【正文】 ........... 32 附錄 控制系統(tǒng) C程序代碼 ................................................... 33 寧夏理工學院畢業(yè)設計 1 1 緒論 環(huán)保、節(jié)能、安全是當今汽車發(fā)展的三大主題，作為影響人民生命財產全和國家經濟命脈的重要因素的汽車安全性是汽車設計過程首要考慮的問題，汽車輪胎氣壓保持正常值是車輛舒適性和行駛安全的保證。輪胎氣壓高于正常值時，與地面接觸面積減少，摩擦系數(shù)降低，便會導致車輛側滑、顛簸、爆胎，危及行駛安全；輪胎氣壓低于正常值，輪胎內部就會開始分離、脫層、最后導致爆胎 [1]，在低速狀態(tài)下行駛就會因輪胎變形過大而傷胎。因此，及時地了解和準確掌握輪胎的溫度、壓力狀況是避免爆胎，提高汽車安全行駛水平的有效途徑 [2]。 國外因立法較早， TPMS(Tire Pressure Monitoring System)成為標配，市場占有率高。中國國家標準管理委員會 2021 年發(fā)布的《中國 TPMS 標準意見征求稿》 ,標TPMS 成為汽車的標準配件是必然的趨勢。 TPMS 對汽車輪胎壓力、溫度的監(jiān)測技術主要有直接式和間接式兩種形式。直接式是利用安裝在輪胎里的智能傳感器來直接測量輪胎的氣壓、溫度、電池電壓，并通過無線調制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器隨時顯示輪胎的氣壓、溫度、電池電壓，當輪胎出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)就會自動報警；間接式 是借助防抱死制動系統(tǒng) (Antilock Braking System, ABS)的輪速傳感器來比較車輪轉速，從而估算兩個輪胎胎壓的差別，當某個輪胎胎壓低于預先設定的初始值時，向司機報警。目前在 TPMS 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究中存在三個技術難點：低功耗實現(xiàn)、無線信號傳輸、射頻天線設計。 本課題進行直接式汽車輪胎壓力與溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究。針對該系統(tǒng)目前存在的技術難點，設計本文的系統(tǒng)方案，目的是實現(xiàn)一種可以實時監(jiān)測行駛車輛輪胎內部氣壓、溫度的預警系統(tǒng)。 研究背景 汽車在高速行駛過程中， 輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計 [3]，在高速公路上發(fā)生的交通事故有 70%～ 80%是由于爆胎引起的，怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。 輪胎監(jiān)測系統(tǒng)（ TPMS）主要用于在車輛行駛時實時地對輪胎壓力和溫度進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓進行預警，以保障駕乘者行車安全，是駕駛員、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 2 中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車的需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨勢。因此，我國 TPMS 需求與日俱增， TPMS 的研究具有重要的社會意義和經濟價值。為與世界先進國家保持同步，我國關于汽車安裝 TPMS 的法規(guī)也將會出臺。目前我們國內已有很多家設計公司、生產廠家開始開發(fā)、設計、生產 TPMS。因此一套安全、可靠、方便、成本低廉的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)將有廣闊的應用前景 [4]。 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀 目前市場上主流 TPMS 的實現(xiàn)方式是利用安裝在每一個輪胎內部的輪胎監(jiān)測模塊來直接測量輪胎的壓力、溫度，并通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到安裝在駕駛室的中央控制模塊。中央控制模塊實時顯示每個輪胎的壓力、溫度，駕駛員 可以直觀的了解各個輪胎的壓力、溫度等狀況，當輪胎壓力、溫度太低或者太高，系統(tǒng)會自動報警，提醒駕駛員，防止事故發(fā)生。 TPMS 的性能主要取決于輪胎監(jiān)測模塊的實現(xiàn)方式。根據(jù)輪胎監(jiān)測模塊供電方式的不同， TPMS 可以分為有源 TPMS 和無源 TPMS。 (1) 有源 TPMS，指 TPMS 的輪胎監(jiān)測模塊使用專用鋰電池供電。本課題研究的輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)即是一種有源輪胎監(jiān)測系統(tǒng)。 有源 TPSM 的輪胎監(jiān)測模塊有以下幾個部分組成：壓力溫度傳感器、微控制器、射頻芯片、低頻喚醒芯片、電池以及天線組成 。 壓力溫度傳感器是一個集成了壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理的片上系統(tǒng)。為了增強傳感器功能，不少傳感器還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內部時鐘、看門狗及其它功能的數(shù)字信號處理單元。 (2) 無源 TPMS，指 TPMS 的輪胎監(jiān)測模塊不使用電池供電。目前有兩個發(fā)展方向，一種是利用 RFID 讀頭端的發(fā)射功率為輪胎監(jiān)測模塊供電，另一種是利用汽車行駛中的機械能為輪胎監(jiān)測模塊供電。 