间接式无线轮胎保护装置设计毕业论.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）说明书 题 目： 间接式无线轮胎保护 装置的设计 学院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年5月20日摘 要轮胎压力检测系统(Tire Pressure Monitoring System TPMS)是汽车安全行驶的重要保障之一，在社会发展对汽车安全性要求更高的前提下，对轮胎压力检测系统的研究和设计具有广泛的应用背景，而且能带来良好的经济效益和社会效益。该设计具体分析TPMS技术的研究现状和发展前景，并对比间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。选择间接式TPMS作为本设计的研究方向，利用霍尔传感器，还有温度传感器检测出轮子的转速差和轮胎的温度等参数，然后通过无线射频方式发射到安装在监视器上。监视器实时显示出两轮轮速差而表现出轮胎差值百分比，轮子的工作情况，比如是否转动和温度是否达到报警值。如果出现任何一种超出限定范围的情况，蜂鸣器开始报警。设计针对间接式轮胎压力检测系统技术实现的关键难点，包括系统预警的可靠性和准确性、传感器检测模块的低功耗性等等，开展了以下工作：1） 对RF发射和接收部分进行纤细的设计，包括配对连接的匹配网络、无线通讯协议已经RF发射接收程序的编写和调试等等；2） 提出改进的基于几个传感器结合技术的预警算法，提高系统预警的正确性和高效性，避免产生告警信号的搂抱和误报情况；3） 分析TPMS应用的环境，在各种复杂环境的设计层面上，分析系统的软硬件设计方案。研究表明，所设计的间接式TPMS系统能对轮胎压力检测系统提供准确的信息。关键词：TPMS；转速测量；温度测量；无线传输AbstractTire pressure monitoring system (Tire Pressure Monitoring System TPMS) is one of the important guarantee for safe driving, on the premise of social development to higher vehicle safety requirements, has been widely applied in the research and design of tire pressure monitoring system, and can bring good economic benefits and social benefits. Research status and development prospects of the design of a concrete analysis of TPMS technology, and compared the advantages and disadvantages of indirect TPMS and direct active TPMS. Select the type of TPMS as the design direction, using embedded in the hub of the magnetic steel and installed on the frame of the Holzer sensor, and temperature sensor to detect the parameters of wheel speed difference and the temperature of the tire, and then processed by the single chip to transmit data to the installation on the monitor through wireless. Monitor the real-time display of two wheel speed difference and show the tire difference percentage, and the working conditions, such as whether the rotation and the temperature is up to the alarm value. If there is any kind of beyond the limited scope of the situation, the buzzer alarm.Design for the key difficulty of indirect tire pressure detection system technology, including the system of early warning and the reliability and accuracy of sensor detection module, low power consumption and so on, to carry out the work:The design of RF transmitting and receiving part is slender, including matching matching network, wireless communication protocol is RF transmitting and receiving program compiling and debugging and so on connection;Warning algorithm combining several sensor technology based on improved, improve the correctness and efficiency of the early-warning system, avoid to produce false positive and false alarm signal;Analysis of TPMS application environment, the design level of various complicated environment, hardware and software design of analysis system.Research shows that, the indirect TPMS system designed to provide accurate information on the tire pressure detection system.Keywords: TPMS; Indirect tire pressuremeasurement; wireless transmission; Holzersensor目 录引言11. 