【文章內(nèi)容簡介】 直觀了解各輪胎的實(shí)時(shí)狀態(tài)出現(xiàn)異常包括輪胎漏氣異常升溫傳感器模塊電源不足等 則發(fā)出報(bào)警信號(hào)此外在汽車輪胎的使用過程中輪胎胎面會(huì)逐漸被磨耗但由于各車輪受力不同輪胎在路面的滑動(dòng)量不同以及受拱型路面的影響使汽車的前后輪左右輪的磨損速度不同有的輪胎磨損重有的磨損輕甚至還會(huì)出現(xiàn)輪胎的單邊磨損不均勻?yàn)榱搜娱L輪胎的使用壽命定期對(duì)輪胎進(jìn)行換位這是汽車輪胎保養(yǎng)的有效方法輪胎的維護(hù)換位能夠提高輪胎行駛里程平衡胎體疲勞強(qiáng)度和磨損因此研制的系統(tǒng)必須具有輪胎換位后的重新定位功能 系統(tǒng)原理框圖如 圖 21 所示 圖 21 系統(tǒng)工作原理框圖 22 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) TPMS 是汽車電子系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)部分它的主要功能是監(jiān)控汽車輪胎壓力的異常情況并及時(shí)通知駕車人安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效地避免由于輪胎壓力過低引起的交通事故 TPMS 系統(tǒng)根據(jù)其獲取輪胎壓力和溫度的方法分類可分為兩大類第一類是間接式第二類是直接式系統(tǒng)可以使用間接式或者是直接式來完成因此提出了直接式和間接式兩種方案 TPMS 系統(tǒng)的間接式 TPMS 系統(tǒng)的間接式又稱為 WSB 這種系統(tǒng)的工作原理是通過汽車的 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器對(duì)輪胎之間的輪速進(jìn)行比較以達(dá)到對(duì)輪胎壓力的監(jiān)測(cè) ABS 系統(tǒng)的檢測(cè)主要是依據(jù)輪速傳感器來檢測(cè)車輪有沒有抱死然后系統(tǒng)決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)如果輪胎的壓力降低車輛的重量就會(huì)導(dǎo)致輪胎的直徑變小從而導(dǎo)致測(cè)速發(fā)生變化以至于發(fā)生了交通事故在 ABS 系統(tǒng)是如果發(fā)生輪胎壓力減小的時(shí)候可以觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)使司機(jī)提高警惕然后處理汽車的輪胎壓力的問題上海通用別克轎車安裝的即是這種間接式 TPMS 即當(dāng)汽車行駛時(shí)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收 4 個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行綜合分析當(dāng)某一個(gè)輪胎的氣壓太高或不足時(shí)輪胎的直徑就會(huì)變大或變 小車輪的轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應(yīng)變化監(jiān)視系統(tǒng)將車輪轉(zhuǎn)速的變化情況同預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值比較即可判斷出輪胎氣壓過高或過低該類型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無法對(duì)速度 TPMS 系統(tǒng)的直接式 TPMS 系統(tǒng)的直接式又稱 PSB 通過在每一個(gè)輪胎里都安裝一個(gè)壓力傳感器可以直接測(cè)試汽車輪胎的氣壓然后再利用無線發(fā)射器將輪胎壓力的內(nèi)部信息發(fā)射到中央接收器的系統(tǒng)然后再通過無線通信系統(tǒng)對(duì)輪胎內(nèi)部壓力的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示如果輪胎壓力過低或者是輪胎漏氣系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)的報(bào)警使司機(jī)能夠在發(fā)生爆胎之前制止事故的發(fā)生由于直接式輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)傳感器必須裝于高速行駛的輪胎之中因此需要 通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)直接有源式 TPMS 根據(jù)輪胎模塊有無電池供電又可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式主動(dòng)式 TPMS 有電池供電而被動(dòng)式TPMS則用一個(gè)中央收發(fā)器代替直接有源式 TPMS中的中央接收器安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器 Transponder 代替發(fā)射器接收來自中央收發(fā)器的信號(hào)同時(shí)使用這個(gè)信號(hào)的能量來發(fā)射一個(gè)反饋信號(hào)到中央收發(fā)器被動(dòng)式 TPMS 雖然不需要電池供電但也涉及到模塊的取能問題在目前沒有更好的解決方案或者將來利用車輪機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能利用也是一個(gè)辦法 TPMS 表 21 TPMS 的直接式與間接式的比較 間 接式 TPMS 測(cè)量方式 直接測(cè)量 間接測(cè)量 物理參數(shù) 壓力溫度 不同輪胎的旋轉(zhuǎn)半徑 關(guān)鍵硬件構(gòu)成 傳感器中央處理器 ABS 系統(tǒng)中央處理器 壓力測(cè)量精度 177。 