双向式汽车轮胎压力监测系统从机的毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 轮胎气压是影响汽车性能和行驶安全的重要因素。轮胎压力监测系统 (对轮胎的气压和温度进行实时监测，在轮胎出现异常情况时自动报警，使驾驶者可以及时发现异常并采取相应的措施，是一种保障行车安全的预警系统。 本课题所在项目采用了一种创新的系统解决方案，将产品 从机 的安装位置由原来安装在轮毅上改在轮毅轴心上，主机与 从机 之间的信息通过微型无线网桥传递。本课题方案有效的解决了系统电源以及功耗问题，提高了系统运行的可靠性与稳定性。由于安装方式的改变，使得系统的维护也变得简单起来。 本文的主要工作是 在理解整个系统的前提下负责 从机 模块的电路设计。论文首先介绍了目前国外 分析其存在的不足之处，进而提出自己的解决方案。在详细设计部分，本论文分为硬件设计和软件设计两大部分。 关键词 ： 轮胎模块 ； 监视器模块 ； 无线数据通信买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is an to in on in in so be in to of an an of As a of a in of to In is to of is is 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 第 1 章 绪 论 . 3 题背景 . 3 胎安全性能的分析 . 3 度对轮胎安全性能的影响 . 3 力对轮胎性能的影响 . 4 胎压力过低对轮胎安全性能的影响 . 4 胎压力过高对轮胎安全性能的影响 . 5 胎经济性能分析 . 5 内外发展状况 . 6 用前景 . 6 题的提出 . 6 第 2 章 统的总体设计 . 8 统概述 . 8 统的分类 . 8 胎压力监测系统的结构组成 . 8 外 统的解决方案 . 9 课题的解决方案 . 10 统设计要求 . 11 统工作环境 . 11 统功能要求 . 12 统技术要求 . 12 章小结 . 13 第 3 章 轮胎压力监测系统从机电路设计 . 14 述 . 14 线通信模块的设计 . 14 线通信芯片的选型 . 14 频收发芯片 . 15 线的设计 . 16 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 形天线的工作原理 . 17 数值的计算 . 17 感器模块的设计 . 18 特性结构 . 18 脚配置说明 . 19 源管理模块的设计 . 20 机电路整体设计 . 20 统硬件的抗干扰设计 .未定义书签。 章小结 .未定义书签。 第 4 章 机系统软件设计 . . 22 据传输协议 . . 22 F 通信软件设计 . 23 工作模式 . 23 式 . 23 X 模式 . 23 X 模式 . 24 机模式 . 25 线收发器配置 . 26 内 存器配置 . 26 令 . 26 线收发寄存器器配置 . 27 据采集模块软件设计 . 27 度、压力数据的采集 . 27 量主程序 . 27 次逼近法的程序设计 . 28 压信号的采集 . 28 件抗干扰设计 . 32 章小结 . 33 总 结 . 34 参考文献 . 35 致 谢 . 37 附 录 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 第 1 章 绪 论 题背景 高速公路网络的快速发展，使车辆行驶速度得到了提高，同时也潜伏了一些交通隐患，如因车胎爆胎等原因造成的交通事故。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更高。美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有 62万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而 75%的轮胎故障是由于不合理的轮胎气压和温度造成的。爆胎造成了巨大的经济损失。怎 样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。汽车轮胎压力监测系统 (英文缩写 运而生， 要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气、低气压、高气压、或温度过高等异常情况进行报警，以保障行车安全。要求之一是到 2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监测系统。 2000 年 11 月 1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求 2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。