【文章內(nèi)容簡介】 哨”，上海保隆工貿(mào)有限公司的“迪吉泰”輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，佛山市安力信科技有限公司“泰杰”牌 TPM 系列輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)等。 吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、鄭州大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校都有學(xué)者對直接型 TPMS 相關(guān)技術(shù)進(jìn)行理論研究，設(shè)計出了一系列方案，也有一些監(jiān)測報警裝置申報了專利。但是，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的 TPMS 基本是靠引進(jìn)國外公司輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺及生產(chǎn)線，核心技術(shù)都掌握在國外廠家手中，基本沒有自主知識產(chǎn)權(quán)可 言。目前國內(nèi)的 TPMS 系統(tǒng)問題不少：安裝繁瑣、影響美觀、整車廠難以配裝；不能設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)胎壓，無法保障輪胎合理使用：射頻效率、編碼糾錯性能差、在惡劣環(huán)境下漏報嚴(yán)重；能耗較高，不能達(dá)到 TPMS 系統(tǒng)應(yīng)有的使用壽命要求；成本高昂，檢測范圍小，產(chǎn)品通用性不高。 TPMS 在中國的研究剛剛開始起步。高校及科研院所方面，吉林大學(xué)孫宏偉對現(xiàn)有 F 費 scale 方案進(jìn)行了研究，提出了針對 Ftcaale 傳感器MPXY8020A 的溫度補償算法；合肥工業(yè)大學(xué)沈俊峰提出了以 SPl2 傳感器， PICl6F683處理器，以及 T5754 射頻發(fā)射器構(gòu)成 的輪胎壓力檢測方案；燕山 大學(xué)張啟中通過分析輪速傳感器脈沖數(shù)相對差值的影響因素和影響規(guī)律，提出了基于脈沖數(shù)互比法氣壓異常報警系糾”；浙江大學(xué)，屯子科技大學(xué)，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等也有學(xué)者對 TPMS 進(jìn)行了類似的理論研列”。 課題的目 的及意義 目的：隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)投資的不斷加大，以及公路設(shè)施的改善和高速公路里程的迅速增加，公路交通的平均車速有了很大提高。但同時交通事故尤其是爆胎事故、追尾事故也相應(yīng)增加，給人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。交通安全已成為國家和個人越來越關(guān)注的重點。 在汽車的高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。在高速公路上行駛時一旦爆胎，駕駛員思想準(zhǔn)備不充分極易造成車輛側(cè)滑和不規(guī)則翻滾，輕則撞護(hù)欄，重則與其他行使車輛發(fā)生碰撞甚至車毀人亡，后果不堪設(shè)想。 據(jù)統(tǒng)計，輪胎爆胎的原因有： （ 1） 輪胎壓力過高； （ 2） 輪胎漏氣； （ 3） 輪胎溫度異常升高； （ 4） 輪胎松動、掉胎。 而追尾事故的主要原因有： （ 1） 前方車輛爆胎失控； 4 （ 2） 視線不好，看不清前方車輛的剎車信號； （ 3） 不能提前獲知前方有事故車輛。 因此實時監(jiān)測輪胎氣壓 和溫度的變化，保持汽車在標(biāo)準(zhǔn)的輪胎氣壓下行駛是防止爆胎的關(guān)鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測系 (TPMS)的主要作用就是在汽車行駛時，對輪胎氣壓進(jìn)行實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地防止輪胎在非正常氣壓下長時間行駛，提高汽車的主動安全性。 意義：保持正常的輪胎氣壓，不僅可以延長輪胎的使用壽命，減小滾動阻力，還可減少油耗，提高車輛的使用經(jīng)濟(jì)性，而且可以大大提高汽車的行駛安全性。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，將是一個永恒 的主題，必將成為未來汽車必備的主動安全保障系統(tǒng)之一。汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展使汽車上安裝了越來越多的傳感器，這將促進(jìn) TPMS 的發(fā)展，使其技術(shù)更加成熟，性能更加穩(wěn)定，并且它的模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方面發(fā)展。 課題 主要工作 課題 的主要任務(wù)就是研究并設(shè)計一個無線胎壓檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)胎壓變化信息的實時采集和傳送，以達(dá)到汽車司機能夠在第一時間掌握汽車輪胎壓力變化的要求，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，從而避免事故的發(fā)生。 課題 主要工作有以下幾點： （ 1） 對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究并提出整體設(shè)計框架 。 （ 2） 傳感器 、單片機及顯示元件、報警元件的選取并連接電路。 （ 3） 進(jìn)行監(jiān)測模塊、顯示模塊、報警模塊及其主模塊的程序編寫。 （ 4） 將軟件和硬件組裝并測試 。 