【文章內(nèi)容簡介】 3 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)輪胎工作溫度過高； (2)輪胎氣壓過大； (3)輪胎使用時間過長； (4)輪胎負(fù)荷過大； (5)汽車行駛速度過快。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程中實(shí)時了解輪胎的超壓、欠壓、溫度 等工作狀態(tài)，我們設(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)時監(jiān)測輪胎的壓力情況及溫度； (2)當(dāng)某個輪胎處于欠壓狀態(tài)時，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，通過報(bào)警來通知駕駛員，控制輪胎爆胎發(fā)生，以達(dá)到安全駕駛的目的。 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù) 對輪胎爆胎進(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)問題。在輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究 方 面，美國、日本、德國、法國、英國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)測系統(tǒng)產(chǎn)品。從近年 發(fā)布的世界新車資料來看，林肯大陸、奔馳、寶馬、標(biāo)志、道奇等中高檔車均安裝了輪胎壓力監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測汽車行駛過程中輪胎氣壓，車內(nèi)主控機(jī)板顯示模塊實(shí)時顯示輪胎氣壓狀態(tài)。 據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會相關(guān)市場調(diào)查表明，國內(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)品均是一些國外知名公司的品牌產(chǎn)品，但價格較為昂貴。因此，研制性能可靠、功能完善并且價格能為當(dāng)前多數(shù)國內(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)品的投放市場以解決因輪胎爆胎而引起的行駛安全性問題。 本課題的重點(diǎn)及難點(diǎn) 本課題的重點(diǎn)及難點(diǎn)就是對整體設(shè)計(jì)方案的選擇和各硬件模塊的選擇，具體表現(xiàn)為整個系統(tǒng)總共包含幾個模塊，對氣壓傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等的選擇，還有就是怎樣通過氣壓傳感器對氣壓信號的采集、控制、放大等處理完成氣壓參數(shù)的自動獲取，以及進(jìn)行數(shù)字顯示等等。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 本課題相關(guān)理論及 西安地區(qū)大氣壓 在設(shè)計(jì)電子氣壓計(jì)之前首先要搞清楚氣壓的定義。氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣壓以百帕（ hPa）為單位，取一位小數(shù)。國際制單位：帕斯卡，簡稱帕，符號是 Pa。常用單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。表示氣壓的單位，習(xí)慣上常用水銀柱高度。例如，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等于 760 毫米高的水銀柱的重量，它相當(dāng)于一平方厘米面積上承受 公斤重的大氣壓力。由于各國所用的重量和長度單位不同，因而氣壓單位也不統(tǒng)一，這不便于對全球的氣壓進(jìn)行比較分析。因此，國際上統(tǒng)一規(guī)定用＂百帕＂作為氣壓單位。經(jīng)過換算： 一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝ 1013 百帕（毫巴） 1 毫米水銀 (汞 柱）柱高＝ 4/3 百帕（毫巴） 1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝ 760mm 水銀 (汞柱）柱高。 氣壓產(chǎn)生的原因：從分子動理論可知，氣體的壓強(qiáng)是大量分子頻繁地碰撞容器壁而 產(chǎn)生的。單個分子對容器壁的碰撞時間極短，作用是不連續(xù)的，但大量分子頻繁的碰撞器壁，對器壁的作用力是持續(xù)的、均勻的，這個壓力與器壁面積的比值就是壓強(qiáng)大小。 影響壓強(qiáng)的因素：氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度 、大氣密度等有關(guān)，一般隨高度升高按指數(shù)律遞減。氣壓有日變化和年變化。一年之中，冬季比夏季氣壓高。一天中，氣壓有一個最高值、一個最低值，分別出現(xiàn)在 9～ 10 時和 15～ 16 時，還有一個次高值和一個次低值，分別出現(xiàn)在 21～ 22 時和 3～ 4 時。氣壓日變化幅度較小，一般為 ～ 千帕，并隨緯度增高而減小。氣壓變化與風(fēng)、天氣的好壞等關(guān)系密切，因而是重要?dú)庀笠蜃?。通常所用的氣壓單位有?(Pa)、毫米水銀柱高(mmHg)、毫巴 (mb)。它們之間的換算關(guān)系為： 100 帕＝ 1 毫巴 ≈3／ 4 毫米水銀柱高。氣象觀測中常用的測量氣壓的儀器有水銀氣壓表、空盒氣壓表、氣壓計(jì)。