【文章內(nèi)容簡介】 ，駕駛室內(nèi)的監(jiān)視器可以根據(jù)不同的異常情況，發(fā)出報警信號。TPMS 大體分為兩種類型：間接式，它利用的是輪胎速度差，從而可以監(jiān)測輪胎狀況，但其缺點是無法對多個輪胎不正常狀態(tài)做出準確判斷且在高速下也無法做出判斷。第二種直接式 TPMS，它使用壓力傳感器直接測量壓力得出數(shù)據(jù)，并通過高頻傳出信號。監(jiān)視器可以動態(tài)顯示氣壓值，并可以在不正常狀態(tài)下向駕駛員提出報警。經(jīng)實驗證明直接式要比間接式方便和精確。因此許多汽車制造廠商采用了直接式方式?，F(xiàn)在國內(nèi)各個汽車廠家也開始追隨世界潮流，在自己的汽車上安裝直接式檢測系統(tǒng)，但大多為國外成品，自主能力較差發(fā)展?jié)摿^深。本設(shè)計選用的是直接式測量方法。它以 PIC16F628 單片機為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片 SP12 和 GHz 全雙工無線通信收發(fā)模塊nRF2401[3]。SP12 在單片機控制下檢測壓力傳輸數(shù)據(jù)。并以數(shù)字量形式輸出,再經(jīng)過單片機 MCU 打包后通過 nRF2401 調(diào)制成高頻發(fā)射出去。而同時,也可以利用 24l01 傳輸控制信號 [4]。而在接收方在接收信號后經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)整再通過液晶屏顯示。江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計3 本論文的內(nèi)容簡介本論文的章節(jié)安排如下：第 1 章：主要介紹了汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究背景和意義，分析了汽車輪胎壓力對汽車運行的影響，并介紹了國內(nèi)外 TPMS 發(fā)展狀況。第 2 章：介紹了 TPMS 的分類和測量原理以及對爆胎原因進行了介紹。第 3 章：大體介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計方案，以及該設(shè)計所需達到的要求，外界環(huán)境狀態(tài)，以及對技術(shù)要求進行了分析。第 4 章：詳細的介紹了文章所使用的各種芯片，以及選用芯片的標準。重點介紹了射頻芯片和低頻發(fā)射芯片和比較了壓力傳感器的優(yōu)缺點。第 5 章：提出了在設(shè)計中所遇到的關(guān)鍵的兩個問題，并提出了多種解決方案，在這些方案中選擇了最為合適的方案加以實際解決。第 6 章：將各部分電路圖展示，并加以詳細的說明介紹。第 7 章：大體說明了軟件設(shè)計流程，對軟件設(shè)計提供了詳細的指導。另外對結(jié)果進行了仿真測試。江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計42 TPMS 分類及原理介紹 間接式所謂的間接式就是非直接接觸測量，氣壓值不是由傳感器直接給出數(shù)據(jù)的方式。現(xiàn)在較為常用的兩種方法為計算式和磁敏式。 計算式間接間接式的大體原理就是測量輪胎轉(zhuǎn)速，當輪胎不正常時，汽車輪胎轉(zhuǎn)速會變得不正常。利用當前速度與 ABS[5]速度相比較可以得知當前輪胎壓力狀況，當輪胎漏氣或者爆胎時，車輪直徑會變小從而速度會變大，經(jīng)過測速傳感器測量到微處理器中進行處理比較最終得知車輪的變化。方法較為簡單實用，且安裝方便。其方法框圖如圖 21 所示。但同時這種方法也具有很大的局限性和缺陷。首先當速度過大時比如大于 100 碼時得出的結(jié)果就會不準確。另外如果兩個輪胎發(fā)生了異常，司機也無法判斷和解決。