輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的設計

1、裝訂線畢業(yè)設計（論文）報告紙二 一 六 屆 畢 業(yè) 設 計輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的設計學 院：工程機械學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化姓 名：楊拓學 號：201225040531指導教師：陳 疆完成時間：二一六年 月共 頁 第 頁摘 要 壓路機是道路施工中不可缺少的壓實設備，其中輪胎壓路機應用最為廣泛。然而，輪胎壓路機輪胎內(nèi)的氣壓會在工作一段時間后下降從而導致壓路機的接地比壓發(fā)生變化。因此，在壓實過程中，輪胎內(nèi)的氣壓需要及時調(diào)整。設計開發(fā)輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)可以有效解決輪胎壓路機自動充氣問題，確保輪胎壓路機的接地比壓維持在合理的范圍之內(nèi)。本設計首先闡述了輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的原理同時選擇

2、了充氣裝置元件；接著介紹了目前輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的分類,比較了不同類型輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點,并且闡述了各種類型輪胎氣壓檢測系統(tǒng)的工作原理；說明了輪胎氣壓檢測系統(tǒng)中所使用的元器件的選用標準以及幾種元器件的性能,并且比較了它們之間的優(yōu)點和缺點,最后從中進行選擇,給出了一種基于MSP430單片機的輪胎氣壓檢測系統(tǒng)的元器件選用方案。根據(jù)設計方案,完成了輪胎氣壓檢測系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。關鍵詞：輪胎壓路機 自動充氣系統(tǒng) 傳感器 采集 接收共 頁 第 頁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 錄第1章 引言.1 1.1選題背景與意義.1 1.2國

7、內(nèi)外發(fā)展狀況.1 1.3本設計主要研究的主要內(nèi)容.3第二章 自動充氣系統(tǒng)的的整體設計.4 2.1設計要求.4 2.2方案設計.6 2.2.1檢測系統(tǒng)的方案比較與分析.6 2.2.2無線數(shù)據(jù)傳輸技術.8 2.3本章小結(jié).9第三章 自動充氣裝置的設計.10 3.1輪胎壓路機的壓實過程.10 3.2自動充氣系統(tǒng)工作原理.11 3.3充氣系統(tǒng)元件的選擇.12 3.4氣壓自動調(diào)整過程.13 3.4.1自動充氣過程.13 3.4.2自動放氣過程.13 3.5本章小結(jié).14第4章 輪胎氣壓檢測裝置設計.15 4.1 檢測裝置主要器件的選擇.15 4.1.1 傳感器的選擇.15 4.1.2 無線接收裝置的選擇

8、.17 4.1.3 控制器的選擇.18 4.2采集端硬件的設計.20 4.3接收端硬件的設計.24 4.3.1 MC34594射頻接收電路設計.24 4.3.2 MSP430單片機電路設計.26 4.4天線的設計.31 4.5本章小結(jié).31第5章 輪胎氣壓控制系統(tǒng)軟件的設計.32 5.1采集端軟件的設計.32 5.1.1 采集端工作流程介紹.32 5.1.2 采集端工作流程設計.33 5.2接收端軟件的設計.36 5.2.1 接收端工作流程介紹.36 5.2.2 采集端工作流程設計.37 5.3本章小結(jié).39總結(jié)和展望.40致謝.41參考文獻.42附錄1.43附錄2.45附錄3.46第一章引言

9、1.1 選題背景與意義壓路機是道路施工中不可缺少的壓實設備，最早出現(xiàn)的是靜作用鋼輪壓路機和振動鋼輪壓路機。隨著施工質(zhì)量要求的不斷提高,尤其是表層質(zhì)量要求的提高,鋼輪壓路機用于表層壓實存在的一些缺陷就逐步體現(xiàn)出來,如壓實不均勻、路面材料被壓碎、表層易出現(xiàn)裂紋以及工地轉(zhuǎn)移時鋼輪會損壞路面等缺陷。為此,壓實機械制造商推出了能克服這些缺陷的輪胎壓路機,并很快得到推廣,尤其在高等級瀝青路面施工得到了廣泛應用。輪胎壓路機是一中依靠機械自身重量，通過特制的充氣輪胎對攤鋪層材料以靜壓力壓實作用的壓實機械。它的輪胎是由耐熱、耐油橡膠制作而成的光面或細花紋工作胎面的可充氣輪胎。輪胎壓路機利用充氣輪胎的特性來對被碾

10、壓材料進行壓實的機械。它對碾壓材料既有垂直作用了，同時還有水平作用力。這些力不僅可以作用于沿機械的橫向，而且可以作用于水平方向。壓實過程中，材料粒子可以在各個方向上運動，從而獲得最大密實度。這些力的作用再加上橡膠輪胎產(chǎn)生的“揉壓作用”，進而就可以產(chǎn)生了最好的碾壓效果。如果用鋼輪壓路機對瀝青混合料進行碾壓，鋼輪與瀝青混合料的大顆粒接觸的地方就會產(chǎn)生“過橋” 現(xiàn)象，壓實效果變差。相反，由于輪胎具有柔性，這樣就避免了鋼輪壓路機經(jīng)常產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象。同時，輪胎壓路機還可以增減配重，改變輪胎氣壓進而調(diào)節(jié)碾壓過程中的接地比壓，獲得不同程度的壓實效果。不同壓實工況需要的輪胎氣壓不同，同時輪胎壓路機經(jīng)過一段時間