回应 案，美国 公路交通安全局 (附 求到 2007 年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表 :美国市场出售的汽车， 2004 年占10%， 2005年占 35%， 2006 年占 65%， 2007年将达 100%1。 胎安全性能的分析 导致轮胎故障的主要因素有 :气压、温度、负荷、速度、路况、环境温度、连续行驶时间等。有关实验证明， 80%的爆胎都会有前兆，轮胎的温度和压力就会出现异常现象。因此，及时地了解和准确掌握轮胎的温度、压力状况，并据此采取相应的防范措施，是预防爆胎，提高汽 车安全行驶水平的有效途径。 度对轮胎安全性能的影响 汽车轮胎在周期性载荷的作用下，其橡胶和骨架材料的滞后损失以及橡胶与骨架材料之间的摩擦会导致生热，并使轮胎温度升高。轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外，还会使帘线强度降低。当轮胎温度从 0升高到 100时，对于普通轮胎来说，帘买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 线的强度将降低 20%，橡胶的强度则将降低 50%。当轮胎温度高于其临界温度 (由轮胎温度与强度关系示意图 知， 100以内为正常温度区， 100 间为临界温度区， 121以上为危险温度区 )时，橡胶强度和帘线 能力将降低更多，此时轮胎极易因强度不足而发生 “爆胎”。所以轮胎的温升对其安全性能和使用寿命的影响极大。汽车在高速行驶时，驾驶员即使没有任何操作失误，汽车也可能会突然 “爆胎”，其原因就在于轮胎过热。因此，对于轮胎的温度参数加以监控，当轮胎的温度升高到一定数值时对驾驶员提出报警 ， 提示驾驶员采取相应处理措施，可以有效地降低发生事故的可能性并提高轮胎的寿命 。 图 伸强度与温度关系示意图 力对轮胎性能的影响 每一种充气轮胎，都有一个标准的充气压力范围。例如 :高压轮胎充气压力为 490压胎充气压力为 147低压胎充气压力为 9847轮胎按照要求进行充气，不但可以使轮胎达到良好的安全性能指标，还可以延长轮胎的寿命。否则，汽车在轮胎压力异常的情况下长时间运行，将会对轮胎的安全性能产生较大的影响，严重时将会导致爆胎。 胎压力过低对轮胎安全性能的影响 轮胎压力过低是轮胎早期遭到破坏的主要原因。由于种种原因，有的车辆轮胎长期在低气压的 情况下使用，使轮胎的使用性能和寿命受到影响。实践表明，轮胎气压不足，将会造成如下危害 : (1)长期气压不足，会使轮胎变形增大，轮胎内部及外胎与内胎之间的摩擦增加， 使胎温升高，导致轮胎材料的机械性能下降，容易造成胎体爆破 ； (2)轮胎气压不足，会使轮胎侧弯曲度增大，使轮胎肩部分加速磨损。如果是后轮买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 并装双胎，胎侧之间会出现互相摩擦，因而产生侧环形磨损 ； (3)轮胎中易嵌入石块、玻璃和铁钉等锐利物，容易被划伤刺穿，引起内胎泄露等机械损伤 ； (4)气压过低，外胎在车辆上移动，会使胎圈磨损，并导致气门嘴处 撕裂或脱落 ； (5)轮胎在气压不足的情况下行驶，轮胎与地面的接触面会增大，势必增加轮胎与路面行驶中的滚动阻力，致使发动机的一部分功率用来消耗在克服因轮胎充气不足而产生的阻力上，因此给汽车的使用、动力和经济性能带来一定的影响。实验表明， 轮胎气压低于标准气压 15%时，油耗将要增加 5%； 如果气压低于 标准气压 30%，油耗则要增加 12%2。 胎压力过高对轮胎安全性能的影响 同样，轮胎压力过高也会对轮胎的安全性能造成影响。轮胎的负荷能力和气压都是在设计时就已给定，由于内压的增加，轮胎各部位的变形和所 受的内应力也相应的增加。内压增加使轮胎刚性加大，在载荷下的变形变小，使轮胎与地面接触的面积减小。因此，轮胎压力过高时，会造成如下危害 : (1)胎体帘线所受原始应力增大，胎体强度相对下降 ； (2)胎冠突出，磨损不均匀，严重时容易造成磨胎冠现象 ； (3)胎体变硬，弹性变差，汽车行驶时，轮胎冠部受冲击应力大，容易产生冠部 帘线损伤，严重时引起轮胎爆破 ； (4)汽车在同样的使用条件下，轮胎缓冲性能变差，冲击振动变大，操纵性能变 差，特别是在质量较差的路面行驶时，轮胎容易产生机械损伤，影响行驶安全 3。 胎 经济性能分析 轮胎的使用寿命，在很大程度上和轮胎的使用条件、车辆的技术性能、驾驶员的水平以及企业对轮胎的管理工作质量等因素有直接的关系。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值 胎的正常使用寿命将会减少 25%； 当轮胎压力高于标准值25%时，其寿命将会降 15% 对于轿车，其轮胎内压力每下降 承载力就减少 100N。