輪胎溫度無線監控系統設計

宮照輝++曹瀚林++張辛未

摘要：介紹了基于單片機的輪胎溫度無線監控系統電路設計。系統以AT89C51單片機作為控制核心。無線收發芯片NRF24L01將輪胎溫度實時傳輸給中央控制器。LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。通過比較輪胎實測溫度和預先設定的溫度閾值，由中央控制器決定是否采取降溫措施，使輪胎溫度保持在安全范圍內。該設計功能較全面，結構小巧，具有良好的實用價值和現實意義。

關鍵詞：輪胎溫度 無線監控 無線收發芯片 液晶顯示

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0036-02

自從汽車發明以來，其安全問題就一直受到人們的關注，其中輪胎溫度是影響行使安全的因素之一[1-2]。輪胎溫度過高會影響輪胎的使用壽命，甚至導致爆胎。因此，實時檢測并控制行駛中汽車輪胎的溫度對安全駕駛起著極大的作用[3]。而轉動中的輪胎不適合用傳統的溫度傳感器進行實時檢測，因此結合數字溫度傳感器，本文設計一種輪胎溫度無線監控系統，實現對于汽車輪胎安全的智能監控，有效保障了行車安全，具有良好的實用價值和現實意義。

1 系統總體方案設計

系統分為上位機、下位機兩部分，分別采用單片機AT89C51作為各自的控制核心。下位機由單片機，DS18B20數字溫度傳感器和無線收發芯片NRF24L01組成。主要負責輪胎溫度的采集和發送。將DS18B20采集到的溫度數據傳輸到無線收發芯片NRF24L01，NRF24L01通過無線信號將溫度值發送到上位機。

上位機的硬件結構圖如（圖1）所示。主要功能是接收下位機采集到的輪胎溫度數據，并由上位機的單片機作為控制核心對溫度數據進行監控。LCD液晶實時顯示溫度，方便駕駛員觀察。上位機控制核心預先設定三個溫度值，溫度值由低至高分別定義為閾值1、閾值2和警戒值。當實測輪胎溫度達到或超過閾值1時，控制核心自動開啟風冷模式，即風扇降溫；溫度超過閾值2時，自動開啟水冷模式降溫；溫度超過警戒值，自動停止系統的運行，即停車提醒駕駛員需要檢查當前的汽車輪胎狀態，從而實現智能無線監控輪胎溫度的目的。

2 系統硬件設計

2.1 DS18B20溫度采集電路設計

DS18B20與下位機的AT89C51由一條數據線連接，其中DQ引腳為數據端口，與AT89C51的P3.4相連。VCC接5V電源正極，GND為接地端。需要注意的是使用外部供電時，輸出引腳在空閑時始終是高電平輸出，所以在VCC引腳與DQ引腳間需要串接一個4.7K歐姆電阻。經過數據轉換處理，溫度值的輸出形式為9至12位的串行數字信號。

2.2 無線通訊硬件電路設計

本設計的關鍵是上、下位機間的溫度數據傳輸。采用Nordic公司的NRF24L01射頻芯片[4-5]負責溫度的無線發射和接收，工作頻段2.4GHz。通過設置NRF24L01引腳CE，寄存器參數PWR_UP，PRIM_RX可以選擇芯片NRF24L01的工作模式為接收模式或發射模式。

NRF24L01與單片機采用SPI的通訊方式。下位機的NRF24L01設定為發射模式。根據上位機的指令，發射端通過SPI將溫度信息送入NRF24L01的Tx_Buf（發送緩沖區），啟動發射模塊進行發射。

上位機接收數據，首先將該部分的NRF24L01設置為發射模式，由其喚醒下位機的NRF24L01。然后再將上位機的NRF24L01設置為接收模式，延遲130μs接收并解析Rx_Buf當中的溫度信息。

2.3 液晶顯示電路設計

顯示電路采用LCD。為了方便駕駛員的觀察，選擇帶中文字庫的LCD12864。顯示界面實時顯示所測量的輪胎溫度和預先設定的溫度閾值1，閾值2，警戒值。LCD12864能顯示8×4行16×16點陣的漢字，完全可以滿足本設計的功能要求。

3 系統軟件設計

3.1 下位機數據采集及發射軟件設計

下位機部分的軟件主要解決兩個問題。一是DS18B20檢測輪胎溫度及溫度值的轉換處理。二是溫度值通過NRF24L01無線傳輸給上位機。其軟件設計流程圖如（圖2）所示。下位機初始化后，等待上位機的發送數據請求信號。一旦接收到主機的發送請求，下位機將NRF24L01設置為發送模式，將DS18B20采集和處理過的溫度值以串行數字信號的形式，傳送給上位機的無線芯片。