01Pa 30 溫度測(cè)量精度 177。 2℃ 無 成本 需要附加成本較高 基于 ABS 系統(tǒng)較低 由上表可知直接式 TPMS系統(tǒng)相對(duì)于間接式 TPMS系統(tǒng)具有更好的測(cè)量精度所以本設(shè)計(jì)采用的是 TPMS 直接式系統(tǒng) 23TPMS系統(tǒng)是如何工作的分析和提出了 TPMS系統(tǒng)的性能要求并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)進(jìn)行了器件的比較和選型選擇使用直接式來完成系統(tǒng)任務(wù) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 31 系統(tǒng)的工作原理 TPMS 是在輪胎內(nèi)部安裝一個(gè)內(nèi)置的傳感器其中傳感器中包括能夠感應(yīng)氣壓的電橋電橋是電子氣壓感應(yīng)裝置此裝置能夠?qū)⑵噳毫Ξa(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)然后又通過無線通信裝置將信號(hào)發(fā)射出來從而司機(jī)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)汽車壓力的狀況 基于無線通信的汽車輪胎氣壓電子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其主要理論基礎(chǔ)是無線通信技術(shù)傳感器技術(shù)和數(shù)字電路處理技術(shù)系統(tǒng)一共分為兩個(gè)部分一個(gè)部分是系統(tǒng)主機(jī)模塊另一部分是系統(tǒng)從機(jī)模塊 32 模塊分析 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際使用的汽車輪胎實(shí)施輪胎胎氣壓電子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)根據(jù)功能的劃分 以及安裝位置的不同設(shè)計(jì)由 TPMS系統(tǒng)主機(jī)模塊和 TPMS系統(tǒng)從機(jī)模塊兩個(gè)模塊來介紹 3 TPMS 系統(tǒng)主機(jī)模塊 隨著 TPMS系統(tǒng)的快速發(fā)展目前滿足市場(chǎng)需求的 TPMS系統(tǒng)主機(jī)模塊應(yīng)具備如下特點(diǎn) 1具備 LCD顯示界面能夠在各種環(huán)境下清晰的顯示各個(gè)輪胎的壓力和溫度信息 2 具備用于人機(jī)通信的鍵盤主要用于駕乘人員查看輪胎壓力溫度狀況和設(shè)置系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) 3 具備聲音警報(bào)裝置在輪胎氣壓或溫度處于非正常范圍或是輪胎氣壓變化速度很快例如輪胎漏氣時(shí)提供不同的警報(bào)提醒駕乘人員注意是駕駛者能夠做出相應(yīng)的措施從而避免事故的發(fā)生 4 系統(tǒng)可靠性高 使用和維護(hù)方便 TPMS 系統(tǒng)主機(jī)部分的工作原理 TPMS 系統(tǒng)主機(jī)硬件設(shè)計(jì)包括中央處理器選擇人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)中央處理器選擇是設(shè)計(jì)的核心 本章主要內(nèi)容是論述數(shù)據(jù)處理單元等四個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)器件選擇中央處理器模塊與其他三個(gè)模塊的互連以及控制方式等 在整個(gè) TPMS 系統(tǒng)主機(jī)模塊的構(gòu)成中數(shù)據(jù)處理單元的主要作用是 1 以循環(huán)的方式串行采樣各個(gè)輪胎的壓力溫度信息數(shù)據(jù) 2 判斷輪胎壓力溫度是否處于正常狀態(tài) 3 LCD 顯示器可以自動(dòng)手動(dòng)顯示相應(yīng)輪胎壓力溫度值 4 輪胎壓力故障時(shí)蜂鳴器提示出現(xiàn)壓力異常 或溫度異常 TPMS 系統(tǒng)主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)框圖 TPMS 主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示 圖 31 TPMS 主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如框圖看出本 TPMS 中的主機(jī)模塊由數(shù)據(jù)處理單元報(bào)警模塊顯示模塊射頻收發(fā)模塊組成 RF電路有兩個(gè)天線分別與前兩輪和后兩輪從機(jī)模塊中的 RF芯片進(jìn)行無線通信及時(shí)把數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)判斷輪胎參數(shù)是否正常如果發(fā)現(xiàn)異常則及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警 