【正文】 基于單片機(jī)的胎壓測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文 目 錄緒 論 11 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 5 總體設(shè)計(jì)思路 5 硬件設(shè)計(jì)部分 5 A/D轉(zhuǎn)換 6 數(shù)據(jù)處理 6 氣壓傳感器的選擇 6 三端穩(wěn)壓器的選擇 7 軟件設(shè)計(jì)部分 72 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 硬件設(shè)計(jì)思路 9 單片機(jī)外圍電路 9 復(fù)位電路 9 振蕩電路 10 電源部分 11 按鍵部分 11 顯示部分 13 報(bào)警電路部分 13 元件簡(jiǎn)介 14 單片機(jī)STC5A60S2簡(jiǎn)介 14 氣壓傳感器MPX4105簡(jiǎn)介 16 MC78L05電源電路簡(jiǎn)介 17 DS1302時(shí)鐘電路簡(jiǎn)介 18 鍵盤控制模塊簡(jiǎn)介 19 1602字符型LCD簡(jiǎn)介 19 1602LCD的指令說(shuō)明及時(shí)序 21 PCB的制作 223 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23 軟件設(shè)計(jì)思路 23 如何由頻率計(jì)算出氣壓值 24 程序流程圖 244 系統(tǒng)的調(diào)試 25 硬件調(diào)試 25 調(diào)試步驟 25 軟件調(diào)試 25 Keil軟件簡(jiǎn)介 25 整體調(diào)試 26 系統(tǒng)仿真 26 實(shí)現(xiàn)結(jié)果 27結(jié) 論 29致 謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄A 英文原文 32附錄B 譯 文 35附錄C 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖及PCB圖 37附錄D 程序清單 39附錄E 元件清單 63附錄F 實(shí)物圖 64I沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文緒 論如今，隨著高速公路網(wǎng)的蓬勃興起，交通的日趨發(fā)達(dá)，車輛行駛速度的不斷攀升，交通隱患的防范問(wèn)題迫在眉睫，如因車胎漏氣和爆炸等原因造成的交通事故，很多是由輪胎的工作溫度過(guò)高或者不合理胎壓引起的。研究汽車輪胎胎壓計(jì)，就對(duì)現(xiàn)代汽車行駛時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和操縱穩(wěn)定性具有尤為重要的現(xiàn)實(shí)意義。高速公路的速度和便利，改變了人們的時(shí)空觀念，拉近了地域距離，改善了人們的生活方式。但是隨之而來(lái)的高速公路惡性交通事故卻令人震驚，已經(jīng)引起世界各國(guó)的強(qiáng)烈關(guān)注和重視，并開(kāi)始討論或采取相應(yīng)防范措施。據(jù)2002年美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)調(diào)查，全美平均每年有26萬(wàn)起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的；而在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的；此外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。統(tǒng)計(jì)表明：交通意外增加的主要原因是高速行駛中因輪胎故障引起的爆胎。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，46%的高速公路交通事故是由于輪胎故障引起的，這其中僅爆胎一項(xiàng)就占事故總量的70%，這是多么驚人的數(shù)字！在汽車的高速行駛過(guò)程中，輪胎故障是殺傷力最大也是最難預(yù)防的事故隱患，是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。如何解決輪胎故障、怎樣防止爆胎，已成為全球關(guān)注的首要問(wèn)題。2001年7月，為響應(yīng)美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)車輛安裝TPMS 立法的要求，美國(guó)運(yùn)輸部和國(guó)家高速公路安全管理局（NHTSA）聯(lián)合對(duì)現(xiàn)有的兩種輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，報(bào)告第一次將 TPMS 作為專用詞匯，并確認(rèn)直接式TPMS優(yōu)越的性能和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)能力。由此TPMS汽車輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為汽車三大安全系統(tǒng)之一，與汽車安全氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）一起被大眾認(rèn)可并受到應(yīng)有的重視[1]。 隨著高新技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代汽車不斷趨向高性能化，汽車用的輪胎也從長(zhǎng)期的性能時(shí)代，開(kāi)始進(jìn)入功能化的新時(shí)期。當(dāng)然，現(xiàn)代汽車的安全配置也在不斷得到完善，如安全帶、安全氣囊、防撞桿等被廣泛運(yùn)用，不過(guò)這些都是屬于交通事故發(fā)生后，才能對(duì)人、車起到保護(hù)作用的被動(dòng)安全裝置。然而輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)，則不同于上述的裝置，它在輪胎一出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并同時(shí)報(bào)警，最大限度地將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而極大地提升了車輛高速行駛的安全性，這一優(yōu)勢(shì)在高速公路上表現(xiàn)更為明顯。