11、的工作后，輪胎內(nèi)的氣壓下降并導致接地壓力發(fā)生變化，從而影響壓路機壓實效果。因此，需要在壓路機壓實過程中隨時對輪胎壓力進行檢查調(diào)節(jié)，保證壓路機輪胎正常工作氣壓。設計開發(fā)輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)可以有效解決輪胎壓路機充氣問題，保證壓路機正常的接地比壓。改善輪胎壓路機的整體性能和提高其市場競爭性。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況1865年國外研制成功以蒸汽機為動力的自行式三輪壓路機。1919年，美國 首先研制成功以內(nèi)燃機為動力的壓路機，德國于1940年研制開發(fā)了拖式振動壓路機，1957年瑞典研制開發(fā)了輪胎驅(qū)動自行式壓路機。20世紀60年代，國外出現(xiàn)了液壓振動壓路機；70年代，開發(fā)了全液壓傳動、全輪驅(qū)動、全輪振動

12、串聯(lián)振動壓路機；80年代，國外大部分壓路機為液壓傳動、全輪驅(qū)動、鉸接轉(zhuǎn)向和自動控制。1982年，瑞典GeodynamikAB公司設計了首臺振蕩壓路機。國外產(chǎn)品輪胎壓路機發(fā)展起步比較早，從20世紀80年帶到現(xiàn)在，現(xiàn)代化技術已經(jīng)逐成熟。現(xiàn)代自行式輪胎壓路機具有以下特點：（1）采用液力機械傳動和液壓傳動；（2）在機械上設置有輪胎懸掛裝置，這樣就可以使得每個輪胎的受力均勻；（3）通過應用輪胎自動集中充氣調(diào)壓系統(tǒng)技術，使各輪胎的氣壓保持穩(wěn)定，從而保證各輪胎的接地比壓一致，壓實更均勻；（4）采用壓力噴霧灑水裝置；（5）發(fā)動機功率更大，全新的驅(qū)動形式。國內(nèi)的輪胎壓路機發(fā)展起始于20世紀80年代初，當時能夠生

13、產(chǎn)輪胎壓路機的只有徐工等少數(shù)生產(chǎn)廠，產(chǎn)品的噸位也很單一。這幾年，輪胎壓路機和其他壓路機一樣，制造技術有了長足的進步，設計造型、整機動態(tài)結(jié)構(gòu)分析技術、虛擬裝配及制造技術也在產(chǎn)品開發(fā)過程中得到了應用,壓路機的數(shù)量，性能和可靠性得到大幅提高，逐漸縮小了與國際先進技術的差距。但是，嚴格來說，我國目前還處于模仿學習階段，還沒有自己獨特的技術。智能控制、檢測技術有待提高。隨著時代的發(fā)展和科學技術的進步,越來越多的用戶對產(chǎn)品的性能、更重要的是智能性都提出了更高的要求,如駕駛的舒適性減振好、噪聲小、配備空調(diào)音響等操作的方便性機控、液控或電控功能的先進性和實用性如集中充氣、集中潤滑、故障檢測報警系統(tǒng)等。因此,壓

14、路機的智能化已成為一個發(fā)展趨勢。輪胎氣壓的大小是影響輪胎壓路機壓實性的關鍵性因素。因此,輪胎氣壓的調(diào)整也就成為輪胎壓路機的一個關鍵技術。目前國內(nèi)外比較有競爭力的輪胎壓路機都裝有自動充氣系統(tǒng),可以根據(jù)壓實狀況來調(diào)整輪胎的氣壓大小。不過,這種調(diào)整并不能使輪胎氣壓處于最適合于當前壓實狀況的最佳狀態(tài),而是憑操作人員的工作經(jīng)驗來進行手工調(diào)整,這樣就會出現(xiàn)壓實力不足或過大的問題。1.3 本設計研究的主要內(nèi)容本設計各章節(jié)的主要內(nèi)容包括：第一章：主要介紹了輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展狀況，以及國內(nèi)外輪胎壓路機之間的差距；第二章：輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的設計要求，檢測系統(tǒng)的分類和工作原理，以及無線數(shù)據(jù)傳輸技

15、術的介紹和選擇；第三章：闡述輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的原理，同時選擇充氣系統(tǒng)各個氣壓元件；第四章：介紹以及選擇檢測裝置各個部分器件，對發(fā)射端和接收端進行硬件設計；第五章：根據(jù)第四章接收端和發(fā)射端的功能需求，給出了采集端和接收端的工作流程圖,并且設計了采集端和接收端的軟件流程圖；第六章：總結(jié)本設計所做的工作，說明設計的改進之處。62共 頁 第 頁第2章 自動充氣系統(tǒng)的整體設計通過查閱相關文獻，總結(jié)起來，輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)主要由三部分組成:（1）自動充氣裝置，其主要作用是保證輪胎能夠順利的充放氣；（2）輪胎氣壓檢測裝置，其主要作用是檢測輪胎內(nèi)的氣壓大小，并將所測的壓力進行反饋給控制系統(tǒng)；（3）控

