阈值1和阈值2之间，表明目前的轮胎存在一定的安全隐患，上位机自动驱动风扇降低轮胎温度。若风冷降温的速度不能阻挡轮胎温度的持续升高，温度值超过阈值2，则上位机启动喷水器降温。如果风冷降温和水冷降温均不起作用，轮胎温度超过了警戒值，表明轮胎目前处于危险状态，需要停车处理。

4 结语

由于轮胎在工作中处于转动状态，所以设计一款能够无线传输轮胎温度到远程控制器的设备有着重要的意义。特别是监控行驶中的汽车轮胎的实时温度，有很强的实用价值。

本系统以51单片机作为控制核心。下位机由数字温度传感器采集轮胎温度。无线芯片NRF24L01收发温度数据。上位机的控制核心通过LCD12864液晶显示屏实时显示当前的轮胎温度。并且通过预先设定的三个温度预警档位，根据不同温度状态可能导致的安全隐患，采取不同的降温处理措施。该设计能满足大多数轮胎温度的监控需求，成本较低，便于推广（图3）。

参考文献

[1] 刘桂兰，祖国建.机动车辆轮胎的保护控制[J].交通科学与工程，2011（1）：85-88.

[2] 刘洪凯.高速公路爆胎的原因及预防措施[J].汽车运用，2011（11）：35.

[3] 谭先峰.基于无线通信的轮胎温度采集系统研制[D].青岛科技大学，2010.