對(duì)輪胎爆胎進(jìn)行預(yù)警是保障汽車安全行駛的關(guān)鍵所在，已成為汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)面，美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)在近幾年都取得了突破性的進(jìn)展，形成了性能和功能完善的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)市場(chǎng)調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品有推出，但都是技術(shù)性能不甚完善簡(jiǎn)易系統(tǒng)產(chǎn)品，存在以下缺點(diǎn)：（1）系統(tǒng)工作壽命極短；（2）系統(tǒng)在低溫或高溫環(huán)境下失效；（3）工作可靠性較差。而性能可靠、功能完善、技術(shù)成熟的產(chǎn)品均是一些國(guó)外知名公司的品牌產(chǎn)品，但價(jià)格較為昂貴。因此，研制性能可靠、功能完善并且價(jià)格能為當(dāng)前多數(shù)國(guó)內(nèi)消費(fèi)者所接受的輪胎爆胎預(yù)警技術(shù)產(chǎn)品很有必要。國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)正迫切需求成熟的輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)及產(chǎn)品的投放市場(chǎng)以解決因輪胎爆胎而引起的行駛安全性問(wèn)題。TPMS （輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）的作用是在汽車行駛過(guò)程中對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以確保行車安全[2]。 工作原理：輪胎的輪轂上安裝一個(gè)內(nèi)置傳感器，傳感器中包括感應(yīng)氣壓的電橋式電子氣壓感應(yīng)裝置，它將氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置將信號(hào)發(fā)射出來(lái)。 TPMS通過(guò)在每一個(gè)輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，在行車或靜止的狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)視輪胎的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)射到接收器，在顯示器上顯示各種數(shù)據(jù)變化或以蜂鳴等形式提醒駕車者。并在輪胎漏氣和壓力變化超過(guò)安全門限（該門限值可通過(guò)顯示器設(shè)定）時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全 。 接收器也根據(jù)供電方式分為兩類。一種是通過(guò)點(diǎn)煙器或者接汽車電源線的方式供電，大部分的接收器都是這種；另一種是通過(guò)OBD插口供電，即插即用，而且接收器是HUD抬頭顯示器，如臺(tái)灣scat的TPMS就是這種。 駕駛者可以根據(jù)顯示數(shù)據(jù)及時(shí)地對(duì)輪胎進(jìn)行加氣或放氣，發(fā)現(xiàn)滲漏可以及時(shí)處理，讓意外能在小處化解。 功能：(1) 全時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力； (2) 輪流顯示當(dāng)前輪胎壓力及溫度；(3) 高壓低壓報(bào)警，高溫報(bào)警；(4) 快速漏氣報(bào)警；(5) 主機(jī)電池低電量提示；(6) 停車時(shí)顯示屏自動(dòng)關(guān)閉；(7) 電池供電時(shí)主機(jī)可自動(dòng)進(jìn)入停車省電模式；(8) 可根據(jù)車型及輪胎位置設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)壓力值。 TPMS (Tire Pressure Monitoring System) 輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。目前各國(guó)研制的輪胎氣壓報(bào)警系統(tǒng)主要分為兩種類型：一種是間接式，它通過(guò)汽車ABS（防抱制動(dòng)系統(tǒng)）的輪速傳感器及輪胎的力學(xué)模型，間接求出輪胎氣壓，以達(dá)到監(jiān)視輪胎氣壓的目地；另一種是直接式，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰離子電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，而監(jiān)視器隨時(shí)顯示各種輪胎氣壓，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，確保行車安全[3]。汽車高速行駛中，由于輪胎的壓力不正常而造成爆胎是駕駛員難以預(yù)防的，也是突發(fā)性和惡性交通事故發(fā)生的重要原因。引起輪胎漏氣和爆胎的原因主要有：(1) 輪胎工作溫度過(guò)高；(2) 輪胎氣壓過(guò)大；(3) 輪胎使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；(4) 輪胎負(fù)荷過(guò)大；(5) 汽車行駛速度過(guò)快[4]。為使汽車能夠處于安全的駕駛狀態(tài)，駕駛者必須在行車過(guò)程中實(shí)時(shí)了解輪胎的超壓、欠壓、溫度等工作狀態(tài)，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的汽車輪胎胎壓計(jì)具有以下的功能：(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎的壓力情況；(2) 當(dāng)某個(gè)輪胎處于欠壓狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的欠壓報(bào)警指示燈亮。