绪论11.1. 课题研究的目的和意义11.2. TPMS国内外研究现状31.3. TPMS发展趋势42. 间接式无线轮胎保护装置系统的方案设计52.1. 系统设计要求52.2. 系统设计方案选择62.2.1. TPMS实现方式选择62.2.2. 系统控制芯片选择72.2.3. 温度测量传感器的选择82.2.4. 转速测量传感器的选择93. 电路设计和原理103.1. 单片机最小系统103.1.1. STC89C52单片机简介103.1.2. 晶振电路143.1.3. 复位电路153.2. LCD1602显示模块163.2.1. 液晶显示LCD1602163.2.2. LCD1602应用电路图如下图所示。193.3. 温度测量模块193.3.1. DS18B20芯片介绍193.3.2. DS18B20温度测量电路图213.4. 转速测量模块213.4.1. 霍尔传感器a3144213.4.2. 转速与时速的转换243.4.3. 转速测量电路设计243.5. 无线模块243.5.1. 无线模块的选择243.5.2. 射频收发一体模块24L01263.5.3. 无线模块与单片机的连接电路283.6. 系统整体设计284. 系统软件设计304.1. 系统软件设计之发射模块流程图304.2. 系统软件设计之接收模块流程图314.3. LCD1602软件设计314.4. DS18B20软件设计325. PCB板的制作325.1. 原理图、PCB的绘制325.2. 电路板到印制和焊接346. 调试与性能分析347. 结论36谢 辞37参考文献38附 录39发射模块程序39接收模块程序50第 56 页 共 56 页桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告纸引言汽车胎压监测系统(TPMS)是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测，并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。TPMS系统可分为间接式和直接式两种。间接式是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这就会导致车速发生变化，这种变化即可用于触发警报系统来向司机发出警告该设计具体分析TPMS技术的研究现状和发展前景，并对比间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。选择间接式TPMS作为本设计的研究方向，利用镶嵌在轮毂上的磁钢与安装在车架上的霍尔传感器，还有温度传感器检测出轮子的转速差和轮胎的温度等参数，然后经单片机处理后将数据通过无线射频方式发射到监视器上。监视器实时显示出两轮轮速差而表现出轮胎差值百分比，还有各轮工作情况，比如是否转动和温度是否达到报警值。如果出现任何一种超出限定范围的情况，蜂鸣器开始报警。1. 绪论1.1. 课题研究的目的和意义本设计是以无线通信系统对轮胎压力的监测为题目进行一系列的研究，主要采用间接式胎压监测方式，霍尔传感器和温度传感器以及无线通讯设备来设计一个轮胎压力监测系统，用来防止爆胎引起的危险，确保行车安全同时也可以使轮胎的使用寿命延长。随着社会的发展，如今我们无论是经济上还是科学技术上都有了很大的进步，人们的生活水平都有了很大的提高，人们对于舒适的生活也就要求的越来越高，对于家居或者是外出的要求在方便、快捷、安全等方面的要求也越来越关注。尤其是外出方面，人们对汽车的安全系统特别的关心和关注，要求也越来越高。如今，人们的生活、学习、经济以及社会的经济发展、国民经济命脉等重担都与公路交通有着紧密的联系。随着人们生活水平的提高，汽车也就走进了千家万户，由此，人们最关心的问题也就是汽车的方便、轻巧、舒适、安全等问题。尤其是汽车的安全系统是人们最为关注的问题。汽车的增多也代表着交通事故的增多，交通事故的发生不仅造成了每家每户的很大损失，同时也是社会的损失。交通事故造的最主要的原因有两个，一个是由于很多的人为的事故，有些人的开车技术不好或者是在迷糊、饮酒、瞌睡的状态下驾车，导致交通事故发生；另一个是因为汽车爆胎，造成人员伤亡已经社会损失。据统计, 在国内高速公路上, 由爆胎引发的交通事故占事故总数的70 %，在美国, 这一比例更高达 80 % 。如今如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题,防止爆胎的关键就在于要保持标准的轮胎容限值和温度，通过无线通信压力传感器对汽车轮胎进行检测，使人们在轮胎出现危机的时候能够及时的知道并且及时的预防或者是补救，避免伤亡和损失。汽车轮胎压力监测系统 ( tire pressure monitoring system, TPMS)就是用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测, 对轮胎漏气和低气压进行报警, 以保障行车安全。TPMS的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压和温度进行自动的实时监测并将信息实时的反映在监测器上！对轮胎的压差容值，轮胎工作情况，轮胎温度进行显示和预警，确保行车安全。TPMS系统为汽车行业做出很大的贡献，方便司机监测并且减少很多交通事故的发生。安装TPMS可以有效地防止汽车因为轮胎胎压不正常而引发的爆胎或者其他交通事故。汽车在轮胎缺气的情况下行驶耗油量将大大地增加；假如两轮的胎压不稳定会使两轮的转速不同步，除了耗油增多外更加容易引起交通事故。安装了TPMS的好处很多，例如，TPMS可以是车辆保持在最佳的工作状态，避免了车辆的元件遭遇非正常的磨损。正因为TPMS对于汽车安全性上至关重要，所以在1996年的时候，美国就颁布了实施有关TPMS的法规了。