【正文】 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 緒論 課題產(chǎn)生背景及其意義隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，汽車數(shù)量和車速也越來(lái)越高。而定位問(wèn)題則是利用頻分方法結(jié)合跳頻接收方式來(lái)確定車輪位置。最后，為了提供穩(wěn)定的電源用于給系統(tǒng)供電，我選用了 ABLE（愛(ài)博爾）公司的 ER2450。為了降低功耗，本文采用了低頻喚醒方法。 因?yàn)橹苯訙y(cè)量方法可靠方便，所以在本文中我選用了這種方法。所以,對(duì)汽車爆胎的監(jiān)測(cè)和解決方法已成為安全駕駛的重要發(fā)展方向,而其中確保輪胎有著正常合適的胎壓是解決的這個(gè)問(wèn)題的重中之重。據(jù)汽車工程師學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì),美國(guó)每年由于輪胎欠壓以及滲漏造成的有 26 萬(wàn)左右起交通事故。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它 IIV摘要隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步汽車已成為了人們常用的且離不開的交通工具。：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 III學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論 文 題 目：基于單片機(jī) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) II畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。作 者 簽 名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日 　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 IIII注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300 字左右） 、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論） 、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等） ，文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨著汽車數(shù)量的增多交通事故發(fā)生的數(shù)量也越來(lái)越多，而其中汽車輪胎壓力正常與否成為重要因素。而在中國(guó)這原因也高達(dá)有大約 70％。目前成熟的汽車壓力檢測(cè)系統(tǒng)有直接式和間接式。另外在文中對(duì)多種傳感器進(jìn)行了比較最終確定方案為使用 SP12 傳感器，SP12 作為一種數(shù)字式汽車專用胎壓監(jiān)測(cè)傳感器具有優(yōu)良的性能。所謂的低頻喚醒方法，就是在駕駛室內(nèi)用 MC33690 芯片構(gòu)成了低頻信號(hào)發(fā)射電路，同時(shí)我在輪胎內(nèi)部安裝了 LC 低頻信號(hào)接收電路，用于接收喚醒信號(hào)，從而喚醒單片機(jī)。 另外因?yàn)槲闹袛?shù)據(jù)大多為通過(guò)無(wú)線傳輸，所以我選用 NRF24L01 射頻芯片進(jìn)行傳輸信息。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用范圍是 100400 千帕,系統(tǒng)精度可以達(dá)到 千帕。而伴隨著的則是對(duì)安全嚴(yán)重考驗(yàn)。而其中以汽車爆胎的難預(yù)測(cè)和不確定性成為了司機(jī)頭疼不已的事情。因此怎么樣防止汽車爆胎原因成為了一項(xiàng)重要課題。因此汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tyre Pressure Monitoring System 簡(jiǎn)稱 TPMS）則變成了最理想的工具。所以輪胎氣壓情況檢測(cè)是必須的，而氣壓量是無(wú)法通過(guò)肉眼觀測(cè)的，而且在高速行駛時(shí)也是不實(shí)際的，TPMS 可以幫助人們隨時(shí)隨地不間斷的監(jiān)測(cè)氣壓量。不僅如此，從油耗上看，汽車輪胎氣壓量下降時(shí)會(huì)使得輪胎與地面摩擦力下降，而且輪胎抓地力不牢導(dǎo)致油耗會(huì)上升。同時(shí)在汽車保養(yǎng)方面，當(dāng)氣壓量下降時(shí)汽車底盤下沉，懸掛系統(tǒng)也會(huì)受到損傷，時(shí)間一長(zhǎng)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因?yàn)檫@些重要方面原因，各個(gè)國(guó)家先后將 TPMS 列為汽車必備系統(tǒng)之一。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 美國(guó)早在 2022 年就通過(guò)了 TRAD 法案，其規(guī)定了美國(guó)所有汽車 2022 年起必須安裝 TPMS。繼美國(guó)之后，歐洲也開始著手制定其標(biāo)準(zhǔn) [2]。2022 年，在美國(guó)博覽會(huì)上，加拿大的一家汽車輪胎設(shè)備制造廠展出了世界上第二套 TPMS。生命是極其可貴的。而今，隨著國(guó)家政策的投入和批準(zhǔn)，以及人民對(duì)生命安全的重視，這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)也開始蓬勃發(fā)展。 擬采取的研究方法及選用技術(shù)大部分的 TPMS 系統(tǒng)主要部分有：位于汽車輪胎內(nèi)部的遠(yuǎn)程胎壓監(jiān)測(cè)模塊（Remote Tyre Pressure Monitoring）即是使用 nrf24L01 和 SP12 組合而成的檢測(cè)模塊和安在駕駛臺(tái)上的監(jiān)視器（LCD 顯示器）即接收器與液晶屏顯示。通常情況下一個(gè) TPMS 系統(tǒng)有 4 個(gè)RTPM 模塊。一旦汽車輪胎發(fā)生了異常情況，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(bào)警信號(hào)。第二種直接式 TPMS，它使用壓力傳感器直接測(cè)量壓力得出數(shù)據(jù)，并通過(guò)高頻傳出信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明直接式要比間接式方便和精確。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各個(gè)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(cè)系統(tǒng)，但大多為國(guó)外成品，自主能力較差發(fā)展?jié)摿^深。它以 PIC16F628 單片機(jī)為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片 SP12 和 GHz 全雙工無(wú)線通信收發(fā)模塊nRF2401[3]。并以數(shù)字量形式輸出,再經(jīng)過(guò)單片機(jī) MCU 打包后通過(guò) nRF2401 調(diào)制成高頻發(fā)射出去。而在接收方在接收信號(hào)后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)整再通過(guò)液晶屏顯示。第 2 章：介紹了 TPMS 的分類和測(cè)量原理以及對(duì)爆胎原因進(jìn)行了介紹。第 4 章：詳細(xì)的介紹了文章所使用的各種芯片，以及選用芯片的標(biāo)準(zhǔn)。第 5 章：提出了在設(shè)計(jì)中所遇到的關(guān)鍵的兩個(gè)問(wèn)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(shí)際解決。