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据，约 80%轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。 轮胎在设计制造的过程中，根据不同的价格、最大的负荷量、最高的行驶速度以及其它的主 要途径等己经设定了与之相应的最佳充气压力，我们称之为轮胎的标准气压。标准的气压是轮胎的生命，因此在使用过程中充气压力的过低或过高都会缩短它的寿命，甚至引发安全事故隐患。气压过低或过高都会影响行驶里程。气压过低，轮胎变形为外长内缩，导致生热增加，加速橡胶老化、疲劳，出现脱层现象等 ；买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 气压过高，轮胎接地面积小，磨损量增大。如果在使用过程中，能够正确地按照轮胎的标准气压使用，轮胎在行驶过程中会均匀的损耗，保持了轮胎的最佳负荷承载状态和良好的弹性，则可以大大地延长轮胎的使用寿命。通过轮胎压力监测系统，可以实时的知道各 个轮胎当前的气压状况，驾驶员可以采取措施确保轮胎气压保持在标准气压状态，从而可以延长轮胎的使用寿命 4。 内外发展状况 国外因立法较早，其开发生产的 在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的 产及正在研究 00多家，主要有上海泰好电子科技有限公司，佛山市朗杰电子科技有限公司，深圳市瑞电通信电子有限公司，福州东球金口哨轮胎防爆有限公司，上海保隆实业有限公司，宁波亿莱斯电器有限公司，昆山双桥传感器测控技术有限公司等。但是国内一些厂家生产的 心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。因此，随着 发拥有自主知识产权的 用前景 美国每年的汽车销量约为 1500万辆 (轿车 /卡车 )000万辆，平均每辆车需要 (不包括备用胎 )。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，汽车保有量已突破 2600万辆，汽车年销售将突破 600万辆，未来 5年将成为仅次于美国的全球第二大汽车 销售国。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点，今后每年增长速度可达 5%。据有关部门对中国2006年底市场容量将达 50万套，近 17亿元人民币。根据 2003汽车年增长 16%轿车年增长 19%一 24%。综合以上分析，预计，中国汽车保有量在今后几年将以 16%以上的速度增长 洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装 此，对 美国的人工每小时工资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， 后几年内中国必将成为 为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装 统的法规迟早也会出现。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 此， 题的提出 国内 有自主知识产权，国内厂家生产的 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开发平台及生产线。而经过这么多年的发展，国外 般只能适应车辆定性监测使用，因此，现在仍然没有作为一 个成熟的产品被大范围推广使用。为了弥补国内对于 主知识产权研发的空白，本课题组在充分研究国外 结出现有国外 而提出一种新型解决方案，具体方案描述见第二章。本论文所做的主要工作是在熟悉整个系统的工作原理的条件下，研究轮胎压力监测系统 从机 电路的设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 2 章 统的总体设计 统概述 统的分类 目前 ， 一种是认 称 :称为间接式 这种系统是通过汽车 以达到监视胎压的目的。该类型系统的优点是较直接式便宜，对于己经装备了 4轮 要缺点是 ： 首先无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过 100公里 /小时的情况进行判断 ； 其次是准确率低，目前还不能确定故障轮胎，并且系统的校准极其复杂 ； 此外，它无法用于未装备 另一种是 称 ： 称为直接式 这种系统利用安装在每一 个轮胎里的以 锂 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 ，驾驶员由此可以采取相应措施，以免爆胎事故的发生。本论文研究的是直接式 无特别说明，文章后面提到的 。 胎压力监测系统的结构组成 目前 ， 直接式 安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块 安装在汽车驾驶台上的中央监视器（ 远程轮胎压力监测模块负责测量得到的信号调制后通过高频无线电波（ 发射出去。