在我国2003年初，上海大众开始了TPMS的研发计划，并开始了制定工作，不过我国目前还没有正式的实施TPMS。轮胎压力监测系统可以带来显著的社会效益和经济效益。轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面：（1）大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大，在轮胎出现故障或异常时通过轮胎压力监测系统-TPMS及时地对驾驶员进行预警，可以提高轮胎的安全性能，进而可以有效地降低汽车行驶，特别是高速行驶时发生交通事故的可能性。（2）减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。据世界卫生组织最新统计结果，目前全世界每天有超过500万条废轮胎被丢弃。由于废旧轮胎回收和处理上的困难，目前全球已有数以亿万计的轮胎等待处理，成为了环保的一大顽疾。另外，机动车尾气排放是当前城市空气污染的主要来源之一，如何提高燃油的经济性，降低尾气污染，是人们密切关注的问题。实验证明，轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切的关系。行驶相同的距离，轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油，同时也排放出更多的尾气。通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常，就可以有效的解决因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。轮胎压力监测系统蕴含着巨大的经济效益。目前，世界汽车市场正在稳步扩大，这种状况在中国更加明显，因为随着中国经济的增长和汽车整体价格的下降，将会有越来越多的中国消费者具有购买汽车的能力和愿望。另一方面，随着因轮胎压力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越来越多的厂家开始重视轮胎压力监测问题，目前已经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系统。可以预见，在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和ABS、安全气囊一样成为汽车的标准配置。巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企业将会出现，创造巨大的经济效益。1.2. TPMS国内外研究现状对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点问题。另外，国外强制法令的出台，也促进了TPMS相关技术的迅速发展，在这方面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善的轮胎压力监测系统产品，并达到了一定的规模。近年发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、奥迪、大众等中高档车均安装了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时显示轮胎气压状态。针对直接有源式TPMS，国外一些半导体厂商以自身的芯片为核心提供TPMS解决方案，比如Infineon、GE、Freescale等。在检测传感器方面，随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，目前应用比较成熟的有将测量传感器与微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)合二为一的智能传感器，诸如飞思卡尔等部分厂家还在最近成功推出集检测传感器、MCU、无线射频发射(Radio Freqency，RF)芯片于一体的智能检测传感器模块。此外，米其林集团、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎壁内，让它在轮胎的整个寿命期间(一般为l7年)发挥作用，而作为信号接收装置则做成如手机样的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。 据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品已有推出，但大多技术性能不甚完善或系统简易，产品也没有形成一定的规模，存在以下缺点：（1）系统工作寿命短；（2）系统在低温或高温环境下稳定性不够；（3）工作可靠性较差；（4）检测精度不够。而性能可靠、功能完善、技术成熟并且形成规模的产品均是一些国外知名公司(如美国李尔、西门子VDO、英国施奈德、德国贝鲁)的品牌产品，但价格较为昂贵。此外，TPMS系统中的轮胎检测传感器核心器件的研制和生产跟国外相比差距还很大，现在主要的是由国外一些公司诸如Freescale、英飞凌等提高供，研制出性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。另外，国内相关研究机构正在加紧无源TPMS的研究，力求拥有自己的知识产权，据报道，最近由吉利公司推出的爆胎监测与安全控制系统(BlowOut Monitoring and Brake System，BMBS)已经超越了美国“TPMS”标准，它采用的是人工智能主动介入技术，在轮胎突发爆胎时自动接管车辆，代替驾驶员实施行车制动，从而达到降低或者化解爆胎风险的目的，与此同时，对于没有安装ABS的车辆，BMBS系统在遭遇爆胎后将自动实施“连续点制动”模拟ABS功能，使车轮不会发生抱死滑移现象，有效确保了行车制动的安全性。TPMS经历了由早期的机械式、纳米材料式和磁敏检测法，逐步过渡到间接式TPMS和直接有源式TPMS，而间接式TPMS成本低(利用车载ABS即可实现)，后期维护方便，也成为一种比较流行的趋势。同时轮胎爆胎预警装置系统作为一项新技术，能够为整车提供轮胎压力和温度等状态信息，必将成为汽车整车控制系统单元的一部分，同时，它对汽车电子信息共享的研究也具有重要意义。TPMS传感器模块技术将向发射模块高度集成化、无线无源方向发展，未来的应用方向还将包含利用运动的机械能自供电的四合一模块，届时，胎压监测发射系统只有一个模块和一个天线组成，开发人员的二次设计将变得十分简便，产品安全性、可靠性、稳定性也会有进一步的提高。