當(dāng)汽車輪胎壓力處于非正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)報(bào)警來(lái)通知駕駛員，防止輪胎爆胎的發(fā)生，以達(dá)到安全駕駛的目的。由于汽車的迅速普及，人們對(duì)駕駛安全性與舒適性的追求越來(lái)越高，隨車攜帶數(shù)字氣壓計(jì)可以保證人們安全駕駛，有效地降低由于爆胎導(dǎo)致的交通事故發(fā)生地概率。而服務(wù)商需要的是一種物美價(jià)廉的數(shù)字氣壓計(jì)，以滿足有車一族的需要[56]。本課題設(shè)計(jì)的是一種基于單片機(jī)的數(shù)字氣壓計(jì)，主要針對(duì)的是汽車輪胎胎壓計(jì)的設(shè)計(jì)。汽車輪胎胎壓計(jì)是通過(guò)氣壓傳感器獲取與汽車輪胎胎壓相對(duì)應(yīng)模擬電壓值，并經(jīng)過(guò)V/F變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)氣壓值。由于使用胎壓計(jì)有一定的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)數(shù)字氣壓計(jì)時(shí)要仔細(xì)了解這些參數(shù)以防止使用不當(dāng)而損壞胎壓計(jì)。汽車輪胎胎壓計(jì)采用高性能絕對(duì)壓力傳感器，屏幕顯示出高準(zhǔn)確度的汽車輪胎胎壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪胎壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。當(dāng)汽車輪胎壓力處于非正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)報(bào)警來(lái)通知駕駛員，防止輪胎爆胎的發(fā)生，以達(dá)到安全駕駛的目的。本課題設(shè)計(jì)充分利用了MPX4105芯片的功能，它滿足數(shù)字氣壓計(jì)采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時(shí)，由于大量的工作由單片機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，且調(diào)整方便、可兼顧的指標(biāo)多，從而大大降低了成本。另外，作為一種功能強(qiáng)大的平臺(tái)，該數(shù)字氣壓計(jì)具有很好的功能擴(kuò)展性，具有精度高、穩(wěn)定性好、功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，為儀器及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)后續(xù)技術(shù)升級(jí)以進(jìn)一步滿足市場(chǎng)的需要提供了條件。本文完成了胎壓測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。全文共分五個(gè)章節(jié)：第一部分是緒論，介紹國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)意義；第二部分綜述總體設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等；第三部分是硬件設(shè)計(jì)部分，具體闡述硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括各元件簡(jiǎn)介以及模塊功能；第四部分介紹軟件設(shè)計(jì)部分，包括設(shè)計(jì)思路、頻率與氣壓的換算以及程序流程圖；第五部分簡(jiǎn)單介紹總體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括硬件的測(cè)試和軟件測(cè)試以及實(shí)現(xiàn)結(jié)果。全文按照總體方案的設(shè)計(jì)，首先對(duì)硬件各模塊完成了功能設(shè)計(jì)，其次利用軟件程序設(shè)計(jì)連接各功能模塊、完善功能，然后通過(guò)仿真測(cè)試，最終整體實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、顯示胎壓、險(xiǎn)情預(yù)警并在正常狀態(tài)下可實(shí)時(shí)顯示日期、時(shí)間等功能。1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思路由于測(cè)量時(shí)被測(cè)氣壓由氣壓傳感器轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號(hào)不能直接交由單片機(jī)處理。因此，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化）。通過(guò)單片機(jī)接收該脈沖信號(hào)，得到單位時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際氣壓值，最后通過(guò)LCD顯示電路顯示給用戶。：通過(guò)對(duì)單片機(jī)各個(gè)端口的設(shè)置，以及定時(shí)器工作方式和串行口工作方式的選擇，并對(duì)定時(shí)器和串行口進(jìn)行初始化用以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和各個(gè)功能模塊芯片之間通訊和聯(lián)絡(luò)的設(shè)定。在主程序模塊中關(guān)鍵是使單片機(jī)初始化，以及分配地址空間交代程序中各個(gè)變量等。其中最為關(guān)鍵的是連接子程序的各個(gè)功能模塊。 硬件設(shè)計(jì)部分本系統(tǒng)采用集成的單片機(jī)主控，通過(guò)壓力傳感器將氣壓信號(hào)送入帶A/D轉(zhuǎn)換的STC5A60S2單片機(jī)中，以及在相關(guān)模擬分立元件的輔助下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及其它的數(shù)據(jù)處理，將處理的結(jié)果送顯示部分進(jìn)行顯示。