射頻識別技術（ RFID）是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用了射頻信號和空間耦合（近距離的 電感耦合和遠距離的電磁耦合）傳輸特性，其中電感耦合的依據(jù)是電磁感應定律，電磁耦合是以雷達原理為模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射同時帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。射頻識別系統(tǒng)一般由兩個部分組成，即標簽端（ Tag）和讀頭端（ Reader）。在無源 TPMS 中，標簽端依附于輪胎監(jiān)測模塊，讀頭端依附于中央控制模塊 [5]。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 3 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究意義 TPMS 系統(tǒng)在提高汽車行駛安全性，減少生命財產損失以及減少能耗等方面都具有非常重要的研究意義，其具體優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面 [6]： (1)事前主動型安保 汽車現(xiàn)有安全措施，如 ABS、 EDS、 EPS、安全氣囊等，均是“事后被動”型安保，即在事故發(fā)生后才起到保護人身安全的作用。而 TPMS 屬于“事前主動”型安保，即在輪胎出現(xiàn)危險征兆時及時報警，駕駛員可采取措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。 (2)延長輪胎使用壽命 統(tǒng)計表明：輪胎氣壓不足行駛，車輪氣壓比正常值下降 10%，輪胎壽命減少 15%。TMPS 系統(tǒng)實時監(jiān)測每個輪胎的動態(tài)瞬時氣壓，當輪胎氣壓出現(xiàn)異常時能及時自動報警，從而減少車胎的損毀，延長輪胎使 用壽命。 (3)減少燃油消耗，利于環(huán)保 實驗顯示，輪胎氣壓低于標準氣壓值 30%，油耗將上升 10%。如果輪胎氣壓過高，抓地力就會下降，輪胎磨損加快。油耗上升不僅增加車輛運行費用，而且增加廢氣排放，對環(huán)境的污染加大。車輛安裝了 TPMS 系統(tǒng)，就能及時發(fā)現(xiàn)車胎氣壓異常，有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，不僅降低油耗，而且還可減輕對環(huán)境的污染。 (4)可避免車輛部件不正常的磨損 若汽車在輪胎氣壓過高的狀態(tài)下行駛，日積月累對發(fā)動機底盤及懸掛系統(tǒng)將造成很大的傷害；如果輪胎氣壓不均勻，則會造成剎車 跑偏，從而增加懸掛系統(tǒng)的磨損。安裝了 TPMS 系統(tǒng)，便能有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。 本文研究內容和結構 研究內容 該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：將通過在輪胎內部安裝的壓力和溫度傳感器，中央控制單元對輪胎內部的溫度、壓力值進行采集、處理后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內部的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器對輪胎的數(shù)據(jù)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)輪胎的狀態(tài)異常，則通過聲光報警提示駕駛員進行處理。 針對上述系統(tǒng)功能，本課題的主要研究內容如下： (1)分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析了該系統(tǒng)的關鍵技術、 國內外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 4 (2) 綜合分析國內汽車各方面綜合因素，設計系統(tǒng)的總體方案。 (3) 輪胎模塊硬件和軟件的設計。 (4) 主機模塊硬件和軟件的設計。 論文的結構安排 第一章：介紹汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的提出背景和研究意義，當前的技術應用現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，給出本文的研究內容和結構安排。 第二章：介紹系統(tǒng)主要工作原理。在對系統(tǒng)方案的論證基礎上，確定系統(tǒng)的軟硬件技術性能要求和實施方案，確定系統(tǒng)的總體設計方案。 第三章：輪胎模塊硬件和軟件的設計 。以 Freescale(前 Motorola 半導體部 )的 MPXY8300 系列傳感器、微處理器、發(fā)射芯片三件集成一體芯片為核心，構建輪胎模塊；與主機模塊搭建實現(xiàn)系統(tǒng)對輪胎狀態(tài)信息的測量、無線傳輸、狀態(tài)監(jiān)控和異常報警。 第四章：主機模塊硬件和軟件的設計。主要介紹 MPXY8300 系列微控制器的基礎上，以接收芯片 MC3359微控制器 STC12C5416AD 芯片為核心，構建主機模塊；實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的測量、模擬 /數(shù)字轉換、無線射頻傳輸控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和顯示報警等功能。 第五章：總結與展望。對本 設計的總結與展望。