溫度為 0℃時 760 毫米垂直水銀柱高的壓力 ,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓最先由意大利科學(xué)家托里拆利測出。 大氣壓強(qiáng) 隨高度升高而降低 在海拔 2020 米范圍內(nèi) .海拔每升高 12m 降低一個 毫米汞柱 。 西安市平均海拔高度： 397 米 .大氣壓力 ：冬季： 734 毫米汞柱，夏季 718 毫米汞柱 。 由公式： 1 毫米汞柱 = 千帕 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 可得： 734? = 718? = 所以可得，西安地區(qū)大 致 氣壓范圍在 — 之間。西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 氣壓計(jì)結(jié)構(gòu) 本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機(jī)接收該脈沖信號，并根據(jù)單位時間內(nèi)得到 的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對應(yīng)的氣壓值，最后在單片機(jī)控制下由ＬＥＤ顯示出來。 本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量相應(yīng)氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計(jì) BMP085的技術(shù)指標(biāo)如 下 。 壓力范圍： 300— 1100hPa（海拔 9000 米 — 500 米 ） 電源電壓： — （ VDDA） — （ VDDD） LCC8 封裝： 無鉛陶瓷載體封裝（ LCC） 尺 寸： ? 低功耗： 5μA 在標(biāo)準(zhǔn)模式 高精度： 低功耗模式下，分辨率為 （ 米 ） 高線性模式下，分辨率為 （ 米 ） 含溫度輸出 2I C 接口 溫度補(bǔ)償 無鉛，符合 RoHS 規(guī)范， MSL 1 反應(yīng)時間： 待機(jī)電流： 無需外部時鐘電路 圖 氣壓計(jì)結(jié)構(gòu) 被 測 氣 壓 氣 壓 傳 感 器 單 片 機(jī) LCD 顯 示 模 塊 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 設(shè)計(jì) 方案 方案一 采用單片機(jī)主控，通過壓力傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過含有 單片機(jī)的檢測系統(tǒng)檢測，將結(jié)果傳送到單片機(jī)控制的主控器，數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。原理框圖如圖 所示 。 圖 設(shè)計(jì)方案一 方案二 采用集成的單片機(jī)主控，通過壓力傳感器將氣壓信號送入帶 A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(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。原理框圖如圖 所示 。 圖 設(shè)計(jì)方案二 綜上所述，方案一電路雖然與方案二類似，都較方案 二 調(diào)整方便、可兼顧的指標(biāo)多，但方案一利用 PC 機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)軟件操作，在操作運(yùn)行復(fù)雜 ，并且性價較 低 ，因此 耗費(fèi)較大，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般不用，所以我們選擇第二種方案。 設(shè)計(jì) 51 單片機(jī)數(shù)字氣壓計(jì)系統(tǒng)時，需要考慮下面 4 個方面的內(nèi)容。 選擇合適的氣壓傳感器芯片，這要根據(jù)實(shí)際需要以及各種氣壓傳感器的性能參數(shù)來決定。 選擇合適的 A/D 轉(zhuǎn)換器件，它的作用是將氣壓傳感器輸出的模擬電流或電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 氣 壓 傳 感 器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 的 檢 測 系 統(tǒng) 單 片 機(jī) 控 制 總 線 的主控系統(tǒng) 單片機(jī)控制 顯 示 器 89S52 單 片 機(jī) 處 理 氣 壓 傳 感 器 顯 示 器 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 設(shè)計(jì)單片機(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器件的接口電路。 實(shí)現(xiàn)氣壓信息采集并輸出的軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 由圖 可 知，整個系統(tǒng)的工作流程如下。 測量前先為各功能模塊初始化，測量時被測氣壓由氣壓傳感器轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接交由單片機(jī)處理。因此，需要經(jīng)過 V/F 轉(zhuǎn)換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化）。 通過單片機(jī)接收該脈沖信號，得到單位時間內(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)算出所對應(yīng)的實(shí)際氣壓值，最后通過數(shù)碼管顯示電路顯示給用戶。 