轮胎压路机自动充气系统的设计

1、装订线毕业设计（论文）报告纸二 一 六 届 毕 业 设 计轮胎压路机自动充气系统的设计学 院：工程机械学院专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：杨拓学 号：201225040531指导教师：陈 疆完成时间：二一六年 月共 页 第 页摘 要 压路机是道路施工中不可缺少的压实设备，其中轮胎压路机应用最为广泛。然而，轮胎压路机轮胎内的气压会在工作一段时间后下降从而导致压路机的接地比压发生变化。因此，在压实过程中，轮胎内的气压需要及时调整。设计开发轮胎压路机自动充气系统可以有效解决轮胎压路机自动充气问题，确保轮胎压路机的接地比压维持在合理的范围之内。本设计首先阐述了轮胎压路机自动充气系统的原理同时选择

2、了充气装置元件；接着介绍了目前轮胎压力监测系统的分类,比较了不同类型轮胎压力监测系统的优点和缺点,并且阐述了各种类型轮胎气压检测系统的工作原理；说明了轮胎气压检测系统中所使用的元器件的选用标准以及几种元器件的性能,并且比较了它们之间的优点和缺点,最后从中进行选择,给出了一种基于MSP430单片机的轮胎气压检测系统的元器件选用方案。根据设计方案,完成了轮胎气压检测系统的硬件设计和软件设计。关键词：轮胎压路机 自动充气系统 传感器 采集 接收共 页 第 页ABSTRACTRoad roller is indispensable compaction equipment in road constr

3、uction.Especially,pneumatic tyre roller is applied most widely.However,the pressurein the tyre roller tires will gradually reduce after working a period of time,which could change the ground pressure.Therefore,in the compaction process,the pressure needs to adjust in timely.Design tyre roller automa

4、tic charging system can effectively solve the problem of tire roller,to ensure that the pressure maintains in a reasonable range.Firstly this design expounded the principle of the pneumatic tyre roller automatic charging system and choose the aeration device components.Then,the paper introduced the

5、classification of the tire pressure monitoring system and expounded the working principle of various types of tire pressure detection system.Next,it illustrated the components which was used in the tire pressure detection system and compared the advantages and disadvantages between them,from which t

6、o choose.Lastly,we elect a tire pressure detection system based on MSP430 single chip components selection scheme.According to the design, we finished the hardware design and software design.Key Words pneumatic tyre roller,automatic charging system,senor,collect,receptor目 录第1章 引言.1 1.1选题背景与意义.1 1.2国

7、内外发展状况.1 1.3本设计主要研究的主要内容.3第二章 自动充气系统的的整体设计.4 2.1设计要求.4 2.2方案设计.6 2.2.1检测系统的方案比较与分析.6 2.2.2无线数据传输技术.8 2.3本章小结.9第三章 自动充气装置的设计.10 3.1轮胎压路机的压实过程.10 3.2自动充气系统工作原理.11 3.3充气系统元件的选择.12 3.4气压自动调整过程.13 3.4.1自动充气过程.13 3.4.2自动放气过程.13 3.5本章小结.14第4章 轮胎气压检测装置设计.15 4.1 检测装置主要器件的选择.15 4.1.1 传感器的选择.15 4.1.2 无线接收装置的选择

8、.17 4.1.3 控制器的选择.18 4.2采集端硬件的设计.20 4.3接收端硬件的设计.24 4.3.1 MC34594射频接收电路设计.24 4.3.2 MSP430单片机电路设计.26 4.4天线的设计.31 4.5本章小结.31第5章 轮胎气压控制系统软件的设计.32 5.1采集端软件的设计.32 5.1.1 采集端工作流程介绍.32 5.1.2 采集端工作流程设计.33 5.2接收端软件的设计.36 5.2.1 接收端工作流程介绍.36 5.2.2 采集端工作流程设计.37 5.3本章小结.39总结和展望.40致谢.41参考文献.42附录1.43附录2.45附录3.46第一章引言

9、1.1 选题背景与意义压路机是道路施工中不可缺少的压实设备，最早出现的是静作用钢轮压路机和振动钢轮压路机。随着施工质量要求的不断提高,尤其是表层质量要求的提高,钢轮压路机用于表层压实存在的一些缺陷就逐步体现出来,如压实不均匀、路面材料被压碎、表层易出现裂纹以及工地转移时钢轮会损坏路面等缺陷。为此,压实机械制造商推出了能克服这些缺陷的轮胎压路机,并很快得到推广,尤其在高等级沥青路面施工得到了广泛应用。轮胎压路机是一中依靠机械自身重量，通过特制的充气轮胎对摊铺层材料以静压力压实作用的压实机械。它的轮胎是由耐热、耐油橡胶制作而成的光面或细花纹工作胎面的可充气轮胎。轮胎压路机利用充气轮胎的特性来对被碾