16、制裝置，其主要作用是對接收到的氣壓信息進行分析和判斷，進而控制電磁閥，為輪胎的充放氣提供信號，同時控制充氣裝置中壓縮機的開關。輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)其工作過程為：首先，輪胎氣壓檢測系統(tǒng)檢測到輪胎氣壓發(fā)生的變化，將所到的信號傳送給控制系統(tǒng)；接著，控制系統(tǒng)對氣壓信息進行分析和判斷，得出氣壓過小或者過大。最后，充氣裝置在控制系統(tǒng)的控制下，調(diào)節(jié)電磁閥繼電器的開關，為輪胎提供充氣或者放氣。其原理流程圖如圖2-1所示：氣壓檢測裝置自動充氣裝置控制裝置圖2-1 自動充氣系統(tǒng)工作原理1. 1設計要求本設計在山推SR16MT型號輪胎壓路機的基礎上，開發(fā)設計了輪胎自動充氣系統(tǒng)，其基本性能參數(shù)如下：1.輪胎氣壓：4

17、00800Kpa2.接地比壓：200400KPa3.前后輪數(shù)量：前4/后54.額定功率/轉(zhuǎn)速（kW/rpm）：93/2200本設計的自動充氣系統(tǒng)設計要求如下：（1）為了保證輪胎壓路機所有輪胎與地面的接地比壓相等和路面的平整度，要求其工作時所有的輪胎氣壓相等。同時，不同的路面和不同的壓實材料所要求的接地比壓也不相同。所以充氣系統(tǒng)要能夠速的充放氣，來滿足不同施工工況的具體要求；（2）氣壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要足夠的簡化，選取元件時，在滿足壓力，溫度等要求的同時，體積和質(zhì)量需要盡量小，確保擁有足夠的安裝空間；（3）輪胎氣壓檢測裝置主要用于測量輪胎氣壓。它的采集端需要埋置在輪胎的內(nèi)部。因此，要通過無線通信來傳遞輪

18、胎氣壓信息，同時系統(tǒng)體積要小。其次，由于輪胎在工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以其必須安裝牢靠。此外，還需考慮到發(fā)射部分隨輪胎轉(zhuǎn)動時金屬輪轂對信號的影響。故而，發(fā)射器的天線裝置設計時需要多加留意，盡量減小外部因素的干擾；（4）采用天線傳輸信號時，相同發(fā)射頻率的RF發(fā)射器間存在信號干擾問題；（5）為了能夠在較短時間內(nèi)完成充氣任務，空氣壓縮機需要足夠大的排氣量，儲氣罐需要足夠大的儲氣量。同時為了保證壓路機工作和存放時輪胎的氣密性，旋轉(zhuǎn)裝置的選擇很重要；（6）自動充氣系統(tǒng)的響應時間為58s，氣壓的控制精度為10%；（7）單片機的輸入以及輸出信號分析。輸入信號見表2-1：序數(shù)數(shù)據(jù)信號類型來源1左前輪氣壓AI

19、壓力傳感器2右前輪氣壓AI壓力傳感器3左后輪氣壓AI壓力傳感器4左后輪氣壓AI壓力傳感器5氣囊氣壓AI壓力表表2-1 輸入信號輸出信號見表2-2：序號數(shù)據(jù)信號類型1左前輪電磁閥DO2右前輪電磁閥DO3左后輪電磁閥DO4右后輪電磁閥DO5壓縮機DO表2-2 輸出信號2.2方案設計2.2.1檢測系統(tǒng)的方案比較與分析（1）間接式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)間接式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)工作原理是當某個輪胎的氣壓下降時，車輛的重量會使該輪的滾動半徑減小，致使其轉(zhuǎn)速比其他車輪更快。為了檢測輪胎氣，需要對各個輪胎之間的轉(zhuǎn)速進行對比分析。間接式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)的本質(zhì)在于氣壓檢測的過程中壓力信號并非由傳感器直接給出。常見的為計算

20、式。計算式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)是通過汽車系統(tǒng)的速度傳感器比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到檢測輪胎的目的。它具有很強的耐久性、沒有無線電波干擾的問題、并且不需要電池，成本低；缺點是不能同時對兩個以上輪胎氣壓狀態(tài)進行判斷,也無法對輪胎氣壓過高進行判斷，同時在凹凸不平的路面不起作用。波形處理及計算氣壓速度傳感器控制中心圖2-2 間接式輪胎氣壓檢測原理其工作原理如圖2-2所示，在汽車行駛過程中，輪胎的彈簧常熟隨輪胎氣壓的變化而發(fā)生變化。首先，對來自車輪上速度傳感器產(chǎn)生的速度信號進行處理，求出輪胎的彈簧常數(shù)、接著，再依據(jù)輪胎氣壓和彈簧常數(shù)的比例關系，就出輪胎氣壓的大小。最后，氣壓信號在傳入控制中心。（2）直接

21、式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)直接式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)的工作原理為：首先，安裝在每個輪胎里的氣壓傳感器直接測量出輪胎氣壓的大小；接著，利用無線發(fā)射器將氣壓信息發(fā)射出去。最后，無線射頻接收器接收到氣壓信息并將其傳送給控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進行處理分析。它的優(yōu)點是在輪胎壓力過高或是過低時可以及時向車載無線接收器發(fā)送信號，同時檢測所有輪胎的狀況，且對汽車的行駛速度沒有要求。它的缺點是容易受到無線電波容易受到干擾，以及使用壽命有限。直接式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)傳感器按照傳感器位置的布置的不同有兩種分類：其一是安裝在輪胎內(nèi)部（直接主動式），其二是直接安裝在輪胎的氣門芯上（機械式）。工作原理圖如圖2-3所示。發(fā)射裝置控制中