3.2 上位機溫度接收及處理軟件設計

上位機根據采集到的溫度信息，自主判斷當前輪胎狀態是否健康安全。同時通過LCD12864實時顯示溫度，供駕駛員參考。該部分軟件設計流程圖如圖3所示。

上位機首先初始化設置，包括單片機、LCD的設置等。系統準備好后，由NRF24L01通知下位機可以發送溫度數據。當檢測到下位機的發送數據后，NRF24L01開始接收溫度信息，并將其存儲在緩存單元。當前溫度數據接收完畢后，應答下位機。對接收到的溫度值，上位機控制核心送LCD顯示。同時比較實測值與設定值的大小，決定是否發送控制信號，采取降溫措施。然后系統準備接收下一組溫度數據。

具體的降溫措施描述如下，本系統共設定了三個溫度檔位，分別定義為閾值1，閾值2和警戒值。檔位值由低到高，分別采取不同的輪胎降溫措施。若輪胎的實測溫度值小于閾值1，則輪胎溫度正常，不需要任何降溫處理。若實測溫度介于閾值1和閾值2之間，表明目前的輪胎存在一定的安全隱患，上位機自動驅動風扇降低輪胎溫度。若風冷降溫的速度不能阻擋輪胎溫度的持續升高，溫度值超過閾值2，則上位機啟動噴水器降溫。如果風冷降溫和水冷降溫均不起作用，輪胎溫度超過了警戒值，表明輪胎目前處于危險狀態，需要停車處理。

4 結語

由于輪胎在工作中處于轉動狀態，所以設計一款能夠無線傳輸輪胎溫度到遠程控制器的設備有著重要的意義。特別是監控行駛中的汽車輪胎的實時溫度，有很強的實用價值。

本系統以51單片機作為控制核心。下位機由數字溫度傳感器采集輪胎溫度。無線芯片NRF24L01收發溫度數據。上位機的控制核心通過LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。并且通過預先設定的三個溫度預警檔位，根據不同溫度狀態可能導致的安全隱患，采取不同的降溫處理措施。該設計能滿足大多數輪胎溫度的監控需求，成本較低，便于推廣（圖3）。

參考文獻

[1] 劉桂蘭，祖國建.機動車輛輪胎的保護控制[J].交通科學與工程，2011（1）：85-88.

[2] 劉洪凱.高速公路爆胎的原因及預防措施[J].汽車運用，2011（11）：35.

[3] 譚先峰.基于無線通信的輪胎溫度采集系統研制[D].青島科技大學，2010.

[4] 周黎明.短距離無線數據傳輸系統研究[J].工業控制計算機，2013（5）：65，67.

[5] 沈勇，蔣文雄，段勇.基于nRF24L01的通用無線通信模塊設計[J].電子設計工程，2013（18）：84-86.endprint

摘要：介紹了基于單片機的輪胎溫度無線監控系統電路設計。系統以AT89C51單片機作為控制核心。無線收發芯片NRF24L01將輪胎溫度實時傳輸給中央控制器。LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。通過比較輪胎實測溫度和預先設定的溫度閾值，由中央控制器決定是否采取降溫措施，使輪胎溫度保持在安全范圍內。該設計功能較全面，結構小巧，具有良好的實用價值和現實意義。

關鍵詞：輪胎溫度 無線監控 無線收發芯片 液晶顯示

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0036-02

自從汽車發明以來，其安全問題就一直受到人們的關注，其中輪胎溫度是影響行使安全的因素之一[1-2]。輪胎溫度過高會影響輪胎的使用壽命，甚至導致爆胎。因此，實時檢測并控制行駛中汽車輪胎的溫度對安全駕駛起著極大的作用[3]。而轉動中的輪胎不適合用傳統的溫度傳感器進行實時檢測，因此結合數字溫度傳感器，本文設計一種輪胎溫度無線監控系統，實現對于汽車輪胎安全的智能監控，有效保障了行車安全，具有良好的實用價值和現實意義。

1 系統總體方案設計

系統分為上位機、下位機兩部分，分別采用單片機AT89C51作為各自的控制核心。下位機由單片機，DS18B20數字溫度傳感器和無線收發芯片NRF24L01組成。主要負責輪胎溫度的采集和發送。將DS18B20采集到的溫度數據傳輸到無線收發芯片NRF24L01，NRF24L01通過無線信號將溫度值發送到上位機。