10、压材料进行压实的机械。它对碾压材料既有垂直作用了，同时还有水平作用力。这些力不仅可以作用于沿机械的横向，而且可以作用于水平方向。压实过程中，材料粒子可以在各个方向上运动，从而获得最大密实度。这些力的作用再加上橡胶轮胎产生的“揉压作用”，进而就可以产生了最好的碾压效果。如果用钢轮压路机对沥青混合料进行碾压，钢轮与沥青混合料的大颗粒接触的地方就会产生“过桥” 现象，压实效果变差。相反，由于轮胎具有柔性，这样就避免了钢轮压路机经常产生裂缝的现象。同时，轮胎压路机还可以增减配重，改变轮胎气压进而调节碾压过程中的接地比压，获得不同程度的压实效果。不同压实工况需要的轮胎气压不同，同时轮胎压路机经过一段时间

11、的工作后，轮胎内的气压下降并导致接地压力发生变化，从而影响压路机压实效果。因此，需要在压路机压实过程中随时对轮胎压力进行检查调节，保证压路机轮胎正常工作气压。设计开发轮胎压路机自动充气系统可以有效解决轮胎压路机充气问题，保证压路机正常的接地比压。改善轮胎压路机的整体性能和提高其市场竞争性。1.2 国内外发展状况1865年国外研制成功以蒸汽机为动力的自行式三轮压路机。1919年，美国 首先研制成功以内燃机为动力的压路机，德国于1940年研制开发了拖式振动压路机，1957年瑞典研制开发了轮胎驱动自行式压路机。20世纪60年代，国外出现了液压振动压路机；70年代，开发了全液压传动、全轮驱动、全轮振动

12、串联振动压路机；80年代，国外大部分压路机为液压传动、全轮驱动、铰接转向和自动控制。1982年，瑞典GeodynamikAB公司设计了首台振荡压路机。国外产品轮胎压路机发展起步比较早，从20世纪80年带到现在，现代化技术已经逐成熟。现代自行式轮胎压路机具有以下特点：（1）采用液力机械传动和液压传动；（2）在机械上设置有轮胎悬挂装置，这样就可以使得每个轮胎的受力均匀；（3）通过应用轮胎自动集中充气调压系统技术，使各轮胎的气压保持稳定，从而保证各轮胎的接地比压一致，压实更均匀；（4）采用压力喷雾洒水装置；（5）发动机功率更大，全新的驱动形式。国内的轮胎压路机发展起始于20世纪80年代初，当时能够生

13、产轮胎压路机的只有徐工等少数生产厂，产品的吨位也很单一。这几年，轮胎压路机和其他压路机一样，制造技术有了长足的进步，设计造型、整机动态结构分析技术、虚拟装配及制造技术也在产品开发过程中得到了应用,压路机的数量，性能和可靠性得到大幅提高，逐渐缩小了与国际先进技术的差距。但是，严格来说，我国目前还处于模仿学习阶段，还没有自己独特的技术。智能控制、检测技术有待提高。随着时代的发展和科学技术的进步,越来越多的用户对产品的性能、更重要的是智能性都提出了更高的要求,如驾驶的舒适性减振好、噪声小、配备空调音响等操作的方便性机控、液控或电控功能的先进性和实用性如集中充气、集中润滑、故障检测报警系统等。因此,压

14、路机的智能化已成为一个发展趋势。轮胎气压的大小是影响轮胎压路机压实性的关键性因素。因此,轮胎气压的调整也就成为轮胎压路机的一个关键技术。目前国内外比较有竞争力的轮胎压路机都装有自动充气系统,可以根据压实状况来调整轮胎的气压大小。不过,这种调整并不能使轮胎气压处于最适合于当前压实状况的最佳状态,而是凭操作人员的工作经验来进行手工调整,这样就会出现压实力不足或过大的问题。1.3 本设计研究的主要内容本设计各章节的主要内容包括：第一章：主要介绍了轮胎压路机自动充气系统国内外发展状况，以及国内外轮胎压路机之间的差距；第二章：轮胎压路机自动充气系统的设计要求，检测系统的分类和工作原理，以及无线数据传输技