22、心接收裝置壓力傳感器圖2-3 直接式輪胎氣壓檢測原理如今應用更為廣泛的是直接主動式，其工作原理分別如圖2-4和2-5所示。直接主動式主要由采集端和接收端兩部分組成。采集端是利用安裝在輪胎里的單片機，將壓力傳感器測量的氣壓信號調(diào)制后通過無線射頻發(fā)射器發(fā)射出去。接收端是RF接收器將所接收的電波信號解調(diào)再傳入單片機處理，進而控制電磁閥開關，保證輪胎的正常氣壓。由于自動充氣系統(tǒng)氣門芯需要安裝氣嘴門，所以本設計采用直接主動式輪胎氣壓檢測系統(tǒng)。圖2-4 采集端圖2-5 接收端2.2.2無線數(shù)據(jù)傳輸方案比較與分析 1.藍牙傳輸藍牙是一種可以在短距離進行數(shù)據(jù)交換的無線技術。現(xiàn)在多應用于移動電話、藍牙耳機、筆記

23、本電腦以及相關外設等設備之間實現(xiàn)資源共享。任一藍牙設備可以和另一藍牙設備之間無需進行任何設置就可以建立聯(lián)系。藍牙大多數(shù)運行在2.4GHz ISM頻段，其中分配了79個調(diào)頻信道，每個頻道為1MHz，且不同的調(diào)頻頻段的設備是不可兼容的。藍牙系統(tǒng)包括無線電收發(fā)器和基帶控制器。發(fā)射器將基帶信號調(diào)頻發(fā)射；接收器解調(diào)接收的射頻信號。藍牙技術包括包括以下技術特點：（1）功耗低、體積小，其本來的目的就是便于小型移動設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此必須做到功耗低、體積小的特點；（2）安全性，藍牙協(xié)議為藍牙連接提供了認證和加密功能，使其不易于被截獲，以保證數(shù)據(jù)的安全性；（3）通信距離短，藍牙技術的通信距離為10m左右；（

24、4）方便，無需電纜就可以實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)的快速傳輸。它是一種可以代替一般電纜的技術。2. 射頻傳輸射頻技術是一種常用的無線通信技術。射頻是電磁波介于短波與紅外線之間的波段，是無線波中最長的波段，它是利用電磁波作為載體來傳輸信息。其工作頻率范圍在30MHz3GHz之間。常用的工作頻率為915MHz/868MHz/434MHz/315MHz。射頻系統(tǒng)由射頻發(fā)射器和射頻接收器組成。發(fā)射器將信號調(diào)制發(fā)射，接收器接收信號并解調(diào)。其最大的優(yōu)點在于無須光學可視就可以同時識別多個射頻卡，完成數(shù)據(jù)傳輸功能。而且操作方便，無須人工操作就可以完成識別任務且不易損壞等。已經(jīng)廣泛的應用在各個工業(yè)領域。3.紅外傳輸紅外技術

25、是一種利用紅外傳輸信息的無線通信技術。它是利用950nm波段的紅外線作為信息通道來進行信息傳輸。紅外傳輸系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端的作用是將二進制的信號調(diào)制為脈沖信號然后進行發(fā)射。接收端的作用是將接收到的光脈沖信號先轉(zhuǎn)換為電信號再放大、濾波和解調(diào)，還原為二進制的信號輸出。紅外傳輸具有抗電磁干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、容量大、安全性高、體積小同時價格也比較便宜等優(yōu)點。但是紅外傳輸容易受到氣候的影響，造成紅外線信號被吸收和散射?？紤]到無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境、成本、可靠性和穩(wěn)定性，選用射頻技術作為數(shù)據(jù)傳輸傳輸方式，且工作頻率選為434MHz。2.3本章小結(jié)本章先簡要說明了輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的總體

26、設計要求。同時，注重介紹了氣壓檢測系統(tǒng)的分類和工作原理，選擇直接式主動式氣壓檢測系統(tǒng)作為檢測系統(tǒng)。最后介紹了三種無線數(shù)據(jù)傳輸方式，選擇射頻技術作為數(shù)據(jù)傳輸方式。第3章 自動充氣裝置的設計3.1輪胎壓路機的壓實過程輪胎壓路機對攤鋪層的壓實作用與光輪壓路機有所區(qū)別。輪胎壓路機裝有特定的的充氣輪胎，這就使得輪胎與鋪層的接觸面積為矩形，而光鋼輪與鋪層接觸面積僅僅為一窄條。如圖3-1所示，充氣輪胎和光鋼輪工作時鋪層的壓應力分布。圖3-1 鋼輪（左）和輪胎（右）應力分布圖從圖中可以看出，當鋼輪壓路機沿著箭頭所指的方向運動時，攤鋪層的壓力是從接觸點1開始增加的，然后到達最大點2，再慢慢遞減到接觸點3；而當充

