毕业设计（论文）汽车轮胎压力监测报警系统

大学电子信息工程学院毕业设计论文汽车轮胎压力监测报警系统学生姓名专业电子信息工程班级学号指导教师负责教师2年月摘要随着汽车工业的发展和道路交通网络的扩大，由此而引起的安全问题在人们的生活中也是曰益严重，引发的交通事故也在不断增多。其中由轮胎气压引起的事故比例非常之高，使得人们对的轮胎气压的关注日益密切。汽车轮胎压力监测技术是一种能切实有效的防止和减少由于轮胎引起的交通事故的方法。本设计介绍轮胎压力监测系统（TPMS）的电路设计和相关技术问题。TPMS系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器SP12、微控制器和433MHZ收发一体射频ICNRF401组成了压力传感器模块，负责轮胎压力的采集和发射。然后接收机接收压力信息，并进行处理。该系统可随时测定每个轮胎内部的实际温度、压力值,及时报警,有效避免事故的发生。关键词TPMS；轮胎压力监测；射频；压力传感器；微控制器ABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEAUTOMOBILEINDUSTRYANDTHEEXTENSIONOFTHEROADTRANSPORTATIONNETWORK,THERESULTINGSECURITYPROBLEMSINPEOPLESLIVESISALSOBECAMESERIOUSDAYBYDAY,ANDTHEAMOUNTOFTRAFFICACCIDENTSHASINCREASEDTHEACCIDENTSCAUSEDBYTIREPRESSURETAKESALARGEPERCENTOFTOTALAMOUNT,SOTHATPEOPLEHAVETOCONCENTRATEONTIREPRESSURETIREPRESSUREMONITORINGTECHNIQUEISAPOSSIBLEWAYTODECREASETHEAMOUNTOFTRAFFICACCIDENTSCAUSEDBYTIREPRESSUREINTRODUCEDEMPHATICALLYREALIZETIREPRESSUREMONITORINGSYSTEMTPMSCIRCUITDESIGNANDRELATEDTECHNICALPROBLEMSTPMSSYSTEMISCONSISTSOFPRESSURESENSORMODULEANDCENTRALRECEIVERMODULEPRESSURESENSORMODULEWHICHISUSEDTOCOLLECTTIREPRESSUREANDSENDITOUTISCONSISTSOFPRESSURESENSORSP12,MICROCONTROLLERAND433MHZSENDANDRECEIVEANICNRF401OFRFRECEIVERMODULERECEIVEPRESSUREINFORMATIONANDWORKONITTHEMODULECANCATCHEACHTIRESPRESSUREANDTHEREALTEMPERATUREINSIDETHETIRESINANYTIMEANDGIVEOUTALARMINTIME,ITHELPSDRIVERSAVOIDACCIDENTSEFFECTIVELYKEYWORDSTPMSTIREPRESSUREMONITORINGRFPRESSURESENSORMCU目录第1章绪论111课题研究的背景和意义112本课题研究的热点及发展现状1121国外研究和发展概况2122中国研究和发展的概况2第2章系统设计421方案论证4211汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理4212设计方案4213方案比较6214结论722系统硬件电路设计7221单片机控制模块7222射频电路10223螺旋天线的结构14224传感器电路15225LCD显示17226系统功耗23第3章汽车轮胎压力监测系统的软件设计2431采样端的软件设计24311需要注意的问题24312采样端工作流程介绍25313采样端的软件流程设计26314软件异步串行通讯2732接收端软件设计29321接收端的通信流程介绍30322接收端的软件流程设计3133PROTEUS仿真33第四章结论35第5章社会效益和经济效益37致谢39参考文献40附录1系统硬件原理图43附录2部分程序清单45第1章绪论11课题研究的背景和意义随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统TIREPRESSUREMONITORINGSYSTEM，简称TPMS毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统TPMS以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。在未来汽车上加装轮胎压力监测系统（TPMS），也必将和ABS、安全气囊一样，是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆始终处于安全运行状态。12本课题研究的热点及发展现状伴随着城市交通技术的不断发展，人们在享受高速公路高效便捷方式的同时，随之引发的交通事故率也在提高，其中由于轮胎的气压引起的比例高达80，这种现象使得人们要对行驶中的轮胎气压进行监测。一些发达国家陆续推出了相关法案（美国的TREAD法规），要求新车装配中必须装配能够对行驶中的轮胎气压实时监测的安全电子装置。因此，在未来汽车上加装轮胎压力监测系统（TPMS），也必将和ABS、安全气囊一样，是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆始终处于安全运行状态。121国外研究和发展概况早在2001年美国就通过了TRAD法案，法案要求到2007年所有在美国销售的新车都必须将TPMS作为标准配置。美国国家公路交通安全管理局NHTSA2002年颁布的法规要求监控器在轮胎气压低于生产商推荐值的2530时向司机报警，建议从2004年开始薪车应安装轮胎气压监控系统TPMS。继美国之后，欧洲也制定相应的法规，要求其国内的汽车厂商安装TPMS。在2004年美国印地安纳波利斯博览会上加拿大斯马轮胎设备公司推出了世界上第二套摩托车轮胎专用TPMS；第一套是由英国METASYSTEM公司2002年推出的。该产品能够在摩托车行驶中监测和显示每条轮胎的充气内压和温度信息，如果出现偏差，就会通过报警灯提醒骑乘者注意。日本阿尔卑斯电气公司开发的不需电池的汽车轮胎气压监测系统最近通过有关试验验证，符合欧洲及美国的电磁波相关法律规定，今后将以行驶条件及轮胎种类等因素的影响为中心进行评测，计划在欧美、日本等地进行实地试验，2004年8月开始提供样品，2006年投入批量生产。国外的TPMS产品已经相当成熟，能够经受57万公里的使用测试，现在国外的TPMS的研发重点在于开发无源的TPMS，如采用SAW这类无源器件的频率变化来监测轮胎压力的变化。