15、术的介绍和选择；第三章：阐述轮胎压路机自动充气系统的原理，同时选择充气系统各个气压元件；第四章：介绍以及选择检测装置各个部分器件，对发射端和接收端进行硬件设计；第五章：根据第四章接收端和发射端的功能需求，给出了采集端和接收端的工作流程图,并且设计了采集端和接收端的软件流程图；第六章：总结本设计所做的工作，说明设计的改进之处。62共 页 第 页第2章 自动充气系统的整体设计通过查阅相关文献，总结起来，轮胎压路机自动充气系统主要由三部分组成:（1）自动充气装置，其主要作用是保证轮胎能够顺利的充放气；（2）轮胎气压检测装置，其主要作用是检测轮胎内的气压大小，并将所测的压力进行反馈给控制系统；（3）控

16、制装置，其主要作用是对接收到的气压信息进行分析和判断，进而控制电磁阀，为轮胎的充放气提供信号，同时控制充气装置中压缩机的开关。轮胎压路机自动充气系统其工作过程为：首先，轮胎气压检测系统检测到轮胎气压发生的变化，将所到的信号传送给控制系统；接着，控制系统对气压信息进行分析和判断，得出气压过小或者过大。最后，充气装置在控制系统的控制下，调节电磁阀继电器的开关，为轮胎提供充气或者放气。其原理流程图如图2-1所示：气压检测装置自动充气装置控制装置图2-1 自动充气系统工作原理1. 1设计要求本设计在山推SR16MT型号轮胎压路机的基础上，开发设计了轮胎自动充气系统，其基本性能参数如下：1.轮胎气压：4

17、00800Kpa2.接地比压：200400KPa3.前后轮数量：前4/后54.额定功率/转速（kW/rpm）：93/2200本设计的自动充气系统设计要求如下：（1）为了保证轮胎压路机所有轮胎与地面的接地比压相等和路面的平整度，要求其工作时所有的轮胎气压相等。同时，不同的路面和不同的压实材料所要求的接地比压也不相同。所以充气系统要能够速的充放气，来满足不同施工工况的具体要求；（2）气压系统结构要足够的简化，选取元件时，在满足压力，温度等要求的同时，体积和质量需要尽量小，确保拥有足够的安装空间；（3）轮胎气压检测装置主要用于测量轮胎气压。它的采集端需要埋置在轮胎的内部。因此，要通过无线通信来传递轮

18、胎气压信息，同时系统体积要小。其次，由于轮胎在工作时处于高速旋转状态，所以其必须安装牢靠。此外，还需考虑到发射部分随轮胎转动时金属轮毂对信号的影响。故而，发射器的天线装置设计时需要多加留意，尽量减小外部因素的干扰；（4）采用天线传输信号时，相同发射频率的RF发射器间存在信号干扰问题；（5）为了能够在较短时间内完成充气任务，空气压缩机需要足够大的排气量，储气罐需要足够大的储气量。同时为了保证压路机工作和存放时轮胎的气密性，旋转装置的选择很重要；（6）自动充气系统的响应时间为58s，气压的控制精度为10%；（7）单片机的输入以及输出信号分析。输入信号见表2-1：序数数据信号类型来源1左前轮气压AI

19、压力传感器2右前轮气压AI压力传感器3左后轮气压AI压力传感器4左后轮气压AI压力传感器5气囊气压AI压力表表2-1 输入信号输出信号见表2-2：序号数据信号类型1左前轮电磁阀DO2右前轮电磁阀DO3左后轮电磁阀DO4右后轮电磁阀DO5压缩机DO表2-2 输出信号2.2方案设计2.2.1检测系统的方案比较与分析（1）间接式轮胎气压检测系统间接式轮胎气压检测系统工作原理是当某个轮胎的气压下降时，车辆的重量会使该轮的滚动半径减小，致使其转速比其他车轮更快。为了检测轮胎气，需要对各个轮胎之间的转速进行对比分析。间接式轮胎气压检测系统的本质在于气压检测的过程中压力信号并非由传感器直接给出。常见的为计算

20、式。计算式轮胎气压检测系统是通过汽车系统的速度传感器比较轮胎之间的转速差别，以达到检测轮胎的目的。它具有很强的耐久性、没有无线电波干扰的问题、并且不需要电池，成本低；缺点是不能同时对两个以上轮胎气压状态进行判断,也无法对轮胎气压过高进行判断，同时在凹凸不平的路面不起作用。波形处理及计算气压速度传感器控制中心图2-2 间接式轮胎气压检测原理其工作原理如图2-2所示，在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常熟随轮胎气压的变化而发生变化。首先，对来自车轮上速度传感器产生的速度信号进行处理，求出轮胎的弹簧常数、接着，再依据轮胎气压和弹簧常数的比例关系，就出轮胎气压的大小。最后，气压信号在传入控制中心。（2）直接