ABSVSCCPU波形處理輪胎在 VSC 控制范圍內(nèi)排除共振外的雜波推算輪胎彈簧常數(shù)的變化對氣壓低的判斷和處理液晶屏顯示LED 燈報警速度傳感器圖 21 計算式間接 TPMS 結(jié)構(gòu)圖 磁敏式間接所謂的磁敏式方法是在車輪內(nèi)部安裝磁性組件，當輪胎發(fā)生異常時會使得磁性組件發(fā)生偏移從而改變與外界磁敏器件（如。 霍爾器件）之間的磁場強度，利用磁敏器件測量這些變化從而得知輪胎內(nèi)部壓力狀況其框圖如圖 22所示。利用這種方法可以無需直接接觸輪胎內(nèi)部就可以得知壓力狀況。這種江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計5方法中所用的器件都是安裝在輪胎外部所以在對器件選擇時就不需要太高要求。如對其耐溫，耐壓能力無需太高大大降低了由器件造成的成本消耗。但同時其缺點也是顯而易見的：首先無法定量的測量內(nèi)部壓力。第二，因為輪胎氣量在不同溫度下不同行駛條件下對氣壓要求是不一樣的，比如：在夏天氣壓會比冬天得低。第三，由于汽車輪胎使用時會發(fā)生磨損表面會變薄，安裝的磁敏組件與磁性組件之間的距離會變小，需要不斷地調(diào)整標準量?；魻栄b置 信號處理 A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動器電子控制單元磁敏組件圖 22 磁敏式間接 TPMS 結(jié)構(gòu)圖 基于 SAW 方式所謂的 SAW 就是 Surface Acoutic Wave 的縮寫 [6]，即使表面聲波它是在1885 年英國物理學家瑞利發(fā)現(xiàn)的。該研究表明在彈性晶體表面存在一種波動，也就是我們所說的表面聲波 [7]。當外界向由晶體構(gòu)成的 SAW 組件發(fā)射一定的頻率的高頻電波時， SAW會接收并發(fā)回一定頻率的信號，當該組件處在不同壓力和溫度時返回的信號頻率也不同，由此可以測量輪胎內(nèi)部壓力。 直接式所謂的直接式就是使用壓力傳感器直接埋入輪胎檢測壓力值安裝位置 [8]如圖 23 所示，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳出的方式。其中又包括機械式和電子式，這是由其傳感器的類型所決定的。當談到直接式系統(tǒng)時為了直觀的理解我們需要了解的是發(fā)射裝置的安裝顯示報警裝置江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計6情況其安裝位置也是需要我們仔細考慮的問題。目前發(fā)射裝置安裝位置主要分為兩類：第一種安裝在輪轂上，另一種安裝在氣門芯上。無論安裝在何位置都要考慮的是平衡問題。所以在汽車安裝時都會做平衡校驗。事實上安裝在氣門芯上是現(xiàn)在的主流。因為可以把發(fā)射天線用氣門芯代替。 圖 23 直接式 TPMS 安裝圖江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計73 系統(tǒng)的總體設(shè)計 系統(tǒng)的需求分析 工作環(huán)境TPMS 的采樣端位于輪胎內(nèi)部，工作在密封的環(huán)境中。故而需要無線通信實現(xiàn)信息交換。另外由于輪胎高速旋轉(zhuǎn)，所以必須固定牢靠。另外車胎內(nèi)部空間狹小對于系統(tǒng)體積必須有著嚴格控制。而且由于被深埋入輪胎內(nèi)部取出極不方便，所以必須采用微功耗設(shè)計。綜合起來，設(shè)計的主要要求如下：1. 體積小，系統(tǒng)的體積應盡可能的?。?. 微功耗，采用電池供電電量有限，所以應做到功耗低延長工作時間；3. 抗干擾性能要好，因為采用無線通信采取適當方法抑制干擾提高通信可靠性；4. 發(fā)射距離要適當，應保持在 4 米到 8 米之間，過小信號無法到達接收端 技術(shù)分析本設(shè)計的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)所采用的是直接式檢測輪胎壓力的方式。它采用的是鋰電池供電，通過埋入輪胎的壓力傳感器檢測壓力，再通過無線調(diào)制發(fā)射到駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器可以監(jiān)測每個輪胎的壓力，從而司機可以及時作出調(diào)整。