另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了以上主要功能外，本系統(tǒng)還加入了顯示時(shí)鐘，可時(shí)時(shí)顯示時(shí)間并有斷電保護(hù)，增加了硬件的趣味性和美感。使數(shù)字氣壓計(jì)功能更加完善，外觀更加完美。 A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)接受傳感器的電壓值為模擬信號(hào)，它要和A/D轉(zhuǎn)換模塊的鋸齒波發(fā)生裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)相比較，即通過(guò)單片機(jī)引腳進(jìn)行比較，同時(shí)開(kāi)發(fā)定時(shí)器0，當(dāng)待測(cè)模擬信號(hào)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)時(shí)，I/O引腳信號(hào)將會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)定時(shí)器0的值通過(guò)轉(zhuǎn)化就得到了相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，并且對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此處理過(guò)程主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初值定義以及相應(yīng)的移位處理，并且把處理好的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的緩沖區(qū)，為后面的顯示模塊作好準(zhǔn)備[8]。 氣壓傳感器的選擇氣壓傳感器對(duì)于數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，需要綜合實(shí)際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。氣壓傳感器的主要性能參數(shù)如下：(1) 測(cè)量范圍即所能測(cè)量的大氣壓力范圍，單位為k Pa。(2) 測(cè)量精度測(cè)量結(jié)果（電流或電壓）的精度。(3) 溫度補(bǔ)償范圍一般要選用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器，因?yàn)闇囟妊a(bǔ)償特性可以克服半導(dǎo)體壓力敏感器件存在的溫度漂移問(wèn)題。(4) 測(cè)量的是否是絕對(duì)氣壓值絕對(duì)氣壓值對(duì)應(yīng)的即是實(shí)際的氣壓值，顯然要實(shí)現(xiàn)數(shù)字氣壓計(jì)需要測(cè)量絕對(duì)氣壓值的氣壓傳感器。數(shù)字氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值，同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器[9]。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們選用美國(guó)摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可以產(chǎn)生于所加氣壓呈線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓，它具有以下特點(diǎn)：(1) 供電范圍：~。(2) 測(cè)量范圍：15~105kPa。(3) 工作溫度范圍：0~85℃。(4) 溫度補(bǔ)償范圍：40~+125℃。(5) 測(cè)量精度為177。%VFSS。(6) ~，；~，；。(7) 理想的微處理器接口。 三端穩(wěn)壓器的選擇本設(shè)計(jì)中的外部電源是+9V，但是單片機(jī)、MPX4105等其他芯片需要+5V供電，因此還需要設(shè)計(jì)專門的供電電路以滿足整個(gè)系統(tǒng)的電源需求。選用摩托羅拉公司的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片MC78L05作為電源電路。其輸入電壓范圍：~24V，輸出+5V 固定電壓；具有內(nèi)部短路電路限制和熱過(guò)載保護(hù)功能，無(wú)需外部元器件。 軟件設(shè)計(jì)部分本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)單片機(jī)各個(gè)端口的設(shè)置，以及定時(shí)器工作方式和串行口工作方式的選擇，并對(duì)定時(shí)器和串行口進(jìn)行初始化用以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和各個(gè)功能模塊芯片之間通訊和聯(lián)絡(luò)的設(shè)定。在主程序模塊中我們關(guān)鍵是使單片機(jī)初始化，以及分配地址空間交代程序中各個(gè)變量等。其中最為關(guān)鍵的是連接子程序的各個(gè)功能模塊。首先設(shè)置計(jì)時(shí)器0和計(jì)數(shù)器1，當(dāng)計(jì)數(shù)器處于0狀態(tài)時(shí)返回，當(dāng)處于1狀態(tài)時(shí)進(jìn)入定時(shí)器0服務(wù)子程序。ET0=0時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，然后判斷是否計(jì)數(shù)為10，為10就設(shè)定ET0=TR1=1，不為10則設(shè)定TR1=0、計(jì)數(shù)器復(fù)位，之后計(jì)算氣壓值、調(diào)用顯示函數(shù)，再返回ET0=TR1=1。： 程序流程圖本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言作為編程工具。C語(yǔ)言是一種編譯型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的處理功能，具有運(yùn)行速度快、編譯效率高、移植性好和可讀性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)便件的直接操作。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，可以大