另外，融合射频识别(Radio Freqency Identification，RFID)技术进行智能轮胎的研究也是发展趋势，比如美国固特异轮胎橡胶公司和西门子VDO汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带RFID卡传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录，此外，西门子VDO的智能轮胎系统使用压电元件来代替电池，通过轮胎的旋转为系统供能。国内上海交通大学也开始基于声表波(Surface Acoustic Wave简称SAW)技术的TPMS开发研究，这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的SAW传感器，不仅可实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权。基于声表面波技术的轮胎传感器还处于试验阶段。其主要优点是传感器部分不需要电池供电(无源TPMS)，而且质量较小，目前国际上已经开发出的实验传感器样品只有5g左右，同时可在高温等恶劣环境下工作。另外，TPMS系统与汽车整车控制系统的电控单元的整合，即通过车身数据总线CAN总线或者LIN总线并入车载控制网络中，也是一种发展趋势。1.3. TPMS发展趋势汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个具有极强生命力的主题。因此，TPMS将成为汽车安全保障系统之一。而TPMS发射模块将向高度集成化、单一化、无线化和无源化方向发展。随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，在未来几年内将会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时胎压遥测模块只由一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。TPMS系统发展的进一步发展有可能会是智能轮胎。保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而TPMS汽车胎压监测系统毫无疑问将是理想的工具。美国、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码7.5元美金，差不多是中国工人的日工资，面对量大的产品需要降低生产成本，TPMS的生产正在转向中国。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。因此，目前我们国内己有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。目前，TPMS主要分为两种类型：一种是间接式TPMS，它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的，可是供电方便，其缺点是精度较低。另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂亚电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压、温度，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。缺点是需要使用独立的电池供电系统并要将整个模块或者模块的一部分置于轮胎的内部，容易在车轮高速转动的情况下引发不正常的外力作用，设置不正确的情况下可能会加速轮毂的损坏，维护不方便且价格较高。中国TPMS的前装和后装市场己经启动，预见前装市场（汽车生产厂家原装）将比后装市场（汽车购买后安装）跑得更快, TPMS产品技术TPMS系统主要有二个部分组成：收集信息的发射模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。除此之外中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点。2. 间接式无线轮胎保护装置系统的方案设计TPMS主要用于汽车行使时实时对轮胎压力（通过检测轮速差）、温度进行自动监测，对各种异常情况(如轮胎漏气、过低或过高气压、过高温度)进行预警以保障行车安全。一般包括轮胎检测部分、无线数据传输部分、数据处理以及显示警告部分。本设计主要介绍TPMS的原理和具体方案以及系统是如何工作的。2.1. 系统设计要求胎压、温度预警系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警，加强汽车高速行驶的行车安全。系统在汽车行驶状态下通过霍尔传感器实时测量轮子转速，通过计算转速差间接表现出轮子间的胎压差值，并通过无线传输传给显示模块把数据显示出来，当胎压差值超过一定程度的时候，会引发蜂鸣器报警。主机模块还把温度很轮子工作情况发送给从机，通过从机的灯显示出来，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，出现异常包括轮胎漏气、异常升温、传感器模块电源不足等)则发出报警信号。此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。有的轮胎磨损重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，研制的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能。 系统原理框图如图2-1所示。温度传感器霍尔传感器信号处理电路MCU发送模块电源电路接收模块MCU报警电路显示电路电源电路图2-1 系统工作原理框图2.2. 系统设计方案选择胎压监测系统（TPMS）是汽车电子系统中非常重要的一个部分，它的主要功能是监控汽车轮胎压力的异常情况并及时通知驾车人，安装胎压监测系统可以有效地避免由于轮胎压力过低引起的交通事故。2.2.1. TPMS实现方式选择传统的TPMS系统，根据其获取轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类：第一类是间接式，第二类是直接式。系统可以使用间接式或者是直接式来完成，因此提出了直接式和间接式两种方案。