5 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 基 于汽車輪胎安全使用的要求，胎壓檢測系統(tǒng)綜合運用傳感器檢測技術(shù)、單片機技術(shù)及無線通信技術(shù)來設(shè)計。該系統(tǒng)能檢測輪胎溫度和壓力波動情況，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和實時處理。 系統(tǒng)設(shè)計要求 本系統(tǒng)采用直接式胎壓檢測系統(tǒng)。它以鋰離子電池為電源，通過埋于輪胎罩的傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度，并經(jīng)無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺 的接收模塊上。發(fā)射模塊處于輪胎的封閉狀態(tài)中，體積要??；另外由于在輪胎中更換器件很不方便且系統(tǒng)必須長時間工作，故而要求功耗低。 工作中輪胎狀態(tài)為當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值 (小型車為 275kpa)1． 2 倍時，因輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，使輪胎胎面的中部磨損增加。 通過試驗證明： ，一般認(rèn)為氣壓提高 25%，輪胎壽命將會降低 15%～ 20%；氣壓降低 25%，壽命大約降低30%。一般轎車的輪胎正常氣壓值在 210kPa 左右，多座位商務(wù)車在 240kPa 左右為宜。此外，汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大 (一般不能 超過 80℃ ，當(dāng)溫度達(dá)到 95℃ 時，輪胎的情況非常危險 )，每升高 1℃ ，輪胎磨損就增加 2%，行駛速度每增加一倍，輪胎行駛里程將降低 50%。因此， 本系統(tǒng)告警值設(shè)定為胎壓 158KPa和 262KPa，溫度小于 80℃ 。 系統(tǒng)設(shè)計方案 根據(jù)系統(tǒng)功能及技術(shù)要求，系統(tǒng)方案的總體框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)方案的總體框圖 6 系統(tǒng)由置入輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊和安裝汽車駕駛臺上的接收模塊組成。發(fā)射模塊每檢測一次壓力，都會判斷此輪胎是否出現(xiàn)異常；如果判斷出現(xiàn)異常情況，則形成一幀數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)射。接收模塊判斷是否接收到完整的數(shù) 據(jù)幀，如準(zhǔn)確無誤，則點亮和輪胎對應(yīng)的 LED 指示燈。 發(fā)射模塊 發(fā)射模塊包括傳感器單元、微處理器和射頻單元。傳感器單元定時采集輪胎內(nèi)壓力、溫度數(shù)值。微處理器 (簡稱 MCU)和射頻單元集成在同一芯片內(nèi)，微處理器讀取來自傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理并通過射頻單元發(fā)射出去。發(fā)射模塊的框圖如圖 2． 2 所示。 圖 發(fā)射模塊框圖 接收模塊 接收模塊完成信號的接收、校驗和處理，并通過 LED 指示燈顯示報警。接收模塊的框圖如圖 2． 3 所示。 圖 接收模塊框圖 信號接收電路將由輪胎發(fā)射出來的射頻信 號放大解調(diào)后，將數(shù)字信號送給微處理器串行接口。微處理器再進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎號、壓力值以及溫度值，然后做出相應(yīng)的處理。顯示報警部分主要包括 LED 指示燈。 元器件選擇 無線胎壓檢測系統(tǒng)開發(fā)所需的元器件主要包含傳感器、 MCU、射頻收發(fā)芯片、 電池幾個部分。 （１） 傳感器 本系 統(tǒng)選用 DS18B20 溫度傳感器 ， DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成 7 于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。 （２） 單片機 本系統(tǒng) 選用 STC98C52 系列，它是一種高性能的 8 位單片 機 系列，具有速度快、功能強、功耗低、價格 低等特點并且自帶看門狗復(fù)位，非法指令碼檢測復(fù)位和非法地址檢測復(fù)位等系統(tǒng)保護(hù)特性。發(fā)射模塊的 MCU 選用 STC89C51。 （３） 射頻 收 發(fā) 芯片 接收 和發(fā)射 芯片的選擇主要從芯片的接收靈敏度以及性價比兩方面考慮。本系統(tǒng)選用 2RF24L01B 射頻收發(fā)芯片。 關(guān)鍵技術(shù)研究 頻率選擇 在眾多的無線通訊頻段中，由于 ISM 頻段 (工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)學(xué)頻帶 )屬于公共頻段，使用者無需申請頻段許可證，這給用戶帶來了很多的方便，因此當(dāng)今大部分無線傳輸所使用的操作頻率一般都選擇處于 ISM 頻段的頻率。而對采用 無線技術(shù)的應(yīng)用 來講，通常又采用屬于 ISM 頻段中的 LPRD(Low Power RadioDevice)頻段作為操作頻率，此頻段有兩個頻率范圍，分別為： 433． 05MHz． 434． 790 MHz 和 868 MHz． 870 MHzi 眩l。在本系統(tǒng)中采用的工作頻率設(shè)置為 433． 92 MHz。 信號編碼方式 在本文設(shè)計的胎壓檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以 9600bps 的速率發(fā)送，信源編碼方 式采用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼以數(shù)字信號來描述就是：在每個比特周期， 取值在周期中間點進(jìn)行高低電平間的轉(zhuǎn)換。