21、式轮胎气压检测系统直接式轮胎气压检测系统的工作原理为：首先，安装在每个轮胎里的气压传感器直接测量出轮胎气压的大小；接着，利用无线发射器将气压信息发射出去。最后，无线射频接收器接收到气压信息并将其传送给控制中心，控制中心对数据进行处理分析。它的优点是在轮胎压力过高或是过低时可以及时向车载无线接收器发送信号，同时检测所有轮胎的状况，且对汽车的行驶速度没有要求。它的缺点是容易受到无线电波容易受到干扰，以及使用寿命有限。直接式轮胎气压检测系统传感器按照传感器位置的布置的不同有两种分类：其一是安装在轮胎内部（直接主动式），其二是直接安装在轮胎的气门芯上（机械式）。工作原理图如图2-3所示。发射装置控制中

22、心接收装置压力传感器图2-3 直接式轮胎气压检测原理如今应用更为广泛的是直接主动式，其工作原理分别如图2-4和2-5所示。直接主动式主要由采集端和接收端两部分组成。采集端是利用安装在轮胎里的单片机，将压力传感器测量的气压信号调制后通过无线射频发射器发射出去。接收端是RF接收器将所接收的电波信号解调再传入单片机处理，进而控制电磁阀开关，保证轮胎的正常气压。由于自动充气系统气门芯需要安装气嘴门，所以本设计采用直接主动式轮胎气压检测系统。图2-4 采集端图2-5 接收端2.2.2无线数据传输方案比较与分析 1.蓝牙传输蓝牙是一种可以在短距离进行数据交换的无线技术。现在多应用于移动电话、蓝牙耳机、笔记

23、本电脑以及相关外设等设备之间实现资源共享。任一蓝牙设备可以和另一蓝牙设备之间无需进行任何设置就可以建立联系。蓝牙大多数运行在2.4GHz ISM频段，其中分配了79个调频信道，每个频道为1MHz，且不同的调频频段的设备是不可兼容的。蓝牙系统包括无线电收发器和基带控制器。发射器将基带信号调频发射；接收器解调接收的射频信号。蓝牙技术包括包括以下技术特点：（1）功耗低、体积小，其本来的目的就是便于小型移动设备之间的数据传输，因此必须做到功耗低、体积小的特点；（2）安全性，蓝牙协议为蓝牙连接提供了认证和加密功能，使其不易于被截获，以保证数据的安全性；（3）通信距离短，蓝牙技术的通信距离为10m左右；（

24、4）方便，无需电缆就可以实现设备间数据的快速传输。它是一种可以代替一般电缆的技术。2. 射频传输射频技术是一种常用的无线通信技术。射频是电磁波介于短波与红外线之间的波段，是无线波中最长的波段，它是利用电磁波作为载体来传输信息。其工作频率范围在30MHz3GHz之间。常用的工作频率为915MHz/868MHz/434MHz/315MHz。射频系统由射频发射器和射频接收器组成。发射器将信号调制发射，接收器接收信号并解调。其最大的优点在于无须光学可视就可以同时识别多个射频卡，完成数据传输功能。而且操作方便，无须人工操作就可以完成识别任务且不易损坏等。已经广泛的应用在各个工业领域。3.红外传输红外技术

25、是一种利用红外传输信息的无线通信技术。它是利用950nm波段的红外线作为信息通道来进行信息传输。红外传输系统由发射端和接收端组成。发射端的作用是将二进制的信号调制为脉冲信号然后进行发射。接收端的作用是将接收到的光脉冲信号先转换为电信号再放大、滤波和解调，还原为二进制的信号输出。红外传输具有抗电磁干扰能力强、结构简单、容量大、安全性高、体积小同时价格也比较便宜等优点。但是红外传输容易受到气候的影响，造成红外线信号被吸收和散射。考虑到无线数据传输的工作环境、成本、可靠性和稳定性，选用射频技术作为数据传输传输方式，且工作频率选为434MHz。2.3本章小结本章先简要说明了轮胎压路机自动充气系统的总体

26、设计要求。同时，注重介绍了气压检测系统的分类和工作原理，选择直接式主动式气压检测系统作为检测系统。最后介绍了三种无线数据传输方式，选择射频技术作为数据传输方式。第3章 自动充气装置的设计3.1轮胎压路机的压实过程轮胎压路机对摊铺层的压实作用与光轮压路机有所区别。轮胎压路机装有特定的的充气轮胎，这就使得轮胎与铺层的接触面积为矩形，而光钢轮与铺层接触面积仅仅为一窄条。如图3-1所示，充气轮胎和光钢轮工作时铺层的压应力分布。图3-1 钢轮（左）和轮胎（右）应力分布图从图中可以看出，当钢轮压路机沿着箭头所指的方向运动时，摊铺层的压力是从接触点1开始增加的，然后到达最大点2，再慢慢递减到接触点3；而当充