第 7 章：大體說(shuō)明了軟件設(shè)計(jì)流程，對(duì)軟件設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)量，氣壓值不是由傳感器直接給出數(shù)據(jù)的方式。 計(jì)算式間接間接式的大體原理就是測(cè)量輪胎轉(zhuǎn)速，當(dāng)輪胎不正常時(shí)，汽車輪胎轉(zhuǎn)速會(huì)變得不正常。方法較為簡(jiǎn)單實(shí)用，且安裝方便。但同時(shí)這種方法也具有很大的局限性和缺陷。另外如果兩個(gè)輪胎發(fā)生了異常，司機(jī)也無(wú)法判斷和解決。 霍爾器件）之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用磁敏器件測(cè)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。這種江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5方法中所用的器件都是安裝在輪胎外部所以在對(duì)器件選擇時(shí)就不需要太高要求。但同時(shí)其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：首先無(wú)法定量的測(cè)量?jī)?nèi)部壓力。第三，由于汽車輪胎使用時(shí)會(huì)發(fā)生磨損表面會(huì)變薄，安裝的磁敏組件與磁性組件之間的距離會(huì)變小，需要不斷地調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量。該研究表明在彈性晶體表面存在一種波動(dòng)，也就是我們所說(shuō)的表面聲波 [7]。 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(cè)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(hào)傳出的方式。當(dāng)談到直接式系統(tǒng)時(shí)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(bào)警裝置江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6情況其安裝位置也是需要我們仔細(xì)考慮的問(wèn)題。無(wú)論安裝在何位置都要考慮的是平衡問(wèn)題。事實(shí)上安裝在氣門芯上是現(xiàn)在的主流。 圖 23 直接式 TPMS 安裝圖江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)73 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 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。另外由于輪胎高速旋轉(zhuǎn)，所以必須固定牢靠。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(jì)。它采用的是鋰電池供電，通過(guò)埋入輪胎的壓力傳感器檢測(cè)壓力，再通過(guò)無(wú)線調(diào)制發(fā)射到駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，監(jiān)視器可以監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力，從而司機(jī)可以及時(shí)作出調(diào)整。負(fù)荷過(guò)大，胎內(nèi)氣壓，溫度，行駛速度都是很重要的因素。而目前汽車所使用的子午胎（即無(wú)內(nèi)胎）爆胎原因更為復(fù)雜，但其中最多江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8的也是最常見(jiàn)的是輪胎欠壓。當(dāng)輪胎欠壓或是漏氣時(shí)會(huì)使車體下沉，隨之溫度因輪胎摩擦加重而升高。其原因如下：1. 漏氣 因外界銳器扎破輪胎導(dǎo)致氣壓迅速下降，這會(huì)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(xiǎn)的事；2. 胎壓過(guò)低 由于使用時(shí)間長(zhǎng)輪胎內(nèi)部氣體量下降到一定程度，在高速行駛時(shí)，摩擦急劇加重，并在突然拐彎時(shí)輪胎壁接觸地面，從而導(dǎo)致爆胎。所以為了交通安全，行駛前必須仔細(xì)檢查汽車輪胎胎壓是否氣量過(guò)低。由傳感器將信息傳入微處理器中，再由微處理器對(duì)格式轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行編碼處理變成合適調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式。再經(jīng)過(guò)比較程序處理比較大小。接收裝置 MCU 顯示及報(bào)警人機(jī)接口圖 33 主機(jī)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)接收部分。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。現(xiàn)在大多數(shù)汽車輪胎采用的是沒(méi)有內(nèi)胎的真空子午胎，安裝固定是容易的。 傳感器目前由于數(shù)字式的傳感器體積小，功耗低，性價(jià)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(wú)源傳感器。 英飛凌的 SP12，SP12T,SP30SP12 是德國(guó)英飛凌公司面向 TPMS 研發(fā)的重要元件。SP12 有 14 腳的精簡(jiǎn)封裝，應(yīng)用時(shí)無(wú)需其他外部器件。另外 SP12T 與 SP12 所使用的電池電壓和溫度測(cè)量規(guī)格是相同的，但是未來(lái)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(diǎn)發(fā)展方向。表 41 工作環(huán)境表使用指標(biāo) 最小值 min 最大值 max 單位溫度范圍 40 +125 ℃測(cè)量進(jìn)行所需電壓 V測(cè)量未進(jìn)行時(shí)電壓 V壓力輸入 100 450 Kpa注：以上壓力均為絕對(duì)值,只有電壓在測(cè)量電壓范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)量的精度才會(huì)在表明范圍內(nèi)。準(zhǔn)確的給出不同種類的輪胎在不同壓力情況下的正確補(bǔ)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(dāng)工作在此狀態(tài)時(shí)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(zhǎng)了電池的使用壽命。其管腳圖如圖 42 所示。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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)12字節(jié)，低功耗，參數(shù)寄存器。4. 差分輸入 LF 探測(cè)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(gè)低頻喚醒輸入級(jí)有了這些就可以方便使用者選擇型號(hào)類型，從而降低成本，節(jié)省開支，節(jié)約資源。低頻信號(hào)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(hào)；7. 芯片內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)功能和傳感器故障監(jiān)測(cè)功能；8. 壓力，溫度傳感器可以斷線檢測(cè)；9. 電池電壓檢測(cè)10. 內(nèi)部包含看門狗； 江蘇師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于