具體要求如下：1. 可以實時監(jiān)測以及顯示每個輪胎的壓力情況；2. 在氣壓過高或者欠壓時能發(fā)出報警并警告駕駛員； 汽車輪胎爆胎原因分析汽車爆胎是汽車行駛時遇到的最常見的危害，而其原因也是多樣的。負荷過大，胎內(nèi)氣壓，溫度，行駛速度都是很重要的因素。所以研究汽車輪胎爆胎也成為了一項系統(tǒng)而重要的研究課題。而目前汽車所使用的子午胎（即無內(nèi)胎）爆胎原因更為復雜，但其中最多江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計8的也是最常見的是輪胎欠壓。目前子午胎為了提升輪胎的強度，會在外層加上一圈鋼絲。當輪胎欠壓或是漏氣時會使車體下沉，隨之溫度因輪胎摩擦加重而升高。溫度的升高會使輪胎老化加快，鋼絲變形，最終內(nèi)部斷裂。其原因如下：1. 漏氣 因外界銳器扎破輪胎導致氣壓迅速下降，這會使汽車迅速偏向并失去控制，在交通安全中這是一種極為危險的事；2. 胎壓過低 由于使用時間長輪胎內(nèi)部氣體量下降到一定程度，在高速行駛時，摩擦急劇加重，并在突然拐彎時輪胎壁接觸地面，從而導致爆胎。這種現(xiàn)象在發(fā)生交通事故時極為常見。所以為了交通安全，行駛前必須仔細檢查汽車輪胎胎壓是否氣量過低。 系統(tǒng)的總體設(shè)計 總體設(shè)計根據(jù)功能及技術(shù)要求，系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖 31 所示SP12 PIC16F628ARF 發(fā)射第一輪臺模塊RF 接收單片機液晶屏顯示及報警SP12 PIC16F628ARF 發(fā)射第四輪臺模塊LF低頻發(fā)射LF 喚醒電路LF 喚醒電路江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計9圖 31 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 檢測模塊設(shè)計檢測模塊功能主要是收集壓力信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過處理單元處理數(shù)據(jù)，再通過射頻無線傳輸出去。由傳感器將信息傳入微處理器中，再由微處理器對格式轉(zhuǎn)換，再進行編碼處理變成合適調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式。具體設(shè)計如下： 圖 32 檢測模塊結(jié)構(gòu)圖 主機部分設(shè)計主機部分包括射頻信號接收裝置，接收之后傳入 MCU 進行處理，從這些數(shù)據(jù)中提取各個輪胎壓力，在進行進制轉(zhuǎn)換后成為十進制數(shù)據(jù)再在液晶屏上顯示。再經(jīng)過比較程序處理比較大小。最終由比較結(jié)果進行相應的報警提示處理。接收裝置 MCU 顯示及報警人機接口圖 33 主機部分結(jié)構(gòu)圖MCU 射頻發(fā)射電路壓力傳感器江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計104 元器件介紹本文中所使用的元器件主要分為兩部分：采樣并發(fā)射部分以及主機接收部分。其中主機部分主要有 MCU，射頻芯片 RF，顯示屏 LCD，由于其位于駕駛室內(nèi)所以芯片性能達到商用基本即可。目前采樣發(fā)射部分有兩種安裝方式：第一種安裝在氣門芯上，第二種安裝在輪胎內(nèi)部。該部分主要包括數(shù)字壓力傳感器，MCU，鋰電池和天線等?，F(xiàn)在大多數(shù)汽車輪胎采用的是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，安裝固定是容易的。但汽車行駛時輪胎內(nèi)部壓力溫度變化劇烈所以該部分元件按照軍用級選用。 傳感器目前由于數(shù)字式的傳感器體積小，功耗低，性價比高，使用方便的各方面優(yōu)越性能逐漸取代了傳統(tǒng)的無源傳感器。