1 數(shù)據(jù)處理單元 中央處理器對(duì)從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如果發(fā)現(xiàn)輪胎的壓力或溫度的值超過所 規(guī)定的值時(shí)則通過報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警 2RF 射頻模塊 RF 電路在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值后給從機(jī)發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)否則從機(jī)不進(jìn)行工作這樣可以節(jié)省能耗在從機(jī)進(jìn)行工作后 RF 電路接受從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī) 片機(jī) PIC16F877 的中央處理器 1 單片機(jī) PIC16F877 簡介 這本設(shè)計(jì)中中央處理器采用的是單片機(jī) PIC16F877 來完成這個(gè)設(shè)計(jì)的PIC16F877 是美國微芯公司推出的 16位 RISC 指令集的高性能單片機(jī) CPU 該款單片機(jī)不僅集成了強(qiáng)大的外圍功能模塊而且因其特殊的單片機(jī)特性如自振式看門狗可編程代碼保護(hù)功能休 眠省電方式等及先進(jìn)的 FLASH 技術(shù)低功耗高增強(qiáng)型FLASH 技術(shù)全靜態(tài)設(shè)計(jì) 20V50V 寬范圍的工作電壓工業(yè)級(jí)和擴(kuò)展級(jí)溫度范圍可以適用各種控制場(chǎng)合其主要的性能特點(diǎn)包括 1 高性能的 RISC CPU 具有高達(dá) 32KB 的 FLASH 程序存儲(chǔ)器和 2MB 的程序存儲(chǔ)空間高達(dá) 4KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高達(dá) 10MIPS的執(zhí)行速度 DC40MHz時(shí)鐘輸入 410MHz帶 PLL鎖相環(huán)有源晶振時(shí)鐘輸入 16位寬指令 8位寬數(shù)據(jù)通道帶優(yōu)先級(jí)的中斷 8 8單周期硬件乘法器單片機(jī) PIC16F877 引腳圖如圖所示 圖 3 單片機(jī) PIC16F877 引腳圖 2 外圍功能模塊 具有 PORTAPORTE 五組 I0 端口定時(shí)器計(jì)數(shù)器 TMROTMR3 模塊捕捉比較 PWM CCP 模塊增強(qiáng)型捕捉比較 PWM ECCP 模塊主同步串行端口可尋址的通用同步異步收發(fā)器 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器模塊比較模塊 由以上可知 PIC16F877 完全適合本系統(tǒng)要求而且設(shè)計(jì)方便本課題主要使用PIC16F877 的 CPU 內(nèi)部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 IO 端口通用同步異步收發(fā)器 2 PIC16F877 異步同步收發(fā)器 USART 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1 PIC16F877 單片機(jī)異步同步發(fā)生器 通用同步異步收發(fā)器 USART 模 塊是由 IPC16F877內(nèi)的三個(gè)串行 I0模塊組成的器件之一可以配置為全雙工異步方式半雙工同步主控方式半雙工同步從動(dòng)方式三種工作方式 TXSTA 是 PICl6F877 單片機(jī)串行通信發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器RCSTA 是接收狀態(tài)和控制寄存器本課題中采用異步工作方式 2 USART 串行通信協(xié)議設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元與從機(jī)的串行通信協(xié)議時(shí)應(yīng)盡量提高數(shù)據(jù)傳送速度同時(shí)充分使用系統(tǒng)以具有的串行數(shù)據(jù)通信模塊 3 數(shù)據(jù)處理單元向從機(jī)發(fā)送的報(bào)文的格式數(shù)據(jù)處理單元向從機(jī)發(fā)送的報(bào)文的格式如表 31 所示 表 31 數(shù)據(jù)處理單元向射頻收發(fā)模塊發(fā)送的報(bào) 文格式 輪胎 ID 命令字 壓力校驗(yàn)系數(shù) 溫度校驗(yàn)系數(shù) 奇偶校驗(yàn) 報(bào)尾 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 表 31 中的數(shù)據(jù)包的構(gòu)成的含義報(bào)頭是串行數(shù)據(jù)包的發(fā)送開始的標(biāo)志命令字是主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的控制信號(hào)其內(nèi)容是事先定義好的兩個(gè)數(shù)據(jù)當(dāng)命令字為 OxFFH 