中央监视器接受 各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力和温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出不同的警报信号，提醒驾驶者采取响应措施。一般一个 个或 5个（包括备用胎） 中央监视器主要有六个部分组成：（ 1）背光 2） 主机稳 压电路；（ 3）核心 4）按键及蜂鸣器报警装置；（ 5）接口；（ 6）天线。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 机模块结构框图 从机 模块有五个部分组成：（ 1）具有压力、温度、电压检测和后信号处理 2） 4（ 3） 4）锂电池；（ 5）天线。 从机 结构框图如图 图 机 结构框图 外 统的 解决方案 目前市场上提供 片厂商包括飞思卡尔、英飞凌、 芝、飞利浦等公司。飞思卡尔和英飞凌目前具有胎压传感器、 他半导体公司主要提供胎压传感器、 场上的 思卡尔、 果分析比较，在众多的解决方案中它们的整体方案是一样的，即将传感器、无线发射模块部分安装在每个轮胎的气门嘴上或是轮毂上，整个模块有一块锂电键盘 线 收器 电源 温度 /压力 /加速度传感器 电压检测 S/H D F 发射 天线 锂电池 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 池供电，将采集到的 信号发射给主机系统，主机系统安装在汽车的驾驶室内，接受信号将压力信号显示在液晶屏幕上，并判断是否需要报警，以提醒驾驶员采取相应措施。不同的厂家解决方案的区别是每个部分使用的芯片有不同厂家生产，采用的技术渠道、加工工艺不一样。 纵观国内外这几年 以看出，国外 一化。无源化方向发展。 智能传感器是整合了硅显微机械加工技术制作的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含模数传感器、取样 /保持、 准、数据管理、 块具有可编程性，及可以利用客户专用软件进行配置。他是由 集成电路工艺做在一个封装里。在封装上方留有一个压力 /温度导入孔，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，周边固定的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥；同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。为了便于 个压力传感器都具有 16用于 集成电容式传感器，如飞思卡尔的 。 课题的解决方案 如果按照目前国内外 们分析出有几个问题无法克服。目前国内外该产品的 从机 一般式安装在轮毂上或气门嘴上，主机安装在驾驶室内， 从机 要将采集到得数据通过无线电波发送到主机接受装置，无线信号要绕过车身才能被主机接收，由于汽车为金属 外壳，对无线信号由一定得屏蔽作用，所以通信可靠性比较低。经过分析，我们总结出现有国外轮胎监测系统存在的主要问题有以下几点： （ 1） 轮胎 从机 模块安装在轮毂上，可靠性较低，扒胎维护十分困难。 （ 2） 轮胎 从机 模块安装在轮毂上，轮胎旋转时径向加速度的变化影响胎压的测试精度。 （ 3） 轮胎 从机 模块旋转过程中信息发射角度和主机的相对位置不断变化，与主机进行无线通讯可靠性低，抗干扰性差。 （ 4） 轮胎 从机 模块安装在轮毂上，监测系统只能使用一次性锂电池供电，车辆长期告诉行驶电源故障率高，维护十分困难。 （ 5） 该轮胎监测系统一般 这适用于车辆定性监测使用，没有普及使用。 由上可以看出，目前 感器的集成度在上诉问题也不能完全克服。因此，本课题在研究国外 基买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 础上提出一种新的方案。将 从机 模块安装在轮毂轴心，在每个轮胎 从机 模块附近都装有一个 桥通过一组 从机 模块通过压力、温度传感器进行数据采集，数据经过 后由无线网桥将数据通过 主机向 从机 发送信息 时，则是将信息通过 无线网桥将信息发送给 从机 模块。 具体创造方案如下： （ 1） 从结构上对轮胎轮毂轴心进行了设计，改变了以往将 装在轮毂或气门嘴上的做法，而是将 从机 安装在轮毂轴心， 从机 通过轮毂上的导孔监测轮胎内部的气压和温度信号，这样就便于安装和拆装维护。由于将 从机 的安装位置放到了轴心附近，极大降低径向加速度对压力传感器的影响，提高了测量精度和可靠性，同时也克服了由于 从机 安装在轮毂上为产生的轮胎旋转时 从机 和主机之间相对位置变化较大的问题。 （ 2） 本系统的无线发射模块发送 的信号不是绕过车身发送给主机的接收系统，而是发送给安装在轮毂附近的无线微型网桥，由无线微型网桥通过 现数据通信。