對于汽車胎壓檢測傳感器世界上著名的有：英飛凌公司的 SP12 系列，飛思卡爾 MPXY8300 系列，GE 的 NPX1和 NPX2。 英飛凌的 SP12，SP12T,SP30SP12 是德國英飛凌公司面向 TPMS 研發(fā)的重要元件。它是一種壓電電阻式傳感器適用范圍可達 100400kpa，自帶有一個數(shù)字串行通訊口，可以方便的應用在單片機系統(tǒng)中以適應多種復雜的任務要求。SP12 有 14 腳的精簡封裝，應用時無需其他外部器件。其精度為 [9]。另外 SP12T 與 SP12 所使用的電池電壓和溫度測量規(guī)格是相同的，但是未來更適用于重型車輛的要求，SP30 是將傳感器與 MCU 封裝在一起，這也是今后英飛凌公司的重點發(fā)展方向。具體介紹如下: 41 所示2. 測量性能需要注意的是對于一個數(shù)字式傳感器的測量精度影響最大的是其所處環(huán)境的溫度,另外需要理解的是 SP12 不僅僅只是壓力測量傳感器事實上它是一江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計11個集壓力，溫度，加速度，電壓測量于一體的四合一傳感器。表 41 工作環(huán)境表使用指標 最小值 min 最大值 max 單位溫度范圍 40 +125 ℃測量進行所需電壓 V測量未進行時電壓 V壓力輸入 100 450 Kpa注：以上壓力均為絕對值,只有電壓在測量電壓范圍內(nèi)時，測量的精度才會在表明范圍內(nèi)。3. 綜上所述 SP12 傳感器有以下特點：檢測精度方面：因為 SP12 采用的是精度較高的半導體電阻應變片構(gòu)成的惠斯通電橋作為力電變換測量電路的，所以其測量精度非常高（%%FS）；可靠性方面：SP12 具有誤差補償功能，可對壓力電源電壓信號的檢測和補償。準確的給出不同種類的輪胎在不同壓力情況下的正確補償值，從而可以有效的保證了結(jié)果的可靠性；低功耗方面：SP12 可以優(yōu)先喚醒瞬態(tài)操作模式，當工作在此狀態(tài)時功率消耗，僅為 微安秒，最大所需電流為 6mA,大大的降低了功耗，延長了電池的使用壽命。 飛思卡爾的 MPXY8300 系列MPXY8300 系列是專用于檢測汽車輪胎各個參數(shù)以及行駛狀態(tài)的傳感器，在該傳感器內(nèi)包含了壓力，溫度等參數(shù)的測量電路，另外包含了 MCU 和射頻輸出 [10]。其管腳圖如圖 42 所示。MPXY8300 特點如下:1. MPXY8300 測量時將由傳感器測出的值經(jīng)過內(nèi)部 4 通道，10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2. 8 位 MCU：S08 內(nèi)核帶 SIM，中斷和調(diào)試/監(jiān)視器，512RAM，8K FLASH,32江蘇師范大學本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計12字節(jié)，低功耗，參數(shù)寄存器。圖 42 MPXY8300 引腳圖3. 內(nèi)部具有 315/434 MHZ RF 發(fā)射器，無需外加。4. 差分輸入 LF 探測器/解碼器 GE 的 NPX 系列GE 一直致力于傳感器的開發(fā)和研究 [11]，其中 NPX1 集成了硅壓力傳感器，溫度傳感器，電壓傳感器和低功耗的 8 位 RISC 微處理器，以及一個低頻喚醒輸入級有了這些就可以方便使用者選擇型號類型，從而降低成本，節(jié)省開支，節(jié)約資源。其性能和基本參數(shù)如下：1. 高集成度:壓力、溫度、電壓三種參數(shù)傳感以及 MCU 集于一體；2. 數(shù)字式的壓力、溫度以及電壓量的補償和修正；3. 電源管理：最小化功耗，極低的待機靜態(tài)電流，進一步節(jié)省能耗；4. 多種喚醒方式：內(nèi)部時鐘喚醒。低頻信號喚醒；外部觸發(fā)喚醒；5. 12 位低噪聲 ADC；6. 32 位內(nèi)置產(chǎn)品尋列號；7. 芯片內(nèi)置過熱