27、气轮胎进行碾压时，铺层表面的压实力很快到达最大值，但由于接触点1和4,发生了弹性形变，在角范围内一直存有高应力，其作用时间随轮胎压路机的工作重量，轮胎种类，和轮胎尺寸以及碾压速度有关系。因此，在相同的碾压速度下，轮胎压路机要比钢轮压路机处于高应力状持续更久的时间，同时再加上充气轮胎特有的揉压作用，在短的时间内，对粘性材料有更好的碾压效果。由于充气轮胎与铺压层表面的接触面大，因此压应力分布更加均匀。改变轮胎内的气压，可以限制铺层所受到的最大压应力，从而提高压实效果，在相同的重量下，轮胎压路机的最大压应力比光轮压路机要小的多，铺层表面承受的作用力更小，保证了下层材料得到较好的压实。路面的压实效果与

28、轮胎的尺寸有密切的关系，通过减小轮胎的直径或者轮胎的宽度都使得接触面积减小，轮胎与铺层之间的压力增加，压实深度也随之增加。当轮胎压路机轮胎内的气压减小时，轮胎的变形增加，相应的接触面积增加，轮胎与铺层的压力减小，这相当于增加了轮胎的直径。轮胎气压增加时，正好相反。这也就是轮胎压路机为什么可以通过气压来调剂压实效果的原因所在。不同的路面，铺层不相同，所需要的碾压力的大小也就不相同，因此需要根据具体施工情况来及时调整轮胎气压。3.2充气系统工作原理轮胎压路机充气系统由空气压缩机、气罐、过滤器、单向阀、调压阀、溢流阀、三位四通电磁阀、旋转接头、胶管和气嘴门等组成。1-空气压缩机，2-储气罐，3-安全

29、阀4-分水过滤器，5-单向阀，6-调压阀，7、8、9、10-三位四通电磁阀图3-2 充气系统示意图充气系统示意图如图3-2所示，空气压缩机产生的气体首先储存在储气罐里，当电磁阀打开时，气体经过分水过滤器、单向阀、调压阀、电磁阀最后进入轮胎。由于轮胎压路机轮胎布置方式为前四后五，所以压路机前后轮胎分别采用如图所示的连接方式，这样不但可以提高充气系统的效率缩短充气时间，同时也可以使所有压路机轮胎具有相同的接地比压，保证碾压层的平整性和密实性。压力传感器单片机轮胎充气/放气电磁阀气压设定值图3-3 自动充气工作原理自动充气原理可以总结为：压力传感器采集到的气压信号先传送给单片机，单片将机气压值与设定

30、值进行对比分析，形成压力反馈，同时对电磁阀产生控制信号，通过控制电磁阀的开关，实现轮胎气压自动调节功能。如图3-3所示。3.3气压元件的选择从自动充气系统的性能指标可以看出,该系统对气压控制的精度要求并不高,无需准确控制气体流量,只要将轮胎气压控制在一定范围内即可,因此没有必要选用气压控制系统中通常使用的比例阀或伺服阀,采用一般的电磁阀即可达到控制要求。这样,不仅简化了整个系统结构,易于控制,同时又大大降低了产品成本,提高了整机的性价比,增强了与同类产品的市场竞争力。（1）压缩机压缩机要满足压力需求的同时要体积小、质量轻等特点，故选择Z-0.03/7风冷式空气压缩机。其额定排气量压力0.7MP

31、a，额定排气量为0.03m³·min储气罐容积为0.03m³，整体重量为65kg。（2）分水滤气器分水滤气器要满足压力最大限度的同时要分水效果好、体积小等特点，故选择QL1型号。其最高工作压力为1MPa，分水效率为98%，公称通径为8mm。（3）调压阀调压阀要满足压力范围的同时还需要调节范围大，所以选择QP直动式减压阀。其最高压力为1MPa,调压范围为0.050.8MPa，公称通径为8mm。（4）安全阀安全阀根据工作压力选择PQ-L8型号。工作压力为0.71MPa，关闭压力0.01MPa，公称通径为8mm。（5）三位四通电磁阀三位四通电磁阀根据工作压力选择4HV2

32、30-06型号。其工作压力为01MPa，公称通径为8mm。（6）单向阀单向阀根据工作压力和工作环境选择KXA-L8型号。其工作压力为0.10.8MPa公称通径为8mm。3.4轮胎气压自动调整过程首先，为了使气压控制元件和传感器在正常的工作范围内，保证为元器件所提供的气体足够清洁和干燥，空气压缩机所产生的高温高压气体必须首先经过分水过滤器进行降温处理并除去大部分水分。由轮胎压路机自动充气系统的组成及工作原理，轮胎气压的自动调整过程如下。3.4.1自动充气过程当轮胎气压符合设定的压力值时，三位四通电磁阀处于中间位置，当轮胎气压低于设定的压力值时，控制电磁阀使其处于左边位置，压缩气体经过单向阀、调压