27、氣輪胎進行碾壓時，鋪層表面的壓實力很快到達最大值，但由于接觸點1和4,發(fā)生了彈性形變，在角范圍內(nèi)一直存有高應力，其作用時間隨輪胎壓路機的工作重量，輪胎種類，和輪胎尺寸以及碾壓速度有關系。因此，在相同的碾壓速度下，輪胎壓路機要比鋼輪壓路機處于高應力狀持續(xù)更久的時間，同時再加上充氣輪胎特有的揉壓作用，在短的時間內(nèi)，對粘性材料有更好的碾壓效果。由于充氣輪胎與鋪壓層表面的接觸面大，因此壓應力分布更加均勻。改變輪胎內(nèi)的氣壓，可以限制鋪層所受到的最大壓應力，從而提高壓實效果，在相同的重量下，輪胎壓路機的最大壓應力比光輪壓路機要小的多，鋪層表面承受的作用力更小，保證了下層材料得到較好的壓實。路面的壓實效果與

28、輪胎的尺寸有密切的關系，通過減小輪胎的直徑或者輪胎的寬度都使得接觸面積減小，輪胎與鋪層之間的壓力增加，壓實深度也隨之增加。當輪胎壓路機輪胎內(nèi)的氣壓減小時，輪胎的變形增加，相應的接觸面積增加，輪胎與鋪層的壓力減小，這相當于增加了輪胎的直徑。輪胎氣壓增加時，正好相反。這也就是輪胎壓路機為什么可以通過氣壓來調(diào)劑壓實效果的原因所在。不同的路面，鋪層不相同，所需要的碾壓力的大小也就不相同，因此需要根據(jù)具體施工情況來及時調(diào)整輪胎氣壓。3.2充氣系統(tǒng)工作原理輪胎壓路機充氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、氣罐、過濾器、單向閥、調(diào)壓閥、溢流閥、三位四通電磁閥、旋轉(zhuǎn)接頭、膠管和氣嘴門等組成。1-空氣壓縮機，2-儲氣罐，3-安全

29、閥4-分水過濾器，5-單向閥，6-調(diào)壓閥，7、8、9、10-三位四通電磁閥圖3-2 充氣系統(tǒng)示意圖充氣系統(tǒng)示意圖如圖3-2所示，空氣壓縮機產(chǎn)生的氣體首先儲存在儲氣罐里，當電磁閥打開時，氣體經(jīng)過分水過濾器、單向閥、調(diào)壓閥、電磁閥最后進入輪胎。由于輪胎壓路機輪胎布置方式為前四后五，所以壓路機前后輪胎分別采用如圖所示的連接方式，這樣不但可以提高充氣系統(tǒng)的效率縮短充氣時間，同時也可以使所有壓路機輪胎具有相同的接地比壓，保證碾壓層的平整性和密實性。壓力傳感器單片機輪胎充氣/放氣電磁閥氣壓設定值圖3-3 自動充氣工作原理自動充氣原理可以總結(jié)為：壓力傳感器采集到的氣壓信號先傳送給單片機，單片將機氣壓值與設定

30、值進行對比分析，形成壓力反饋，同時對電磁閥產(chǎn)生控制信號，通過控制電磁閥的開關，實現(xiàn)輪胎氣壓自動調(diào)節(jié)功能。如圖3-3所示。3.3氣壓元件的選擇從自動充氣系統(tǒng)的性能指標可以看出,該系統(tǒng)對氣壓控制的精度要求并不高,無需準確控制氣體流量,只要將輪胎氣壓控制在一定范圍內(nèi)即可,因此沒有必要選用氣壓控制系統(tǒng)中通常使用的比例閥或伺服閥,采用一般的電磁閥即可達到控制要求。這樣,不僅簡化了整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu),易于控制,同時又大大降低了產(chǎn)品成本,提高了整機的性價比,增強了與同類產(chǎn)品的市場競爭力。（1）壓縮機壓縮機要滿足壓力需求的同時要體積小、質(zhì)量輕等特點，故選擇Z-0.03/7風冷式空氣壓縮機。其額定排氣量壓力0.7MP

31、a，額定排氣量為0.03m³·min儲氣罐容積為0.03m³，整體重量為65kg。（2）分水濾氣器分水濾氣器要滿足壓力最大限度的同時要分水效果好、體積小等特點，故選擇QL1型號。其最高工作壓力為1MPa，分水效率為98%，公稱通徑為8mm。（3）調(diào)壓閥調(diào)壓閥要滿足壓力范圍的同時還需要調(diào)節(jié)范圍大，所以選擇QP直動式減壓閥。其最高壓力為1MPa,調(diào)壓范圍為0.050.8MPa，公稱通徑為8mm。（4）安全閥安全閥根據(jù)工作壓力選擇PQ-L8型號。工作壓力為0.71MPa，關閉壓力0.01MPa，公稱通徑為8mm。（5）三位四通電磁閥三位四通電磁閥根據(jù)工作壓力選擇4HV2

32、30-06型號。其工作壓力為01MPa，公稱通徑為8mm。（6）單向閥單向閥根據(jù)工作壓力和工作環(huán)境選擇KXA-L8型號。其工作壓力為0.10.8MPa公稱通徑為8mm。3.4輪胎氣壓自動調(diào)整過程首先，為了使氣壓控制元件和傳感器在正常的工作范圍內(nèi)，保證為元器件所提供的氣體足夠清潔和干燥，空氣壓縮機所產(chǎn)生的高溫高壓氣體必須首先經(jīng)過分水過濾器進行降溫處理并除去大部分水分。由輪胎壓路機自動充氣系統(tǒng)的組成及工作原理，輪胎氣壓的自動調(diào)整過程如下。3.4.1自動充氣過程當輪胎氣壓符合設定的壓力值時，三位四通電磁閥處于中間位置，當輪胎氣壓低于設定的壓力值時，控制電磁閥使其處于左邊位置，壓縮氣體經(jīng)過單向閥、調(diào)壓