122中国研究和发展的概况在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准机动车运行安全技术条件征求意见稿中，对安装轮胎压力检测装置作出了说明“车长大于6米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于12吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施”。由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性TPMS安装规定。尤其大型载货汽车，安装TPMS是非常必要的。因此市场前景广阔，目前大部分厂家都处在研究开发阶段，出货量不高。全国开展TPMS研究的厂家接近200家，专业的TPMS厂家大约为30家。TPMS的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市场，而是如何提高产品性能和质量。目前国内的TPMS系统问题不少车内需配备专用的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用；不具备抗干扰的清晰语音提示报警功能，会造成驾驶员视线转移；因射频效率、编码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重。直接式TPMS产品无线信号传输的稳定性可靠性不足，电池寿命问题，传感器寿命和耐久性问题。此外，TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。第2章系统设计21方案论证211汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理本系统通过全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆尽可能始终处于安全运行状态。整个系统主要分为轮胎内数据采集及发射系统、数据接收及显示报警系统两个子系统，如图21所示。轮胎内数据采集及发射模块数据接收及显示报警模块图21系统原理方框图在数据采集及发射这部分系统中，数据采集模块首先将汽车轮胎内压力温度等情况通过传感器采集给MCU，经MCU编码后由射频发射给驾驶室内的接收系统。在数据接收及处理这部分系统中，数据接收模块将数据进行解调以便将模拟信号转换成数字信号。然后交由MCU进行解码处理后将信息传送到显示报警模块。在显示报警模块中，系统将经过处理的数据显示在显示电路中并对危险情况进行报警。212设计方案方案1本方案如图22所示，该方案采用MC33594作为RF接收芯片，采用MC68HC908RF2作为轮胎结点主控芯片和发射芯片。方案采用的传感器为MPXY8020，属于硅集成式压力传感器。由于生产工艺的限制，硅集成电容式压力传感器往往测量精度比较低。MC68HC908RF2发送部分的基本参数可工作在315、434、868MHZ。发射功率5DBM/116135MAT45（在433MHZ）值的22H电感。7脚和8脚分别为数据输入脚和输出脚。配合18脚PWR_UP和19脚TXEN上的电位时序完成信息的发送和接收。11脚外接射频功率控制电阻。如图2中的R3，该值在22100K之间。一般在30K左右达到7DBM。重要的时序参数NRF401在不同工作模式下的时序如表21所示表21NRF401的工作时序表模式控制名称最大延时条件TXRXTTR3MSRXTXT1MSSTDBYTXTST2MSSTDBYRXTSR3MS连续工作VDD0TXTVT4MSVDD0RXTR5MS上电TXRX的切换当从RXTX模式时，数据输入脚（DIN）必须保持为高至少1MS才能发送数据,时序如图26（A）所示。当从TXRX模式时，数据输出脚（DOUT）要至少3MS以后有数据输出，如图26（B）所示。图26TXRX的切换时序图STANDBYRX的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过T时间后DOUT脚输SR出数据才有效。请看表21，对NRF401来说，T最长的时间是3MS，如图ST27（A）所示。STANDBYTX的切换从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是T，请看表21。ST图27STANDBYRX和STANDBYTX切换的时序图POWERUPTX的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态，当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1MS以后才可以往DIN发送数据，见图28（A）。POWERUPRX的切换从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有有效数据输出，直到电压稳定达到27V以上，并且至少保持5MS。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3MS，见图28（B）。图28POWERUPTX和POWERUPRX的切换时序图223螺旋天线的结构由于天线有不同类型，应根据具体应用要求来选择。本应用中，天线位于汽车轮毂内，紧靠气门嘴。在高速行驶中，天线不断变换方向。为了尽可能扩大接收的角度，选用螺旋天线。螺旋天线的圈数（N）、直径（D）和圈距（S）决定了天线的增益和方向性。天线的总长为LNNLONSQRTS2C2这里CD是螺旋的园周，LOSQRTS2C2是一圈导线的长度。另一个重要参数是螺旋角，它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。螺旋角的定义为TAN1S/C螺旋天线有以下2种工作模式。1常态模式。在常态工作模式，天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值。对于该模式NLODEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINERSRA0DEFINERWRA1DEFINEERA2UCHARTABLE“PREIS2PA“UCHARTABLE1“TEMPIS“UCHARTABLE2“10OC“VOIDINIT_PICTRISB0X00TRISA0X00CMCON0X07/延时函数/VOIDDELAY_AUCHARZUINTI,JFORIZI0IFORJ110J0J/|函数名WRITE_COMMANDUCHARTEMPDATA|功能描述将数据码写入LCD数据寄存器|/VOIDWRITE_COMMANDUCHARTEMPDATARW0RS0/RS0/RW0时写指令；DELAY_A5PORTBTEMPDATADELAY_A5E1DELAY_A5E0/|函数名VOIDWRITE_DATAUCHARTEMPDATA|功能描述写LCD1602使能程序|/VOIDWRITE_DATAUCHARTEMPDATARW0RS1/RS1/RW0时写数据；DELAY_A5PORTBTEMPDATA