33、阀、电磁阀进入轮胎，给轮胎充气。当到达气压要求值时，电磁阀回到中间位置，停止向轮胎充气。3.4.2自动放气过程当轮胎气压高于设定的压力值时，控制电磁阀使其处于右位边置，轮胎气体通过电磁阀开始放气。当轮胎压力降到要求值时，电磁阀回到中路位置，轮胎停止放气。压路机轮胎气压自动控制程序后续章节具体说明。3.5本章小结本章主要对轮胎压路机压实过程、自动充/放气原理以及自动充/放气过程进行了简要介绍和分析。同时也选取了部分充气系统元件型号包括空气压缩机、分水滤气器、安全阀、减压阀、电磁阀和单向阀等。第四章 轮胎气压检测装置设计4.1 检测装置主要器件的选择气压检测装置主要由传感器、射频发射器、射频接收器

34、、微控制器、和天线等组成。现在对各个部分进行介绍和选取。4.1.1传感器的选择轮胎压力传感器集成了压力传感器、温度传感器、电池电压检测、内部时钟等组件。压力传感器按工作原理主要分为电容式压力传感器，如F飞思卡尔公司生产的MPXY8020和MPXY8300等，硅压阻式压力传感器，如摩托罗拉公司生产的MPX5700和英飞凌公司生产的SP12、SP37，和谐振式微型压力传感器。电容式压力传感器的工作原理是将压力的变化通过一个可变电容器转化为电容的变化量，其压力的大小是通过电容量的变化来判断出来的。电容式压力传感器结构简单、灵敏度高、体积小、分辨率高，动态响应时间小和不易受外部环境影响等优点。影响电容

35、式压力传感器的主要因素是传感器电容板并联的寄生电容的影响和温度对传感器结构尺寸的影响。压阻式压力传感器是利用固体压阻效应（固体受到外力的作用后，其电阻或者电阻率的大小也随之发生变化的现象称为压阻效应。）制作成的一种测量装置，其工作原理总结如下：（1）首先，压敏电阻和压力敏感膜片集成为一体。（2）接着，敏感膜片受到压力的作用而发生变形。（3）同时，压敏电阻的变化直接对应敏感膜片的变形，间接测量出被测压力。（4）最后，压敏电阻的变化值可以通过电桥电路进行测量。压阻式传感器的优点是制作工艺简单、线性度高、体积小、高分辨可直接输出电压信号等特性。影响压阻式压力传感的原因主要是环境温度对半导体材料的有很

36、多的影响，导致其工作稳定性比较差，其灵敏度较低，不适合在超低下工作测量。谐振式压力传感器可分为两种。一种是直接利用振动膜结构，谐振频率依赖于膜片上的压力差。另一种是在膜片上制作振动结构，上下表面的压力差导致膜片翘曲，振动结构的谐振频率也随膜片的压力变化。谐振式压力传感器的优点是可以精度高、输出直接为数字信号、抗干扰能力强等。它的缺点是制作工艺复杂、成本高，同时会出现机械耦合问题。传感器是检测系统中非常关键的器件，所以选取时应注意以下问题：（1） 符合压力的检测范围；（2） 满足-40120使用范围；（3） 高精度、低功率的要求；在这里，首先比较几种传感器的性能和特点，并进行合适的选择。1.英飞

37、凌的SP系列传感器。以SP37为例，SP37是基于英飞凌大部分专利而设计开发的高度集成化的微型传感器。其具有轮胎压力检测系统所需大部分设备，包含传感器、单片机射频发射器。SP37传感器只需要几个外部组件就可以完成检测系统，其测量精度高，可在恶劣环境中正常工作，也拥有众多嵌入式固态功能和开发工具包，开发周期短。它的主要参数为：（1）压力检测范围为100kPa900kPa；（2）内部自带8051单片机；（3）315/434Hz射频发射器；（4）电源电压范围1.93.6V；（5）工作温度-40120；（6）待机电流（0.7uA）；（7）同时集成6K字节FLASH。2. 美国摩托罗拉公司生产的单片集成

