一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置.pdf

本发明涉及车辆的制动鼓温度测量领域，公开了一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，它包括：温度测量与发送单元，设置在制动鼓上，测量制动鼓温度，并无线传输温度数据；数据接收和处理单元，接收上述温度数据，并进行数据显示。

1、  一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，包括：
温度测量与发送单元，设置在制动鼓上，测量制动鼓温度，并无线传输温度数据；
数据接收和处理单元，接收上述温度数据，并进行数据显示。

2、  根据权利要求1所述的一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，
所述温度测量与发送单元包括：依次电连接的热电偶、热电偶处理模块、发射用单片机、无线发射模块；在发射用单片机的控制下，热电偶信号处理模块将接收的热电偶输出的电压信号转换成温度数据，无线发射模块发送所述温度数据；
所述数据接收和处理单元包括：依次电连接的无线接收模块、接收用单片机、计算机；在接收用单片机的控制下，无线接收模块接收温度数据，计算机保存和显示温度数据。

3、  根据权利要求2所述的一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，所述热电偶是K型热电偶。

4、  根据权利要求2所述的一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，所述热电偶信号处理模块采用MAX6675芯片。

5、  根据权利要求2所述的一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，所述发射用单片机和接收用单片机均采用AT89C2051。

6、  根据权利要求2所述的一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，所述无线发射模块和无线接收模块均采用nRF2401芯片。