上位機的硬件結構圖如（圖1）所示。主要功能是接收下位機采集到的輪胎溫度數據，并由上位機的單片機作為控制核心對溫度數據進行監控。LCD液晶實時顯示溫度，方便駕駛員觀察。上位機控制核心預先設定三個溫度值，溫度值由低至高分別定義為閾值1、閾值2和警戒值。當實測輪胎溫度達到或超過閾值1時，控制核心自動開啟風冷模式，即風扇降溫；溫度超過閾值2時，自動開啟水冷模式降溫；溫度超過警戒值，自動停止系統的運行，即停車提醒駕駛員需要檢查當前的汽車輪胎狀態，從而實現智能無線監控輪胎溫度的目的。

2 系統硬件設計

2.1 DS18B20溫度采集電路設計

DS18B20與下位機的AT89C51由一條數據線連接，其中DQ引腳為數據端口，與AT89C51的P3.4相連。VCC接5V電源正極，GND為接地端。需要注意的是使用外部供電時，輸出引腳在空閑時始終是高電平輸出，所以在VCC引腳與DQ引腳間需要串接一個4.7K歐姆電阻。經過數據轉換處理，溫度值的輸出形式為9至12位的串行數字信號。

2.2 無線通訊硬件電路設計

本設計的關鍵是上、下位機間的溫度數據傳輸。采用Nordic公司的NRF24L01射頻芯片[4-5]負責溫度的無線發射和接收，工作頻段2.4GHz。通過設置NRF24L01引腳CE，寄存器參數PWR_UP，PRIM_RX可以選擇芯片NRF24L01的工作模式為接收模式或發射模式。

NRF24L01與單片機采用SPI的通訊方式。下位機的NRF24L01設定為發射模式。根據上位機的指令，發射端通過SPI將溫度信息送入NRF24L01的Tx_Buf（發送緩沖區），啟動發射模塊進行發射。

上位機接收數據，首先將該部分的NRF24L01設置為發射模式，由其喚醒下位機的NRF24L01。然后再將上位機的NRF24L01設置為接收模式，延遲130μs接收并解析Rx_Buf當中的溫度信息。

2.3 液晶顯示電路設計

顯示電路采用LCD。為了方便駕駛員的觀察，選擇帶中文字庫的LCD12864。顯示界面實時顯示所測量的輪胎溫度和預先設定的溫度閾值1，閾值2，警戒值。LCD12864能顯示8×4行16×16點陣的漢字，完全可以滿足本設計的功能要求。

3 系統軟件設計

3.1 下位機數據采集及發射軟件設計

下位機部分的軟件主要解決兩個問題。一是DS18B20檢測輪胎溫度及溫度值的轉換處理。二是溫度值通過NRF24L01無線傳輸給上位機。其軟件設計流程圖如（圖2）所示。下位機初始化后，等待上位機的發送數據請求信號。一旦接收到主機的發送請求，下位機將NRF24L01設置為發送模式，將DS18B20采集和處理過的溫度值以串行數字信號的形式，傳送給上位機的無線芯片。

3.2 上位機溫度接收及處理軟件設計

上位機根據采集到的溫度信息，自主判斷當前輪胎狀態是否健康安全。同時通過LCD12864實時顯示溫度，供駕駛員參考。該部分軟件設計流程圖如圖3所示。

上位機首先初始化設置，包括單片機、LCD的設置等。系統準備好后，由NRF24L01通知下位機可以發送溫度數據。當檢測到下位機的發送數據后，NRF24L01開始接收溫度信息，并將其存儲在緩存單元。當前溫度數據接收完畢后，應答下位機。對接收到的溫度值，上位機控制核心送LCD顯示。同時比較實測值與設定值的大小，決定是否發送控制信號，采取降溫措施。然后系統準備接收下一組溫度數據。

具體的降溫措施描述如下，本系統共設定了三個溫度檔位，分別定義為閾值1，閾值2和警戒值。檔位值由低到高，分別采取不同的輪胎降溫措施。若輪胎的實測溫度值小于閾值1，則輪胎溫度正常，不需要任何降溫處理。若實測溫度介于閾值1和閾值2之間，表明目前的輪胎存在一定的安全隱患，上位機自動驅動風扇降低輪胎溫度。若風冷降溫的速度不能阻擋輪胎溫度的持續升高，溫度值超過閾值2，則上位機啟動噴水器降溫。如果風冷降溫和水冷降溫均不起作用，輪胎溫度超過了警戒值，表明輪胎目前處于危險狀態，需要停車處理。