38、硅压力传感器MPX5700，其内部有压力信号调理器、压力修正电路和薄膜温度补偿器。其输出为模拟信号，需配带A/D转换器的微控制器，构成压力检测系统。Uo输出端、Us、GND分别为电源端和公共接地端。内部由三部分组成：（1）压敏电阻组成的传感器单元；（2）第一级电路放大器和经过激光修正的薄膜温度补偿器；（3）第二级放大器和模拟电压输出电路。其测量精度高，预热时间短，响应速度快，可靠性高，过载能力强。由于内部以真空作为参考压力，所以适合测量绝对压力。主要参数：（1）电压+4.85+5.35；（2）工作温度080；（3）最大误差率不超过1.8%；（4）长期稳定度0.5%；（5）允许过载348%满量程

39、；（6）测试范围0700kPa。3. MPXY8300传感器是飞思卡尔公司将一个压力传感器、一个温度传感器、一个8位微控制器、一个RF发射器和一个双轴加速器集成到同一芯片上而开发出专门检测轮胎气压的系统级传感器。这样，使的传感器满足体积更小、重量更轻和功耗更低的要求。主要参数：（1）压力测量范围：100450kPa或100800kPa可选；（2）测量精度±7kPa；（3）工作温度-40+125（4）内核控制器：512字节RAM；（5）同时集成8K字节FLASH；（6）315/434Hz射频发射器；（7）具有内部PWU定时器可定时唤醒MCU；（8）ASK或FSK调制功能，曼彻斯特数据编

40、码功能；经过分析，最终决定选用飞思卡尔公司开发的MPXY8300传感器。原因有：（1）工作压力符合要求；（2）由于工作环境恶劣，采用电容式压力传感器比硅压阻式压力传感器性能更加稳定，减少系统误差；（2）内部自带微控制器和RF频射发射装置，发射端设计更加简单和方便。4.1.2无线接收装置的选择无线接收器其主要作用是接收来自发射器的信号，它的性能决定着自动充气系统的可靠性。其性能指标有：（1）灵敏度，在满足一定误码率性能条件下接收器 输入端所需要的最小信号电平，它与信号类型有关；（2）选择性，描述接收相邻信道频率的抑制能力，要就是两个信号不能同时进入接收器；（3）频率稳定度，用来描述接收器的本振信

41、号频率的稳定度，它会对接收器中信号频率的质量产生影响；（4）交调抑制，接收器会产生双频交调失真的现象，一般要求交调抑制在60dB以上。在这里首先比较几款RF射频接收器，对它们性能进行分析比较，并进行选择。1.MAX7033是一个完全集成的低功率CMOS超外差接收器。它由LNA、差分镜像抑制混频器、PLL、VCO、AGC、模拟系带数据信号回复电路等组成。其主要工作参数如下：（1）灵敏度范围为-114-120dBm；（2）工作电压为+3.3V+5.0V；（3）启动时间为250us；（4）低功率电流为3.5uA；（5）工作温度为-40+105；（6）调频范围450300MHzASK信号。2.MC33

42、594是一个用于数据传输的单片集成接收器。它由660kHz中频带通滤波器，完全集成的VCO、混频器、曼彻斯特编码时钟和完整的SPI接口组成。不需要过多的外部元件和射频调剂，就可以实现发射功能。其主要工作参数如下：（1）其灵敏度为-105dBm；（2）数据速率为111kbaud；（3）工作电流为5mA；（4）启动时间为1ms；（5）工作频率为315MHz/434MHz；（6）具有OOK和FSK解调、也可以识别文字和音频。3.TDA5200是一种低功率单片集成接收器。它由低噪声放大器（LNA）、双平衡混频器、完全集成VCO、晶体振荡器、信号发射器、数据比较器和峰值检波器组成。同时它具有断电功能已节

43、省电池电量。其基本参数如下：（1）电源电压范围为4.55.5V；（2）灵敏度为-107dBm；（3）可选调频范围433435MHz或868870MHz ASK信号；（4）工作电流为4.6mA（434MHz）。最后经过对比分析选择MC33594发射器。其不需要更多的外界设备，工作电压低，启动迅速，性价比。4.1.3控制器的选择控制器的核心部分为单片机。单片机是由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、FLASH等）和各种输入、输出接口组成。其主要特点为：（1）体积小、成本低，易于在各种嵌入式系统中使用；（2）具有很强的实时控制功能，单片机通过I/O接口结合不同类型的传感器，可以实现电压、温度

44、、功率、角度、压力等物理量的实时测量和处理。（3）具有很强的抗干扰能力，环境要求不高，适应温度范围宽，并且运行可靠。（4）简单方便，易于开发设计。因此，单片机以及广泛的应用在各个工业领域。选择单片机时主要考虑几下几点：（1）在选择时尽可能采用功能更加强大的单片机，方便以后系统的升级换代；（2）对RAM空间、ROM空间、I/O端口和A/D转换器等方面要留有余地。（3）尽可能减少硬件设备，运用软件编程实现电路功能。这样不但可以减少硬件成本，同时可以减少硬件空间和系统故障率。（4）选择时，首先要对控制信号的类型进行区别。模拟量和开关量对输入/输出通道需求是不同的，对于模拟量A/D转换器芯片是主要组成