一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置
技术领域
本发明涉及车辆的制动鼓温度测量领域，尤其涉及一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置。
技术背景
目前我国使用的货车及其他大中型车辆普遍采用鼓式制动器进行制动，我国国土幅员辽阔，地形复杂，整个国土面积的75％处于山区或丘陵。统计数据表明，我国山区公路里程长，坡度大，每年由制动失效导致的车祸不计其数。研究表明，制动鼓的温度过高是造成制动鼓失效的主要原因，因此，在车辆的运行过程中需要实时的监测制动鼓的实时温度值，但由于制动鼓在车辆运动时随着车轮一起转动，这导致对制动鼓的温度测量十分不便。
此外，在科学研究领域，制动鼓温度上升模型是近年来研究的热点，制动鼓温度上升模型建立的基础是制动鼓工作时所记录的温度数据。由于制动鼓结构的特殊性，其温度测量一般采用的以下两种方法：第一种是测量制动蹄的温度间接代替制动鼓温度，制动鼓工作时，制动蹄和制动鼓相互摩擦产生摩擦力，在满足一定的实验误差条件下可以认为制动蹄的温度近似的和制动鼓温度相似；另外一种测量方法是将制动鼓拆卸下来，在专门的实验台架上采用红外测温的方式进行。在实际道路测试中，目前还没有能够直接测量制动鼓温度的装置和方法。
为了保证能够得到制动鼓在实际使用时的真实温度，为驾驶员提供实时的温度值数据，在制动鼓温度测量领域亟需一种能够在车辆实际运行时，直接测量制动温度的装置，以保证行车安全和为建立制动鼓的温度上升模型提供准确的温度数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，能够在车辆实际运行时直接测量制动鼓温度，同时能够保证制动鼓温度测量的准确性和测量实时性的要求。
为了达到上述技术目的，本发明的技术方案如下：
一种基于无线传输的制动鼓温度测量装置，其特征在于，包括：
温度测量与发送单元，设置在制动鼓上，测量制动鼓温度，并无线传输温度数据；
数据接收和处理单元，接收上述温度数据，并进行数据显示。
本发明的进一步改进在于：
所述温度测量与发送单元包括：依次电连接的热电偶、热电偶处理模块、发射用单片机、无线发射模块；在发射用单片机的控制下，热电偶信号处理模块将接收的热电偶输出的电压信号转换成温度数据，无线发射模块发送所述温度数据；
所述数据接收和处理单元包括：依次电连接的无线接收模块、接收用单片机、计算机；在接收用单片机的控制下，无线接收模块接收温度数据，计算机保存和显示温度数据。
本发明的更具体特点在于：
所述热电偶是K型热电偶。
所述热电偶信号处理模块采用MAX6675芯片。
所述发射用单片机和接收用单片机均采用AT89C2051。
所述无线发射模块和无线接收模块均采用nRF2401芯片。
本发明的基于无线传输的制动鼓温度测量装置，包括温度测量与发送单元、数据接收和处理单元；通过无线传输实现了测量与显示的分离，从而实现了在车辆实际运行时直接测量制动鼓温度的目的。本发明测量装置得数据处理主要由单片机和计算机自动完成，操作简单，而且测量结果直观、可靠；可以广泛应用于各种型号车辆的制动鼓的温度测量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为本实施例的温度测量与发送单元的框架示意图。
图2为本实施例的温度测量与发送单元的电路图。
图3为本实施例的测量数据接收和处理单元的框架示意图。
图4为本实施例的测量数据接收和处理单元的电路图。
图5为本实施例中热电偶在在制动鼓上的安装示意图，图中：501-制动鼓；502-制动蹄；503-热电偶。
具体实施方式
参照图1，温度测量与发送单元固定在制动鼓上，它包括：K型热电偶，采用MAX6675芯片的热电偶信号处理模块，发射用单片机采用AT89C2051，采用nRF2401芯片的无线发射模块和电源。热电偶通过螺钉与制动鼓内表面连接，热电偶的两个信号输出端分别与MAX6675的输入引脚2、引脚3连接，MAX6675芯片、nRF2401芯片与AT89C2051单片机之间依次采用三线制模拟串口的形式连接。
参考图2，温度测量与发射单元中，热电偶信号处理模块的MAX6675芯片采用三线制模拟串口与AT89C2051发射用单片机进行通讯，其中热电偶的5脚与发射用单片机的8脚连接，6脚与发射用单片机的3脚连接，7脚与发射用单片机的2脚连接，此外，MAX6675芯片的4脚接5V电源，2、3脚连接K型热电偶的两个信号输出端。发射用单片机AT89C2051与无线发射模块nRF2401芯片通讯，nRF2401芯片的1脚与发射用单片机的18脚连接，2脚与发射用单片机的14脚连接，4脚与发射用单片机的1脚连接，5脚与发射用单片机的11脚连接，9脚与发射用单片机的12脚连接，8脚与发射用单片机的7脚连接。此外，nRF2401的12脚接3.3V电源，6，7脚均接地。
参照图3，测量数据接收和处理单元独立设置，它包括：采用另一个nRF2401芯片的无线接收模块，发射用单片机采用另一个AT89C2051，MAX232串口电平转换芯片与计算机。nRF2401芯片与发射用单片机之间采用三线制模拟串口的形式连接，计算机与单片机之间通过MAX232芯片进行串行通讯。
参考图4，测量数据接收和处理单元中，nRF2401芯片采用三线制模拟串口与AT89C2051发射用单片机通讯。nRF2401的1脚与发射用单片机的P1.7脚连接，3脚与发射用单片机的P1.2脚连接，7脚与发射用单片机的P1.1脚连接，9脚与发射用单片机的P1.0脚连接，8脚与发射用单片机的P3.4脚连接，10脚与发射用单片机的P3.7脚连接；发射用单片机的P3.2脚通过电容C5接地，XTAL1引脚通过电容C6接地，P3.2脚与XTAL1引脚之间连接晶振Y1。此外，nRF2401的2脚接3.3V电源，11、12脚均接地。为了发射用单片机与计算机通讯，MAX232的11脚与发射用单片机的RXD脚连接，13脚与发射用单片机的XTAL2脚连接，MAX232的12、14脚通过串口的形式与计算机连接。
