汽车轮胎压力及温度实时检测系统设计[期刊论文].pdf

李 敏： 汽车轮胎压力及温度实时检测系统设计 激光杂志 2 0 1 4 年第3 5 卷第 1 0 期 l as e r nal ( v o 1 3 5 no 1 0 2 0 1 4 ) 1 2 7 汽车轮胎压力及温度实时检测系统设计 李 敏 ( 黄冈职业技术学院，湖北 黄冈4 3 8 0 0 2 ) 摘要： 随着经济的发展， 汽车已作为日常生活的必需品早已走入了寻常百姓家， 由汽车所引起的交通事故 也 日益严重。据统计其中由于轮胎故障引起的交通事故在交通事故中的比例高达4 6 ， 因此人们对行驶中的 汽车轮胎各种状况的关注度 日 益增加。汽车轮胎压力及温度实时检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。本文给出了一种基于单片机轮胎检测系统的设计方案， 能实时检测汽车轮胎 的温度与压力， 能在轮胎温度及压力不正常时及时提醒驾驶员采取措施， 防止交通事故的发生。 关键词： 轮胎压力； 监测系统； 传感器； 单片机 中图分类号： 文献标识码： a d o i 编码： 1 0 1 4 0 1 6 j c n k i j g z z 2 0 1 4 1 0 1 2 7 de s i g n o n re a 1 ti me de t e c t i o n s y s t e m o f t i r e p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e lim i n ( hu a n g g a n g v o c a t i o n a l t e c h n i c a l c o l l e g e ， h u a n g g a n g h u b e 4 3 8 0 0 2 ， c h i n a ) ab s t r a c t ：w i t h t h e d e v e l o p me n t o f e c o n o my ，the a u t o mo b i l e h a s b e c o me d a i l y n e c e s s i t i e s a n d e n t e r e d t h e h o me s o f o r d i n a r y p e o p l e t h e t r a ffi c a c c i d e n t c a u s e d b y a u t o mo b i l e i s b e c o mi n g mo r e a n d mo r e s e r i o u s ac c o r d i n g t o s t a t i s t i c s ， t h e p r o p o r t i o n i n t h e t r a ffi c a c c i d e n t c a u s e d b y t i r e f a i l u r e a c c i d e n t s i s a s h i g h a s 4 6 ， s o p e o p l e c o n c e rn m o r e o n t he v a r i o us c o n di t i o n s o f r u n ni n g a u t o m o b i l e t i r e s au t o mo bi l e t i r e pr e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e i n r e a l t i m e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y i s a p r a c t i c a l a n d e ffe c t i v e me t h o d t o p r e v e n t a n d r e d u c e t r a ffic a c c i d e n t s d u e t o t i r e t h i s p a p e r p r e s e n t s a d e s i g n s c h e me o f d e t e c t i o n s y s t e mb a s e d o n s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r , wh i c h c a n r e a l t i me d e t e c t a u t o mo b i l e t i r e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e ， c a n t i me l y r e mi n d d r i v e r s t o t a k e me a s u r e s t o p r e v e n t t h e o c c u r r e n c e o f t r a ffi c a c c i d e n t s whe n t he t i r e t e mpe r a tur e a nd p r e s s ur e i s a b no r m a 1 ke y wo r d s ： ti r e p r e s s ure ； de t e c t i o n s y s t e m； s e n s o r ； m c u 由于经济的发展， 汽车的保有量不断增多 ， 车速 不断提高 ， 引发的交通事故也在不断 的增多 。