这样就缩短了无线发射模块与接收模块的通信距离，而且无线信号也不用绕过车身传送到主机上，这样一方面可以减小 从机 模块的发射频率，降低系统功耗，另一方面可以降低外界信号对 从机 模块无线信号的干扰，从而提高数据传输的可靠性。 （ 3） 功耗问题一直是传统 统 安装在轮毂上或气门嘴上，车辆长期告诉行驶电源故障较高，当电池 电量耗完更换电池时需要扒胎维护，很不方便。目前通常采取的省电措施是使系统大部分时间在睡眠状态，当汽车启动时或进入高速行驶状态下唤醒系统。启动时进行自检、自动唤醒，高速行驶时按运行的速度确定检测时间周期。 （ 4） 主机与 从机 之间的信息交互通过中间的微型无线网桥来连接，网桥与 从机 模块之间通过无线收发方式进行信息传输，与主机之间通过 7。 统设计要求 统工作环境 为了实时测得汽车行驶时轮胎的压力和温度数据，轮胎压力监测模块需要安装在汽车轮胎内部，工作在轮胎封闭环境中。由于现 有轮胎大多数为真空子午胎，没有内胎，因此目前 该 产品一般固定安装在轮毂上。由于在汽车行驶过程中，轮胎时钟处于告诉买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 旋转状态，因而在数据的传输方式上不能采用有线方式。结合汽车行驶中的复杂环境，能够让驾驶员及时可靠的得到预警报警信息，通过无线射频通信方式来传输轮胎数据信息是最佳选择。 统功能要求 本课题研究的是新型的直接式轮胎压力监测系统，该系统在汽车行驶的状态下通过置于轮毅轴心的测量模块获取轮胎的压力和温度数据，并通过射频发射模块将此信息发送给无线网桥再传输到到驾驶室内，在液晶显示器上显示各轮胎的当前 状况，使驾驶员可以直观地掌握各轮胎的信息。当某个轮胎的压力过高或过低、温度过高或变化过快时，向驾驶员发出声光报警 ； 此外，系统还应对电源电量不足和轮胎漏气等状况进行监测，以保证系统的可靠运行和行车安全。 综上所述，系统应实现如下功能 : (1) 可以由用户选择车型以及相应的压力、温度阐值。通过按键，用户可以选取不同的车型，设定不同的气压报普上下限值。 (2) 实时监测各个轮胎的压力、温度状况 度过高或变化过快时，点亮指示灯并驱动蜂鸣器报替，在液晶显示器上显示该轮胎当前的异常状况， 提醒驾驶员及时检查并进行处理。 (3) 对轮胎漏气异常进行处理 “快漏气”与 “慢漏气”，针对两种情况发出不同的 报警 ，提醒驾驶者采取相应的措施。 (4) 对各个发射模块进行监测。若规定时间 (如 1分钟 )内未收到相应轮胎发来的数据则发出报警，以便于驾驶者判断故障原因 . (5) 系统还可记录一段时间的报警数据 (气压、温度和电压 )和报警时间，以实现类似飞机黑匣子的功能 8。 统技术要求 由于本课题采用的方案可以较好地解决目前国外轮胎压力监测系统的一些不足之处，特别是对电源以及功耗的要 求不再像以前那样苛刻，因此，设计变得相对简单起来。由于发射模块工作在剧烈振动、温差变化大和不便随时检修的环境下，所以挑选的组件必须具备高标准的可靠度和稳定性，能工作在 +125 温度范围内。 结合前文所述，系统应达到如下要求 : (1)体积小，重量轻，特别是测量与发射模块的体积和重量要尽可能的小，便于保持轮胎的平衡。 (2)功耗低，时效长，尤其是测量与发射模块的功耗要尽可能的低。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 (3)射频收发时抗干扰和抗噪声的效果要好，发射的有效距离要适当。 (4)压力测量的精度要达到一定要求，以便能准确报警。 (5)系统要有较宽的温度范围，适合不同地区不同季节的使用。 (6)安装简单，更换方便。 (7)作为产品设计时要考虑成本。 章小结 本章首先从整体上介绍了目前国外 后介绍了目前国外 分析了该解决方案存在的不足之处，最后在借鉴国外 针对此方案设计了主要完成的功能及技术要求。由于本人在此课题中主要负责 从机 模块电路设计，因此后面两章将分别描述 从机 模块硬件设计和软件设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 第 3章 轮胎压力监测系统 从机 电路设计 述 本课题轮胎压力监测系统 从机 电路主要由以下三部分组成 ： 无线通信微处理器模块、轮胎压力 /温度检测模块、电源管理模块。其中无线通信模块为 从机 模块的控制和数据处理单元，负责接收主机发送过来的各种命令数据，读取传感器采集到的数据并经过滤波处理后发送出去 ； 轮胎压力温度检测模块即传感器模块，负责检测轮胎内部压力和温度信号，将采集到的信号以数字量形式传送给数据处理单元 ； 电源管理模块负责给整个 从机 模块提供电源，系统处于休眠状态时唤醒系统。 从 机系统各 模块工作流程如下 :汽车停止时， 从机 模块处于休眠状态，汽车移动时，由惯性发电装置产生脉冲信号唤醒系统，系统唤醒后首先进行初始化，然后启动传感器模块检测轮胎压力、温度信号， 池电压信