参考图5，在制动鼓501的外表面向里开一个直径比热电偶503直径大0.5mm左右的小孔，然后将热电偶503从该小孔向制动鼓501内表面垂直旋转进去，使得热电偶的前端刚好达到制动鼓501的内表面，保证热电偶的接触点要靠近摩擦面，但是不能裸露出来与制动蹄502相接触，此外，热电偶503的电极需要绝缘良好。
本实施例中，制动鼓温度测量、数据传输和处理过程说明如下：
(1)安装热电偶：参照图5安装热电偶。
(2)采集热电偶的电压信号：热电偶正常工作时，在输出端输出一个毫伏级的电压信号，这个电压信号随着温度的变化而变化。在大多数采用热电偶的测量系统里，对于这个毫伏电压信号一般需要经过放大，去噪，温度补偿，线性校正，模数转换过程才能得到温度值，通常这样的系统原理复杂，电路元器件多，系统稳定性不高，不适合在制动鼓这种复杂系统里面使用，系统中设计采用了MAX6675芯片来采集热电偶的信号，该芯片体积小，处理速度快，适合在制动鼓测量系统中使用。热电偶由两个接头输出电压信号，将这两个接头分别接入MAX6675的T+和T-引脚(3、2引脚)后AX6675将采集到热电偶输出的电压信号。
(3)处理热电偶输出的电压信号：正常运行时，AT89C2051发射用单片机发出控制指令，启动MAX6675采集热电偶输出的电压信号，然后由MAX6675将所采集到的信号在内部进行转换，这个过程包含了热电偶冷端补偿，信号去噪，电压放大，线性校正，A/D转换过程，转换完成以后将得到一个12位二进制的温度数据，温度的分辨率是0.25℃。转换完成以后由MAX6675向发射用单片机发出转换完成信号，然后发射用单片机将以串行通讯的形式采集这个12位的温温度数据。
通常所讲的温度数据都是采用十进值表示，发射用单片机采集到12位二进制的温度发射用后在内部按照一定的转换关系进行转换，得到十进制的温度发射用。从MAX6675采集热电偶的电压信号到发射用单片机得到十进制的温度数据，这个过程所耗费的时间不到0.2秒，因此，该装置的温度采集频率最高能达到5次/秒。本实施例中，MAX6675的选择使系统结构变得简单，成本大大降低，更重要的是其很大程度上减少了温度测量模块的体积，重量以及耗电量。
(4)无线发射温度数据：AT89C2051发射用单片机得到十进制的温度数据后对数据进行打包处理，控制程序中定义数据包包含了地址校验码和匹配校验码。由于空间中存在无线电波的干扰，因为在接收端接收的数据包就有可能不是由温度测量与发射单元所发射出去的，这样就会使接收端受到错误的数据，干扰系统的正常运行，因此，在数据打包时，首先在数据前加入地址校验码，然后在数据后加入匹配校验码(CRC)，这两个校验码和温度数据一起被封装成一个数据包发送到nRF2401中，nRF2401接收数据包完成之后将返回一个接收完成信号，发射用单片机收到此信号以后将启动数据包发射程序，以433Mhz的频率将数据包向周围空间发射。nRF2401的发射过程采用2.4G无线通讯协议，发射时，首先发射一个数据包标志信号，接下来是地址校验码、温度数据，然后是匹配校验码，最后是数据包接收标志。控制程序中对nRF2401采用射频控制，系统的发射速度快，正常使用时能够达到1M/s。
(5)无线接收温度数据：在测量数据接收和处理单元中，启动接收用单片机时，首先对接收端的nRF2401进行初始化，这个初始化过程包含了接收模式设定，接收数据时的地址校验码，匹配校验码设定等。初始化完成之后nRF2401进入到接收模式监测周围空间存在的数据包。
nRF2401接收到周围空间存在的数据包后，首先去掉数据包开始和结束标志，接下来对地址校验码进行校验，发射端所发射的数据包中包含了一个地址校验码和匹配校验码，在接收端由接收用单片机给nRF2401也设定了一个地址校验码和匹配校验码，这两个校验码完全一样，因此，nRF2401对接收到的数据包首先进行地址校验，如果地址不正确则丢弃该数据包重新接收，如果正确则继续校验匹配校验码。匹配校验码如果不正确该数据包依然被丢弃，只有在匹配校验码正确的前提下才将该数据包接收。对于校验正确的数据包，控制程序将去除地址校验码和匹配校验码，然后将这个温度数据返回给接收用单片机。
(6)接收用单片机与计算机串口传输温度数据：测量得到的温度数据需要保存到计算机中供研究人员使用，因此，需要将接收用单片机所采集到的温度数据发送到计算机中，这个过程采用RS-232串行通讯的形式完成。单片机的控制程序中，当接收到一个数据值后控制程序将启动发送程序将温度值向计算机中发送。
单片机的工作电压为5V，在传送二进制数据时，数字1代表5V，数字0代表0V，而计算机的工作电压为12V，数字1在计算机中代表12V，数字0代表0V。单片机在与计算机进行通讯时，为了保证数据传输的一致性，需要有一个中间站来完成电平转换，因此，本实施例采用了MAX232来完成这个过程。
计算机中的数据接收程序通过计算机的RS-232接口接收来自接受用单片机的温度数据，将接收到的温度数据保存到计算机内存中供数据处理程序使用。
(7)计算机处理温度数据：计算机中的数据处理程序采集保存在计算机内存中的温度数据，然后将所采集到的温度数据在监控窗口中实时显示，实现了对制动鼓温度的实时监测。另一方面，对于接收到的温度数据，控制程序将按照接收数据的时间将这些数据保存到计算机硬盘中。开始接收时，控制程序在硬盘中创建一个电子表格，在接收温度值时，将所接收到的温度值和接收时间自动写入到该表格中。接收完成以后保存该表格，以供后续研究使用，如制动鼓温度上升模型的建立等。