如圖 所示，一個數(shù)字 0 被描述為周 期前一半為低電平，后一半為高電平；而數(shù)字 1 則是先高后低。 圖 曼徹斯特編碼示例 FSK 又稱頻移鍵控，是指以信號頻率在兩個值之間的偏移來描述數(shù)字 l 和數(shù)字 0信號。在本系統(tǒng)中，數(shù)字 l 具有較低的頻率，而數(shù)字 0 則具有較高 的頻率。也就是說， 8 如果載波頻率是 433． 92MHz，總體頻率偏移 ，數(shù)字 1 就是 (433． 92)MHz，而數(shù)字 0 是(433． 92)MHz。圖 2． 5 是 FSK 調(diào)制的曼徹斯特編碼信號波形示意圖。 圖 FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼信號波形示意圖 輪胎定位技術(shù) 胎壓檢測系統(tǒng)中的輪胎定位是 指系統(tǒng)接收各個輪胎發(fā)射模塊發(fā)出的信號并進(jìn)行識別，然后判定是哪個輪胎發(fā)出信號的過程。各輪胎發(fā)射模塊中的傳感器把胎壓的變化傳遞給 MCU，由 MCU 處理并加上該模塊的識別 ID 編碼 (用于區(qū)分各輪胎發(fā)射模塊的編碼，然后通過發(fā)射芯片進(jìn)行調(diào)制并發(fā)射出去。接收模塊接收并進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，通過讀取原始數(shù)據(jù)的 ID 編碼，當(dāng)接收到的信息中的輪胎內(nèi)壓力或溫度出現(xiàn)異常時，MCU 將發(fā)出報警信號，駕駛員根據(jù)對應(yīng)輪胎的 LED 報警燈，便可及時地對該輪胎進(jìn)行處理，確保汽車行駛安全。 本章小結(jié) 本章對整個系統(tǒng)的大體框架進(jìn)行了確定，包括 本系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的工作流程，元器件的選擇和 關(guān)鍵技術(shù)的的研究。這一章是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，是下面要進(jìn)行工作的思路和方向 。 9 第 3 章 發(fā)射模塊的設(shè)計 發(fā)射模塊主要由傳感器單元、發(fā)射單元組成。傳感器單元測得壓力和溫度， 通過發(fā)射單元按照一定算法處理后發(fā)射出去。發(fā)射模塊的軟件設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理發(fā)射兩部分。 傳感器單元的硬件電路設(shè)計 DS18B20 工作方式 溫度傳感器的種類眾多， DS18B20 有著 超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強 的優(yōu)點。 DS18B20 工作原理及應(yīng)用： DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。 18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。 DS18B20 共 64 位 ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存 取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失， DS18B20 共 9個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將被刷新。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 EEPROM 的鏡像。第 8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第 9 個字節(jié)為前 8 個字節(jié)的 CRC 碼。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并 在RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。 10 圖 DS18B20 ADC0809 工作方式 ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。 （ 1） ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由下圖可知， ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 （ 2） ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) ADC0809 各腳功能如下： D7D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳。 IN0IN7： 8 位模擬量輸入引腳。 VCC： +5V 工作電壓。 GND： 地。 REF（ +） ：參考電壓正端。 REF（ ）： 參考電壓負(fù)端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 11 ALE： 地址鎖存允許信號輸入端。 圖 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) （以上兩種信號用于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換） . EOC： 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時 為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 OE： 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK： 時鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 A、