33、閥、電磁閥進入輪胎，給輪胎充氣。當?shù)竭_氣壓要求值時，電磁閥回到中間位置，停止向輪胎充氣。3.4.2自動放氣過程當輪胎氣壓高于設定的壓力值時，控制電磁閥使其處于右位邊置，輪胎氣體通過電磁閥開始放氣。當輪胎壓力降到要求值時，電磁閥回到中路位置，輪胎停止放氣。壓路機輪胎氣壓自動控制程序后續(xù)章節(jié)具體說明。3.5本章小結(jié)本章主要對輪胎壓路機壓實過程、自動充/放氣原理以及自動充/放氣過程進行了簡要介紹和分析。同時也選取了部分充氣系統(tǒng)元件型號包括空氣壓縮機、分水濾氣器、安全閥、減壓閥、電磁閥和單向閥等。第四章 輪胎氣壓檢測裝置設計4.1 檢測裝置主要器件的選擇氣壓檢測裝置主要由傳感器、射頻發(fā)射器、射頻接收器

34、、微控制器、和天線等組成?，F(xiàn)在對各個部分進行介紹和選取。4.1.1傳感器的選擇輪胎壓力傳感器集成了壓力傳感器、溫度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘等組件。壓力傳感器按工作原理主要分為電容式壓力傳感器，如F飛思卡爾公司生產(chǎn)的MPXY8020和MPXY8300等，硅壓阻式壓力傳感器，如摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPX5700和英飛凌公司生產(chǎn)的SP12、SP37，和諧振式微型壓力傳感器。電容式壓力傳感器的工作原理是將壓力的變化通過一個可變電容器轉(zhuǎn)化為電容的變化量，其壓力的大小是通過電容量的變化來判斷出來的。電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、分辨率高，動態(tài)響應時間小和不易受外部環(huán)境影響等優(yōu)點。影響電容

35、式壓力傳感器的主要因素是傳感器電容板并聯(lián)的寄生電容的影響和溫度對傳感器結(jié)構(gòu)尺寸的影響。壓阻式壓力傳感器是利用固體壓阻效應（固體受到外力的作用后，其電阻或者電阻率的大小也隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。）制作成的一種測量裝置，其工作原理總結(jié)如下：（1）首先，壓敏電阻和壓力敏感膜片集成為一體。（2）接著，敏感膜片受到壓力的作用而發(fā)生變形。（3）同時，壓敏電阻的變化直接對應敏感膜片的變形，間接測量出被測壓力。（4）最后，壓敏電阻的變化值可以通過電橋電路進行測量。壓阻式傳感器的優(yōu)點是制作工藝簡單、線性度高、體積小、高分辨可直接輸出電壓信號等特性。影響壓阻式壓力傳感的原因主要是環(huán)境溫度對半導體材料的有很

36、多的影響，導致其工作穩(wěn)定性比較差，其靈敏度較低，不適合在超低下工作測量。諧振式壓力傳感器可分為兩種。一種是直接利用振動膜結(jié)構(gòu)，諧振頻率依賴于膜片上的壓力差。另一種是在膜片上制作振動結(jié)構(gòu)，上下表面的壓力差導致膜片翹曲，振動結(jié)構(gòu)的諧振頻率也隨膜片的壓力變化。諧振式壓力傳感器的優(yōu)點是可以精度高、輸出直接為數(shù)字信號、抗干擾能力強等。它的缺點是制作工藝復雜、成本高，同時會出現(xiàn)機械耦合問題。傳感器是檢測系統(tǒng)中非常關鍵的器件，所以選取時應注意以下問題：（1） 符合壓力的檢測范圍；（2） 滿足-40120使用范圍；（3） 高精度、低功率的要求；在這里，首先比較幾種傳感器的性能和特點，并進行合適的選擇。1.英飛

37、凌的SP系列傳感器。以SP37為例，SP37是基于英飛凌大部分專利而設計開發(fā)的高度集成化的微型傳感器。其具有輪胎壓力檢測系統(tǒng)所需大部分設備，包含傳感器、單片機射頻發(fā)射器。SP37傳感器只需要幾個外部組件就可以完成檢測系統(tǒng)，其測量精度高，可在惡劣環(huán)境中正常工作，也擁有眾多嵌入式固態(tài)功能和開發(fā)工具包，開發(fā)周期短。它的主要參數(shù)為：（1）壓力檢測范圍為100kPa900kPa；（2）內(nèi)部自帶8051單片機；（3）315/434Hz射頻發(fā)射器；（4）電源電壓范圍1.93.6V；（5）工作溫度-40120；（6）待機電流（0.7uA）；（7）同時集成6K字節(jié)FLASH。2. 美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的單片集成

38、硅壓力傳感器MPX5700，其內(nèi)部有壓力信號調(diào)理器、壓力修正電路和薄膜溫度補償器。其輸出為模擬信號，需配帶A/D轉(zhuǎn)換器的微控制器，構(gòu)成壓力檢測系統(tǒng)。Uo輸出端、Us、GND分別為電源端和公共接地端。內(nèi)部由三部分組成：（1）壓敏電阻組成的傳感器單元；（2）第一級電路放大器和經(jīng)過激光修正的薄膜溫度補償器；（3）第二級放大器和模擬電壓輸出電路。其測量精度高，預熱時間短，響應速度快，可靠性高，過載能力強。由于內(nèi)部以真空作為參考壓力，所以適合測量絕對壓力。主要參數(shù)：（1）電壓+4.85+5.35；（2）工作溫度080；（3）最大誤差率不超過1.8%；（4）長期穩(wěn)定度0.5%；（5）允許過載348%滿量程