如果該氣壓值不在預(yù)設(shè)值范圍之內(nèi)，則傳送一個脈沖信號給單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警，提示用戶氣壓出現(xiàn)異常。 系統(tǒng)各功能模塊 初始化模塊 1） LCD1602 的初始化 1602 一般初始化（復(fù)位）過程 延時 15ms 寫指令 38H （不檢測忙信號） 延時 5ms 寫指令 38H （不檢測忙信號） 基于單片機(jī)的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì) 初始化模塊 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)碼顯示模塊 警報(bào)模塊 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 延時 5ms 寫指令 38H （不檢測忙信號） 以后每次寫指令、讀 寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號 寫指令 38H ：顯示模式設(shè)置 寫指令 08H：顯示關(guān)閉 寫指令 01H：顯示清屏 寫指令 06H：顯示光標(biāo)移動設(shè)置 寫指令 0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置 LCD1602 由程序?qū)崿F(xiàn)軟初始化，部分程序如下： void InitLcd()。 //初始化 lcd1602 void WriteDataLCM(uchar dataW)。 void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc)。 void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)。 void conversion(long temp_data)。 void Single_Write(uchar SlaveAddress,uchar REG_Address,uchar REG_data)。 //單個寫入數(shù)據(jù) uchar Single_Read(uchar REG_Address)。 //單個讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù) void Multiple_Read(uchar,uchar)。 //連續(xù)的讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù) 2）氣壓傳感器 的初始化 初始化 BMP085，單片機(jī)開機(jī)進(jìn)行自檢，檢查各硬件連接狀況，利用蜂 鳴器來判斷各個模塊狀況 。 其初始化程序如下： void bmp085Calibration()//BMP085 初始化設(shè)置； { ac1 = bmp085ReadInt(0xAA)。 ac2 = bmp085ReadInt(0xAC)。 ac3 = bmp085ReadInt(0xAE)。 ac4 = bmp085ReadInt(0xB0)。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ac5 = bmp085ReadInt(0xB2)。 ac6 = bmp085ReadInt(0xB4)。 b1 = bmp085ReadInt(0xB6)。 b2 = bmp085ReadInt(0xB8)。 mb = bmp085ReadInt(0xBA)。 mc = bmp085ReadInt(0xBC)。 md = bmp085ReadInt(0xBE)。 } 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù) 據(jù)處理模塊主要是對 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，并且對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此處理過程主要是對采集的數(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。 數(shù)碼 顯示模塊 本設(shè)計(jì)是 用單片機(jī)的 P1 口連接一個 LCD1602 液晶顯示屏 顯示。 通過軟件編碼，顯示當(dāng)前 的 溫度和氣壓值。 警報(bào)電路模塊 當(dāng)氣壓傳感器所測到的氣壓值超出預(yù)設(shè)值范圍時，即給單片機(jī)一個脈沖信號，單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警。由于受條件所限，本次設(shè)計(jì)沒法控制氣壓，只能控制溫度，即當(dāng)傳感器測得溫度值大于 30 攝氏度時，單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警。 各功能模塊的選擇 單片機(jī)的選擇 方案一：選擇 arm 系列芯片， arm 系列具有低功耗，高性能的優(yōu) 點(diǎn)，一個機(jī)器周期能處理 32 位數(shù)據(jù)，可以使氣壓計(jì)的精度更高。 方案二：選擇 TI 公司的 MSP430 系列， 430 現(xiàn)在成為比較主流的單片機(jī)，在具有低功耗的五 種 模式下，還具有一定的計(jì)算能力，一般都為 16 位。 方案三：選擇使用八位處理的 51 系類單片機(jī)。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 綜合比較： arm 系 列 雖然處理精度高，但相比較 MSP430 系列和 51 系類價格太高