時(shí)為數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令此時(shí)數(shù)據(jù)包中不包含壓力校正系數(shù)和溫度校正系數(shù)當(dāng)命令字為 0xFD 時(shí) 為從機(jī)模塊調(diào)整校驗(yàn)系數(shù)命令此時(shí)數(shù)據(jù)包中包含壓力校正系數(shù)和溫度校正系數(shù)溫度校正壓力系數(shù)用于修正從機(jī)模塊中的傳感器在使用過程 中產(chǎn)生的測(cè)量精度下降問題奇偶校驗(yàn)碼用于射頻收發(fā)模塊分析接收到的數(shù)據(jù)是否是有效的報(bào)尾是串行數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束的標(biāo)志 TPMS 系統(tǒng)主機(jī)技術(shù)指標(biāo) 車輛輪胎監(jiān)測(cè)主機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 1 工作電壓 12VDC24VDC 2 工作環(huán)境濕度 90 3 顯示方式 數(shù)字及圖案顯示壓力溫度 4 收發(fā)頻率 433MHz315MHz 5 傳輸速率 48 KbitS 6 靜態(tài)功耗 5W 7 工作溫度 40℃ 80℃ 8 報(bào)警模式聲音和 LED 9 無線調(diào)制方式 FSK 10 接收靈敏度 11dB 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的顯示報(bào)警單元包含兩部分液晶顯示電路和 LED指示 燈每個(gè) LED指示燈對(duì)應(yīng)汽車的兩個(gè)輪胎系統(tǒng)上電復(fù)位后每個(gè) LED 指示燈具有相同的功能 1 LED 指示燈的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí) LED 指示燈用于指示輪胎的狀態(tài)具體的設(shè)計(jì)如下 1LED1 常亮表示已長時(shí)間未收到來自輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)懷疑是輪胎模塊出現(xiàn)故障 2LED1 不亮表示可以正常的接收到輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù) 3LED1 閃爍時(shí)間間隔 1s 表示輪胎的壓力低于低壓值 4LED1 閃爍時(shí)間間隔 3s 表示輪胎的壓力高于高壓值 5LED2 常亮表示已長時(shí)間未收到來自輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)懷疑是輪胎模塊出 現(xiàn)故障 6LED2 不亮表示可以正常的接收到輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù) 7LED2 閃爍時(shí)間間隔 1s 表示輪胎的溫度低于低壓值 8LED2 閃爍時(shí)間間隔 3s 表示輪胎的溫度高于高壓值 2 液晶顯示模塊設(shè)計(jì) 液晶顯示采用的是 SMC1602A 液晶顯示器可以顯示輪胎的壓力溫度值在系統(tǒng)工作過程中液晶顯示界面如圖 33 所示其中各部分功能如下 1 輪胎位置指示代表當(dāng)前顯示的模塊顯示內(nèi)容可以是 LF 左前 LR 左后 RF 右前 和 RR 右后 系統(tǒng)工作時(shí) LCD 輪流顯示各個(gè)輪胎的狀態(tài) 2 輪胎壓力值顯示當(dāng)前輪胎的實(shí)際壓 力值 3 輪胎溫度值顯示當(dāng)前輪胎的實(shí)際溫度值 4 輪胎低壓指示如輪胎壓力低于低壓限則顯示 LP 否則不顯示 5 輪胎高壓指示如輪胎壓力高于高壓限則顯示 HP 否則不顯示 圖 33 液晶顯示界面 3 顯示報(bào)警電路原理圖 LCD 顯示 LED 顯示和聲音報(bào)警原理詳細(xì)設(shè)計(jì) 1LCD 顯示設(shè)計(jì)原理 PIC16F877的 I0 口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力其 PORTD 口最大可通過 25mA 的拉電流和灌電流可以直接驅(qū)動(dòng) LCD 顯示所以在顯示報(bào)警電路中PORTD口直接與 LCD液晶顯示模塊數(shù)據(jù)口相連進(jìn)行數(shù) 據(jù)交換和指令發(fā)送液晶顯示器 SM1602A 電壓為 45V55V 且其內(nèi)部已集成了所需的負(fù)電源在實(shí)際的電路中是將 VO 接在電位器的可調(diào)端電位器兩固定端接在 Vout 和 GND 的引腳上通過調(diào)節(jié)VO 的電壓來改變液晶顯示器的亮度 單片機(jī) PIC16F877 用于 LCD 顯示的邏輯引腳的功能和設(shè)置如下 RD0RD7設(shè)置為輸入輸出引腳工作模式用于為 LCD模塊提供數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)或者接收 LCD 模塊反饋的信號(hào) RC0 設(shè)置為輸出引腳工作模式有效時(shí) LCD 右半屏顯示 RC1 設(shè)置為輸出引腳工作模式有效時(shí) LCD 左半屏顯示 RC3 設(shè)置為輸 出引腳工作模式用于 LCD 模塊的使能控制 RC3 設(shè)置為輸出引腳工作模式用于確定當(dāng)前是讀操作還是寫操作 RC