39、；（6）測試范圍0700kPa。3. MPXY8300傳感器是飛思卡爾公司將一個壓力傳感器、一個溫度傳感器、一個8位微控制器、一個RF發(fā)射器和一個雙軸加速器集成到同一芯片上而開發(fā)出專門檢測輪胎氣壓的系統(tǒng)級傳感器。這樣，使的傳感器滿足體積更小、重量更輕和功耗更低的要求。主要參數(shù)：（1）壓力測量范圍：100450kPa或100800kPa可選；（2）測量精度±7kPa；（3）工作溫度-40+125（4）內(nèi)核控制器：512字節(jié)RAM；（5）同時集成8K字節(jié)FLASH；（6）315/434Hz射頻發(fā)射器；（7）具有內(nèi)部PWU定時器可定時喚醒MCU；（8）ASK或FSK調(diào)制功能，曼徹斯特數(shù)據(jù)編

40、碼功能；經(jīng)過分析，最終決定選用飛思卡爾公司開發(fā)的MPXY8300傳感器。原因有：（1）工作壓力符合要求；（2）由于工作環(huán)境惡劣，采用電容式壓力傳感器比硅壓阻式壓力傳感器性能更加穩(wěn)定，減少系統(tǒng)誤差；（2）內(nèi)部自帶微控制器和RF頻射發(fā)射裝置，發(fā)射端設計更加簡單和方便。4.1.2無線接收裝置的選擇無線接收器其主要作用是接收來自發(fā)射器的信號，它的性能決定著自動充氣系統(tǒng)的可靠性。其性能指標有：（1）靈敏度，在滿足一定誤碼率性能條件下接收器 輸入端所需要的最小信號電平，它與信號類型有關；（2）選擇性，描述接收相鄰信道頻率的抑制能力，要就是兩個信號不能同時進入接收器；（3）頻率穩(wěn)定度，用來描述接收器的本振信

41、號頻率的穩(wěn)定度，它會對接收器中信號頻率的質(zhì)量產(chǎn)生影響；（4）交調(diào)抑制，接收器會產(chǎn)生雙頻交調(diào)失真的現(xiàn)象，一般要求交調(diào)抑制在60dB以上。在這里首先比較幾款RF射頻接收器，對它們性能進行分析比較，并進行選擇。1.MAX7033是一個完全集成的低功率CMOS超外差接收器。它由LNA、差分鏡像抑制混頻器、PLL、VCO、AGC、模擬系帶數(shù)據(jù)信號回復電路等組成。其主要工作參數(shù)如下：（1）靈敏度范圍為-114-120dBm；（2）工作電壓為+3.3V+5.0V；（3）啟動時間為250us；（4）低功率電流為3.5uA；（5）工作溫度為-40+105；（6）調(diào)頻范圍450300MHzASK信號。2.MC33

42、594是一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹山邮掌?。它?60kHz中頻帶通濾波器，完全集成的VCO、混頻器、曼徹斯特編碼時鐘和完整的SPI接口組成。不需要過多的外部元件和射頻調(diào)劑，就可以實現(xiàn)發(fā)射功能。其主要工作參數(shù)如下：（1）其靈敏度為-105dBm；（2）數(shù)據(jù)速率為111kbaud；（3）工作電流為5mA；（4）啟動時間為1ms；（5）工作頻率為315MHz/434MHz；（6）具有OOK和FSK解調(diào)、也可以識別文字和音頻。3.TDA5200是一種低功率單片集成接收器。它由低噪聲放大器（LNA）、雙平衡混頻器、完全集成VCO、晶體振蕩器、信號發(fā)射器、數(shù)據(jù)比較器和峰值檢波器組成。同時它具有斷電功能已節(jié)

43、省電池電量。其基本參數(shù)如下：（1）電源電壓范圍為4.55.5V；（2）靈敏度為-107dBm；（3）可選調(diào)頻范圍433435MHz或868870MHz ASK信號；（4）工作電流為4.6mA（434MHz）。最后經(jīng)過對比分析選擇MC33594發(fā)射器。其不需要更多的外界設備，工作電壓低，啟動迅速，性價比。4.1.3控制器的選擇控制器的核心部分為單片機。單片機是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM、FLASH等）和各種輸入、輸出接口組成。其主要特點為：（1）體積小、成本低，易于在各種嵌入式系統(tǒng)中使用；（2）具有很強的實時控制功能，單片機通過I/O接口結(jié)合不同類型的傳感器，可以實現(xiàn)電壓、溫度