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 5 2 系統(tǒng)總體設計 汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (TPMS)是一種采用無線傳輸技術，利用固定于汽車輪胎內的微型無線傳感裝置采集輪胎壓力和溫度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到駕駛室內的接收機中，以數(shù)字化的形式實時顯示輪胎壓力和溫度的相關數(shù)據(jù)，并在輪胎出現(xiàn)危險征兆時進行報警的汽車主動安全系統(tǒng)。主要功能是在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓和溫度進行自動監(jiān)測，對輪胎快速漏氣、高低氣壓和高溫分級報警，從而達到預防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和經濟行車。 針對在汽車惡劣的工 作環(huán)境下，設計滿足國內外 TPMS 標準的技術指標 (中國的標準高于國外標準 )[7]，綜合目前市場存在的經典方案，分析了其中的關鍵技術，本文設計一種具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。 TPMS 系統(tǒng)分類及其工作原理 目前 TPMS 主要有兩種實現(xiàn)方式：間接式 TPMS 系統(tǒng)和直接式 TPMS 系統(tǒng)。 間接式 TPMS 間接式 TPMS 系統(tǒng)是與車輛的防抱死系統(tǒng) (ABS)一起使用的。 ABS 采用車輪轉速傳感器測量每個車輪的轉速。當一個輪胎的氣壓減小時，滾動半徑就減小，而 車輪的旋轉速度就相應地加快。間接式 TPMS 的檢測原理如圖 所示。 圖 TPMS檢測原理 直接式 TPMS 直接式 TPMS 系統(tǒng)主要由安裝在輪胎上的輪胎監(jiān)測模塊和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器兩個部分組成。輪胎監(jiān)測模塊由壓力 /溫度傳感器、微控制器 (MCU)、射頻 (RF)發(fā)射器組成，中央監(jiān)視器由 RF 接收器、 MCU 以及 LCD、按鍵、報警模塊等組成。一般情況下，一輛轎車或面包車的 TPMS 系統(tǒng)有 4 或 5 個 (包括備用胎 )監(jiān)測模塊，一輛卡車有 8～ 36 個 寧夏理工學院畢業(yè)設計 6 監(jiān)測模塊，本系 統(tǒng)設計主要面向四輪輕型汽車的輪胎狀態(tài)監(jiān)測，其安裝位置示意圖如圖 所示，固定在每個車輪中的壓力、溫度傳感器直接測量每個輪胎的氣壓和溫度，然后通過RF 發(fā)射器將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收到輪胎監(jiān)測模塊發(fā)射的信號后進行分析，并將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果胎壓或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出報警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。 圖 TPMS檢測原理 間接式和直接式 TPMS 的比較與選擇 間接式 TPMS 的優(yōu)點是只要具備 ABS 系統(tǒng)，就可以增加 TPMS 的功能，另外所需的只是軟件，因此成本比較低。但是間接式 TPMS 有以下幾個主要缺點：無法同時監(jiān)測到同軸兩輪胎、同側兩輪胎以及四個輪胎全部漏氣的情況；不能對溫度進行測量；受速度影響較大，一般不能超過 100km/h；輪胎重新安裝或者 TPMS 復位后， TPMS 傳感器標定比較麻煩。 相比于間接式 TPMS，直接式 TPMS 具有很多優(yōu)點，如能在任意瞬時監(jiān)測 4 個輪胎內的壓力和溫度大小，測量精度和準確度均高于間接式 TPMS 且不受行駛速度的限制等。但是它也存在一些弊端，比如，直接有源式 TPMS 的監(jiān)測模塊質量較大，安裝在輪胎內會打破原先的動平衡，而且成本比較高；在惡劣潮濕的環(huán)境下，電池會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，使得系統(tǒng)使用年限縮短。而基于 SAW 的直接無源式 TPMS 主要優(yōu)點是傳感器部分不需要電池供電，而且質量較小，目前已經開發(fā)出的實驗傳感器只有 5g 左右，同時可在高低溫等惡劣環(huán)境下工作，但是它需要將轉發(fā)器 (Transponder)整合至輪胎中，這需要各輪胎制造商建立共同的標準才有可能實現(xiàn) [8]，因此，無源式 TPMS 短期內還難以流行。 直接式 TPMS 總體設計 系統(tǒng)組成 本課題所要 實現(xiàn)的 TPMS 為直接式電池供電的 TPMS。 TPMS 主要由兩個模塊 (見圖 )組成：安裝在汽車每個輪胎內部的輪胎模塊和安裝在汽車駕駛室中的主機模塊。輪胎模塊 寧夏理工學院畢業(yè)設計 7 一般由傳感器、微控制器和射頻發(fā)射芯片組成，負責壓力和溫度數(shù)據(jù)采樣、處理和射頻發(fā)送。主機模塊一般由射頻接收芯片、微控制器、數(shù)據(jù)顯示屏和按鍵組成。負責壓力和溫度數(shù)據(jù)接收、顯示、報警和系統(tǒng)設置。輪胎模塊和主機模塊之間采用射頻無線通信。 圖 系統(tǒng)設計要求 由于現(xiàn)在汽車輪胎大多是沒有內胎的子午胎，因此，將 TPMS 的輪胎監(jiān)測模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的。但是汽車在高速跑動時輪胎內環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設計要按汽車級的要求來選用元器件。而對于中央監(jiān)視器，由于其安裝在汽車車廂內，環(huán)境溫度變化不大，電源可以使用汽車的 12V～24V 電源，因此器件的選