TPMS系统的直接式，又称PSB，通过在每一个轮胎里都安装一个压力传感器，可以直接测试汽车轮胎的气压，然后再利用无线发射器将轮胎压力的内部信息发射到中央接收器的系统，然后再通过无线通信系统对轮胎内部压力的数据进行显示，如果轮胎压力过低或者是轮胎漏气，系统就会自动的报警，使司机能够在发生爆胎之前制止事故的发生，由于直接式轮胎压力检测系统传感器必须装于高速行驶的轮胎之中，因此需要通过无线通信技术实现压力监测。直接有源式TPMS根据轮胎模块有无电池供电又可以分为主动式和被动式，主动式TPMS有电池供电，而被动式TPMS，则用一个中央收发器代替直接有源式TPMS中的中央接收器，安装在轮胎中的转发器(Transponder)代替发射器，接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器。被动式TPMS虽然不需要电池供电，但也涉及到模块的取能问题，在目前没有更好的解决方案。TPMS系统的间接式，又称为WSB，这种系统的工作原理是通过汽车的ABS系统的轮速传感器对轮胎之间的轮速进行比较以达到对轮胎压力的监测。ABS系统的检测主要是依据轮速传感器来检测车轮有没有抱死，然后系统决定是否启动防抱死系统，如果轮胎的压力降低，车辆的重量就会导致轮胎的直径变小，从而导致测速发生变化以至于发生了交通事故。在ABS系统是如果发生轮胎压力减小的时候可以触发报警系统，使司机提高警惕然后处理汽车的轮胎压力的问题。上海通用别克轿车安装的即是这种间接式TPMS，即当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析，当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也发生相应变化。采用的方式是两两进行比较，比如前面两轮或者后面两轮，就直接比较两轮的转速差来反应出胎压的差值大小，就可以提高精度，最主要的是减低了当预警出现时检索的范围，减少工作量增加效率。成本较低的同时维护方便。直接式预警系统为了实时测得胎压和胎温是直接使用压力传感器探测轮胎的压强值，温度传感器探测温度值，检测传感器须安装在汽车轮胎内部，工作在密闭的环境中，通过无线发射模块传给接收模块。对有内胎的轮胎，传感器模块安装在内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；而间接式是探测两轮的转速差而间接表现两轮胎压的差值，当差值达到一定程度后进行报警。测轮速的传感器却可以安装在轮胎外的轮毂和车架上，便于后期维护，温度传感器作为辅助功能，能对系统温度进行一个实时的监测。这两种胎压监测装置各有优劣。直接式胎压监测装置可以提供更高级的功能，随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎,可是造价高以及后期维护不方便。间接系统造价相对较低，已经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级， TPMS的直接式与间接式的比较如表2.1所示。 表2.1 TPMS的直接式与间接式的比较直接式TPMS间接式TPMS测量方式直接测量间接测量物理参数压力、温度轮子转速关键硬件构成传感器、中央处理器ABS系统、中央处理器压力测量精度0.1Pa30%温度测量精度2无成本需要附加成本，较高基于ABS系统，较低综合论述，直接式虽然有其优越性，可是其技术过于复杂和后期维护不方便，技术耗费太高，相比间接式的简易方便，可能间接式更能让普通老百姓所接受。所以本设计研究的方向为间接式胎压测控预警系统。本设计中凡是没有明确说明的，所提到的TPMS均是指间接式TPMS。2.2.2. 系统控制芯片选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断 系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟 多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算 机系统。 单片机也被称为 微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母 的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内 仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了。应用最广的8位单片机是intel的51系列单片机。51系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。AVR单片机是atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性能，低功耗，高速度，指令单周期为主，但价格方面比51单片机要高。有专门的I/O方向寄存器。虽然有较强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在价格方面比51单片机要高，也有专门的,I/O方向寄存器，I/O口使用不比51单片机方便。综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要,我们将选择51系列单片机.本设计中选用是51系列的STC89C52，它是低电压，低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，2个I/O口线,3个16位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路，并与MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路、程序运行及存储数据的任务，STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.2.3. 温度测量传感器的选择测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段：1.传统的分立式温度传感器(含敏感元件)：2.模拟集成温度传感器/控制器；3.智能温度传感器。模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。