44、、功率、角度、壓力等物理量的實時測量和處理。（3）具有很強的抗干擾能力，環(huán)境要求不高，適應溫度范圍寬，并且運行可靠。（4）簡單方便，易于開發(fā)設計。因此，單片機以及廣泛的應用在各個工業(yè)領域。選擇單片機時主要考慮幾下幾點：（1）在選擇時盡可能采用功能更加強大的單片機，方便以后系統(tǒng)的升級換代；（2）對RAM空間、ROM空間、I/O端口和A/D轉(zhuǎn)換器等方面要留有余地。（3）盡可能減少硬件設備，運用軟件編程實現(xiàn)電路功能。這樣不但可以減少硬件成本，同時可以減少硬件空間和系統(tǒng)故障率。（4）選擇時，首先要對控制信號的類型進行區(qū)別。模擬量和開關量對輸入/輸出通道需求是不同的，對于模擬量A/D轉(zhuǎn)換器芯片是主要組成

45、部分。對于開關量輸入需要考慮到隔離問題，輸出要考慮驅(qū)動問題。從上世紀80年代開始，單片機得到了長足發(fā)展，種類更加豐富，性能更加優(yōu)越。目前比較著名的單片機生產(chǎn)廠商和主要機型如下：（1） 英特爾公司的8051系列單片機，8051類單片機主要由愛特美爾、三星和華邦等公司改良更新，運行速度更快，電源電壓的動態(tài)范圍更廣，價格更低。（2） 艾特美爾公司的AVR系列單片機，艾特美爾利用Flash技術研發(fā)出精簡指令系統(tǒng)的高速8位單片機，且與8051系列單片機相兼容。其可靠性更高，運行速度更快。（3） 德州儀器公司的MSP430系列單片機，MSP430系列單片機美國德州儀器公司推出的一種16位超低功耗的混合信號

46、處理器。它的處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設備豐富、超低功耗。由于需要單片機超長的持續(xù)工作時間，所以選用超低功耗的MSP430系列單片機，其性能符合要求，并且性價比高，降低了系統(tǒng)的成本。它的工作模式可以通過設置狀態(tài)寄存器中的SCG1、SCG2、OSCFF、CPUOFF位來控制。 6 種操作模式、控制位及時鐘狀態(tài)見表4-1。表4-1 MSP430操作模式活動模式AMSCG1=0；SCG0=0OSCOFF=0；CPUOFF=0CPU處于活動狀態(tài)；MCLK活動；SMCLK活動；ACLK活動。低功耗模式0SCG1=0；SCG0=0OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止狀態(tài)；MCLK被禁

47、止狀態(tài)；SMCLK活動；ACLK活動。低功耗模式1SCG1=0；SCG0=1OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止狀態(tài)，如果DOC未作用MCLK則DOC直流發(fā)生器被禁止；MCLK被禁止狀態(tài)；SMCLK活動；ACLK活動。低功耗模式2SCG1=1；SCG0=0OSCOFF=0CPUOFF=1CPU被禁止狀態(tài)；如果DOC未作用MCLK則DOC被禁止；MCLK被禁止；SMCLK被禁止；ACLK活動。低功耗模式3SCG1=1；SCG0=1OSCOFF=0；CPUOFF=1CPU被禁止狀態(tài)；DOC被禁止，直流發(fā)生器被禁止；MCLK被禁止；SMCLK被禁止；ACLK活動。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采集端硬件系統(tǒng)的設計采集端主要由壓力傳感器、微控制器、RF射頻發(fā)射器、天線以及電池5個部分組成。由于采集端工作在高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部，其工作環(huán)境比較惡劣。所以，要穩(wěn)定可靠工作5年以上，關鍵技術是射頻通訊可靠性、天線性能優(yōu)化和保證低功耗。MPXY8300傳感器是飛思卡爾公司將一個壓力和溫度傳感器、一個8位微控制器、一個RF發(fā)射器和一個雙軸加速器集成到同一芯片上而開發(fā)出專門輪胎氣壓檢測的系統(tǒng)級傳感器。這樣，使的傳感器滿足體積更小、重量更輕和功耗更低的要求。基本參數(shù)：（1）壓力測量范圍：

49、100-450kPa或100-800kPa可選；（2）測量精度±7kPa；（3）工作溫度：-40+125（4）內(nèi)核控制器：512字節(jié)RAM；（5）同時集成8K字節(jié)FLASH；（5）具有內(nèi)部PWU定時器可定時喚醒MCU。（6）內(nèi)部315/434MHzRF發(fā)射器。RF調(diào)制模式ASK/FSK調(diào)制可選。 其引腳圖如下圖4-4所示：圖4-4 8300引腳各個引腳功能見下表4-2：表4-2 8300引腳功能引腳序號說明VDD16數(shù)字電路電源正極VSS17數(shù)字電路接地AVDD10模擬電路電源正極AVSS9模擬電路接地VCAP8用在RFX生成高于VDD電壓時VRF7VRF 管腳為RFX提供電源輸出電

50、壓，并應通過電感連接到RF管腳RVSS5RF輸出放大器中的功率應通過RVSS 管腳返回電源RF6RF管腳是器件供應給外部天線的RF數(shù)據(jù)XO4為RF管腳提供載頻和數(shù)據(jù)速率XI3為RF管腳提供載頻和數(shù)據(jù)速率PTA015作為LF線圈低電平信號的差分輸入通道PTA114作為LF線圈低電平信號的差分輸入通道PTA213通用I/O管腳PTA312通用I/O管腳PTA51通用I/O管腳PTA62通用I/O管腳BKGD18器件置入后臺調(diào)試模式RESER11用于測試和建立BDM條采集端電路圖如圖4-5所示：圖4-5 采集端電路圖4.3.接收端硬件電路的設計4.3.1 MC33594電路的設計MC33594是一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹?/p>