4 結語

由于輪胎在工作中處于轉動狀態，所以設計一款能夠無線傳輸輪胎溫度到遠程控制器的設備有著重要的意義。特別是監控行駛中的汽車輪胎的實時溫度，有很強的實用價值。

本系統以51單片機作為控制核心。下位機由數字溫度傳感器采集輪胎溫度。無線芯片NRF24L01收發溫度數據。上位機的控制核心通過LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。并且通過預先設定的三個溫度預警檔位，根據不同溫度狀態可能導致的安全隱患，采取不同的降溫處理措施。該設計能滿足大多數輪胎溫度的監控需求，成本較低，便于推廣（圖3）。

參考文獻

[1] 劉桂蘭，祖國建.機動車輛輪胎的保護控制[J].交通科學與工程，2011（1）：85-88.

[2] 劉洪凱.高速公路爆胎的原因及預防措施[J].汽車運用，2011（11）：35.

[3] 譚先峰.基于無線通信的輪胎溫度采集系統研制[D].青島科技大學，2010.

[4] 周黎明.短距離無線數據傳輸系統研究[J].工業控制計算機，2013（5）：65，67.

[5] 沈勇，蔣文雄，段勇.基于nRF24L01的通用無線通信模塊設計[J].電子設計工程，2013（18）：84-86.endprint

摘要：介紹了基于單片機的輪胎溫度無線監控系統電路設計。系統以AT89C51單片機作為控制核心。無線收發芯片NRF24L01將輪胎溫度實時傳輸給中央控制器。LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。通過比較輪胎實測溫度和預先設定的溫度閾值，由中央控制器決定是否采取降溫措施，使輪胎溫度保持在安全范圍內。該設計功能較全面，結構小巧，具有良好的實用價值和現實意義。

關鍵詞：輪胎溫度 無線監控 無線收發芯片 液晶顯示

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0036-02

自從汽車發明以來，其安全問題就一直受到人們的關注，其中輪胎溫度是影響行使安全的因素之一[1-2]。輪胎溫度過高會影響輪胎的使用壽命，甚至導致爆胎。因此，實時檢測并控制行駛中汽車輪胎的溫度對安全駕駛起著極大的作用[3]。而轉動中的輪胎不適合用傳統的溫度傳感器進行實時檢測，因此結合數字溫度傳感器，本文設計一種輪胎溫度無線監控系統，實現對于汽車輪胎安全的智能監控，有效保障了行車安全，具有良好的實用價值和現實意義。

1 系統總體方案設計

系統分為上位機、下位機兩部分，分別采用單片機AT89C51作為各自的控制核心。下位機由單片機，DS18B20數字溫度傳感器和無線收發芯片NRF24L01組成。主要負責輪胎溫度的采集和發送。將DS18B20采集到的溫度數據傳輸到無線收發芯片NRF24L01，NRF24L01通過無線信號將溫度值發送到上位機。

上位機的硬件結構圖如（圖1）所示。主要功能是接收下位機采集到的輪胎溫度數據，并由上位機的單片機作為控制核心對溫度數據進行監控。LCD液晶實時顯示溫度，方便駕駛員觀察。上位機控制核心預先設定三個溫度值，溫度值由低至高分別定義為閾值1、閾值2和警戒值。當實測輪胎溫度達到或超過閾值1時，控制核心自動開啟風冷模式，即風扇降溫；溫度超過閾值2時，自動開啟水冷模式降溫；溫度超過警戒值，自動停止系統的運行，即停車提醒駕駛員需要檢查當前的汽車輪胎狀態，從而實現智能無線監控輪胎溫度的目的。

2 系統硬件設計

2.1 DS18B20溫度采集電路設計

DS18B20與下位機的AT89C51由一條數據線連接，其中DQ引腳為數據端口，與AT89C51的P3.4相連。VCC接5V電源正極，GND為接地端。需要注意的是使用外部供電時，輸出引腳在空閑時始終是高電平輸出，所以在VCC引腳與DQ引腳間需要串接一個4.7K歐姆電阻。經過數據轉換處理，溫度值的輸出形式為9至12位的串行數字信號。