本设计使用的是属于智能传感器的DS18B20。DS18B20内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路，输出信号可以直接和单片机的I/O连接而无需其他a/d转换芯片进行转换，简化电路的同时增强了稳定性和准确性。并且支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测量，对本 设计中需要测量多个温度提供了简化条件，节省了单片机I/O的同时增强了可靠性。2.2.4. 转速测量传感器的选择转速是本设计一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、霍尔元件测速法。 (1) 离心式转速表测速法 离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。 (2) 测速发电机测速法 测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。(3) 闪光测速法 闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴一张标记纸片)，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f(rmin) 。 (4) 霍尔元件测速法 霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。 在这四种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这二种方法不适用。霍尔元件测速法是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁(霍尔元件)转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。本设计选用的是其中的霍尔元件测速法。3. 电路设计和原理3.1. 单片机最小系统3.1.1. STC89C52单片机简介STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-52指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案STC89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。8052单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，图31为单片机8051内部结构。现在我们分别加以说明： 图3-1 单片机8052的内部结构1 中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2 数据存储器(RAM)：8052内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。3 程序存储器(ROM)：8052共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。4 定时/计数器(ROM)：8052有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5 并行输入输出(I/O)口：8052共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6 全双工串行口：8052内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。7 中断系统：8052具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8 时钟电路：8052内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8052单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-52系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图3-2是MCS-52系列单片机的内部结构示意图。图3-2 MCS-52系列单片机的内部结构MCS-52系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图2-3为MCS-52系列单片机的引脚图，现在我们对这些引脚的功能加以说明： 图3-3 单片机的引脚图l VCC：供电电压， l GND：接地断;l P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 l P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 l P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 l P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。 P3口管脚备选功能： l P3.0 RXD（串行输入口） l P3.1 TXD（串行输出口） l P3.2 /INT0（外部中断0）l P3.3 /INT1（外部中断1） l P3.4 T0（记时器0外部输入） l P3.5 T1（记时器1外部输入） l P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） l P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 l RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。当8052通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8052的初始态。8052的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 l ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