45、部分。对于开关量输入需要考虑到隔离问题，输出要考虑驱动问题。从上世纪80年代开始，单片机得到了长足发展，种类更加丰富，性能更加优越。目前比较著名的单片机生产厂商和主要机型如下：（1） 英特尔公司的8051系列单片机，8051类单片机主要由爱特美尔、三星和华邦等公司改良更新，运行速度更快，电源电压的动态范围更广，价格更低。（2） 艾特美尔公司的AVR系列单片机，艾特美尔利用Flash技术研发出精简指令系统的高速8位单片机，且与8051系列单片机相兼容。其可靠性更高，运行速度更快。（3） 德州仪器公司的MSP430系列单片机，MSP430系列单片机美国德州仪器公司推出的一种16位超低功耗的混合信号

46、处理器。它的处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗。由于需要单片机超长的持续工作时间，所以选用超低功耗的MSP430系列单片机，其性能符合要求，并且性价比高，降低了系统的成本。它的工作模式可以通过设置状态寄存器中的SCG1、SCG2、OSCFF、CPUOFF位来控制。 6 种操作模式、控制位及时钟状态见表4-1。表4-1 MSP430操作模式活动模式AMSCG1=0；SCG0=0OSCOFF=0；CPUOFF=0CPU处于活动状态；MCLK活动；SMCLK活动；ACLK活动。低功耗模式0SCG1=0；SCG0=0OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止状态；MCLK被禁

47、止状态；SMCLK活动；ACLK活动。低功耗模式1SCG1=0；SCG0=1OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止状态，如果DOC未作用MCLK则DOC直流发生器被禁止；MCLK被禁止状态；SMCLK活动；ACLK活动。低功耗模式2SCG1=1；SCG0=0OSCOFF=0CPUOFF=1CPU被禁止状态；如果DOC未作用MCLK则DOC被禁止；MCLK被禁止；SMCLK被禁止；ACLK活动。低功耗模式3SCG1=1；SCG0=1OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止状态；DOC被禁止，直流发生器被禁止；MCLK被禁止；SMCLK被禁止；ACLK活动。低功耗模式4SCG1=1；

48、SCG0=1OSCOFF=1；CPUOFF=1CPU被禁止；MCLK被禁止；SMCLK被禁止；ACLK被禁止。4.2采集端硬件系统的设计采集端主要由压力传感器、微控制器、RF射频发射器、天线以及电池5个部分组成。由于采集端工作在高速旋转的轮胎内部，其工作环境比较恶劣。所以，要稳定可靠工作5年以上，关键技术是射频通讯可靠性、天线性能优化和保证低功耗。MPXY8300传感器是飞思卡尔公司将一个压力和温度传感器、一个8位微控制器、一个RF发射器和一个双轴加速器集成到同一芯片上而开发出专门轮胎气压检测的系统级传感器。这样，使的传感器满足体积更小、重量更轻和功耗更低的要求。基本参数：（1）压力测量范围：

49、100-450kPa或100-800kPa可选；（2）测量精度±7kPa；（3）工作温度：-40+125（4）内核控制器：512字节RAM；（5）同时集成8K字节FLASH；（5）具有内部PWU定时器可定时唤醒MCU。（6）内部315/434MHzRF发射器。RF调制模式ASK/FSK调制可选。 其引脚图如下图4-4所示：图4-4 8300引脚各个引脚功能见下表4-2：表4-2 8300引脚功能引脚序号说明VDD16数字电路电源正极VSS17数字电路接地AVDD10模拟电路电源正极AVSS9模拟电路接地VCAP8用在RFX生成高于VDD电压时VRF7VRF 管脚为RFX提供电源输出电

50、压，并应通过电感连接到RF管脚RVSS5RF输出放大器中的功率应通过RVSS 管脚返回电源RF6RF管脚是器件供应给外部天线的RF数据XO4为RF管脚提供载频和数据速率XI3为RF管脚提供载频和数据速率PTA015作为LF线圈低电平信号的差分输入通道PTA114作为LF线圈低电平信号的差分输入通道PTA213通用I/O管脚PTA312通用I/O管脚PTA51通用I/O管脚PTA62通用I/O管脚BKGD18器件置入后台调试模式RESER11用于测试和建立BDM条采集端电路图如图4-5所示：图4-5 采集端电路图4.3.接收端硬件电路的设计4.3.1 MC33594电路的设计MC33594是一个用于数据传输的单片集成