2.2 無線通訊硬件電路設計

本設計的關鍵是上、下位機間的溫度數據傳輸。采用Nordic公司的NRF24L01射頻芯片[4-5]負責溫度的無線發射和接收，工作頻段2.4GHz。通過設置NRF24L01引腳CE，寄存器參數PWR_UP，PRIM_RX可以選擇芯片NRF24L01的工作模式為接收模式或發射模式。

NRF24L01與單片機采用SPI的通訊方式。下位機的NRF24L01設定為發射模式。根據上位機的指令，發射端通過SPI將溫度信息送入NRF24L01的Tx_Buf（發送緩沖區），啟動發射模塊進行發射。

上位機接收數據，首先將該部分的NRF24L01設置為發射模式，由其喚醒下位機的NRF24L01。然后再將上位機的NRF24L01設置為接收模式，延遲130μs接收并解析Rx_Buf當中的溫度信息。

2.3 液晶顯示電路設計

顯示電路采用LCD。為了方便駕駛員的觀察，選擇帶中文字庫的LCD12864。顯示界面實時顯示所測量的輪胎溫度和預先設定的溫度閾值1，閾值2，警戒值。LCD12864能顯示8×4行16×16點陣的漢字，完全可以滿足本設計的功能要求。

3 系統軟件設計

3.1 下位機數據采集及發射軟件設計

下位機部分的軟件主要解決兩個問題。一是DS18B20檢測輪胎溫度及溫度值的轉換處理。二是溫度值通過NRF24L01無線傳輸給上位機。其軟件設計流程圖如（圖2）所示。下位機初始化后，等待上位機的發送數據請求信號。一旦接收到主機的發送請求，下位機將NRF24L01設置為發送模式，將DS18B20采集和處理過的溫度值以串行數字信號的形式，傳送給上位機的無線芯片。

3.2 上位機溫度接收及處理軟件設計

上位機根據采集到的溫度信息，自主判斷當前輪胎狀態是否健康安全。同時通過LCD12864實時顯示溫度，供駕駛員參考。該部分軟件設計流程圖如圖3所示。

上位機首先初始化設置，包括單片機、LCD的設置等。系統準備好后，由NRF24L01通知下位機可以發送溫度數據。當檢測到下位機的發送數據后，NRF24L01開始接收溫度信息，并將其存儲在緩存單元。當前溫度數據接收完畢后，應答下位機。對接收到的溫度值，上位機控制核心送LCD顯示。同時比較實測值與設定值的大小，決定是否發送控制信號，采取降溫措施。然后系統準備接收下一組溫度數據。

具體的降溫措施描述如下，本系統共設定了三個溫度檔位，分別定義為閾值1，閾值2和警戒值。檔位值由低到高，分別采取不同的輪胎降溫措施。若輪胎的實測溫度值小于閾值1，則輪胎溫度正常，不需要任何降溫處理。若實測溫度介于閾值1和閾值2之間，表明目前的輪胎存在一定的安全隱患，上位機自動驅動風扇降低輪胎溫度。若風冷降溫的速度不能阻擋輪胎溫度的持續升高，溫度值超過閾值2，則上位機啟動噴水器降溫。如果風冷降溫和水冷降溫均不起作用，輪胎溫度超過了警戒值，表明輪胎目前處于危險狀態，需要停車處理。

4 結語

由于輪胎在工作中處于轉動狀態，所以設計一款能夠無線傳輸輪胎溫度到遠程控制器的設備有著重要的意義。特別是監控行駛中的汽車輪胎的實時溫度，有很強的實用價值。

本系統以51單片機作為控制核心。下位機由數字溫度傳感器采集輪胎溫度。無線芯片NRF24L01收發溫度數據。上位機的控制核心通過LCD12864液晶顯示屏實時顯示當前的輪胎溫度。并且通過預先設定的三個溫度預警檔位，根據不同溫度狀態可能導致的安全隱患，采取不同的降溫處理措施。該設計能滿足大多數輪胎溫度的監控需求，成本較低，便于推廣（圖3）。

參考文獻

[1] 劉桂蘭，祖國建.機動車輛輪胎的保護控制[J].交通科學與工程，2011（1）：85-88.

[2] 劉洪凱.高速公路爆胎的原因及預防措施[J].汽車運用，2011（11）：35.

[3] 譚先峰.基于無線通信的輪胎溫度采集系統研制[D].青島科技大學，2010.

[4] 周黎明.短距離無線數據傳輸系統研究[J].工業控制計算機，2013（5）：65，67.

[5] 沈勇，蔣文雄，段勇.基于nRF24L01的通用無線通信模塊設計[J].電子設計工程，2013（18）：84-86.endprint