据相关 部 门统计 ， 爆胎 已经成为继酒后驾车 、 超速驾驶之后 的第三个道路安全杀手， 占交通事故4 6 。汽车轮胎 运动过程中， 其压力、 温度都在大范围波动变化， 而且 这些变化不易察觉 ， 很难预防 ， 当温度与压力超 出安 全范 围就会引起恶性交通事故 。导致轮胎故 障的主 要 因素有很多 ， 如气压 、 温度频繁大范围波动 、 超载 、 车速太快、 路况太差、 长时间行车等， 而其中气压和温 度 变化影 响最 大。因此 ， 怎样及 时检测 轮胎运行压 力、 温度从而防止轮胎故障， 保证行车安全 ， 成为人们 越来越关注的问题 。汽车轮胎温度 、 压力在线实时检 测 系统 ( t i r e p r e s s u r e mo n i t o r i n g s y s t e m， 简称 t p ms ) 能实时检测轮胎的压力与温度， 帮助驾驶员防范行车 风险， 是保证行车安全的理想工具。 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 7 -2 4 基金项 目：科技项 目 基于微控制器的智能软硬件集成系统研究与 开发 ( 2 0 1 2 c2 0 2 2 1 1 8 ) 作者简介：李敏 ( 1 9 7 5 - ) ，男 ，湖北黄冈市人，硕士，副教授，主 要从事 电子技术方面 的教学 与研究工作。 1 系统总体方案设计 1 1 理论分析 保持气压的稳定 ， 让轮胎尽量工作在额定的安全 气压下， 是汽车轮胎安全工作的前提条件， 因此在使 用过程 中胎压的大范 围波动变化会直接引影响它的 寿命 ， 严重的会引发安全事故隐。如图1 所示 ， 为某 型号 的汽车 轮胎胎 压变化 与轮胎 寿命 的关系变 化 图。其 中额定工作气压下 的寿命 为 1 0 0 。从图上 可以看出， 轮胎胎压过高或过低都对轮胎不利。 窝 罐 图1 充气压力对轮胎寿命的影响 1 28 李 敏 ： 汽车轮胎 力及温度实时检测系统设计 激) i ：杂志 2 0 1 4 年第 3 5 卷第 1 0 期l as e r na l ( v o 1 3 5 n o 1 0 2 0 1 4 ) 善 昌 蝗 二 i ， ， 、 、 、 =i 二 二 l 一 5 0 - - 40 3 0 - 2 0 1 0 0 1 0 2 0 轮胎气压的变化量1 0 0 矧2轮胎最 扁温度 打r 驶 里程的关系 除气压外 ， 温度 对轮胎寿命 的影响也非常大 ， 如 2 所爪 为某 轮胎的温度变化与行驶里程之问的 系 从巾可以看 f ， 随着轮胎的温度的升高 ， 其行 驶里程呈指数规律下陈降。可见， 在驾车行驶的过程 一 i i 轮胎 温度过热 、 胎压过压和过低都会严重影响轮 胎 _ 作 寿命。而且 ， 不正常的轮胎的温度和压力之间 呵互相影响 、 恶性循环。胎压过低会导致轮胎与地面 摩擦增加 ， 加快轮胎老化 ， 同时也导致温度快速升高 ； 胎 过 高， 运 动时在温度升高的影响下 ， 会使胎压进 一 步升高， 会导敛爆胎事故。 若 能在行 乍过程 中在线 、 实时检测 、 分析轮胎 内 部的压力干 n 温度 ， 当 f j 现问题时提醒驾驶员采取相应 措施将它们控制在安全的范同内， 就会 著提高轮胎 的使h j 寿命 ， 减少 恶性 交通事 故的 发生 ， 保 证行 车 安全= 1 2 t p ms硬件系统方案设计 本系统 由发射和接收系两部分组成 ， 发射部分有 四个模块 ， 分 别安装在 汽车的四个轮胎中 ， 接收系统 安装在驾驶员座舱 内， 可实时显示四个轮胎的温度与 力。发射系统 和接收系统之间无线采用单 t异步 数字通信方式进行通信 。系统设计方案如图3所示。 1 1 教群 t * # ) 罔 3系统总体方案罔 该系统体积要小重量要轻 ， 方便于1 二 作安装于车 胎【 人 j ； 功耗要低 ， 保证系统能长时问正常工作 ； 抗干扰 性能要慢 ， 保证能不被其它车的 t p ms系统或其它车 载设备干扰 ； 发射有效距 离控制存4 8 米 以内， 距 离 过小信 无法 到达接收端 ， 距离过大会增加功耗 ， 还 会造成不同车辆之间的干扰 。 1 3 t p ms硬件系统方案设计 整个 软件架构 主要 由 个模块组 成 ： 初始化模 块 、 传感器数据测量模块 ( me a s u r e da t a ) 、 r f发射 模块( s s i d a t a g r a m) 。这三个模块尽量做成函数包 ， 方便移植 和功能升级。 2 具体电路设计 2 1 发射系统设计 发射系统框图如 图4 所示 ， 系统 由测量轮胎内部 压力 、 温度检测 电路与信号发大电路 、 微处理器模块 、 射频发射模块 等组成。工作过程是传感 器将检测到 的温度与压力信息转换 为电信号， 经放大器放大再转 换为数字信号送给微处理器进行分析处理 ， 最后经射 频发射 电路 以电磁波的形式发射“ 去。 4发射 系统框 经过分析 和比较 ， 压 力、 温度测量单元采用英 飞 凌公 司生产的轮胎压力传感 器芯片 s p 1 2 ， 微控制器 采用沈阳新华龙公司的c 8 0 5 l f 3 0 0 单片机 ， 发射单元 采用是 no r d i c 公 司研 制 的单 片 uh f无线 收发 片 n r f 4 0 1 ， 发射系统的主要电路设计如罔5 所示 图5发射系统电路 2 2 传感器 电路设计 s p l 2 数字压力传感器芯片， 基于me ms 技术来 设计、 生产的， 集成了半导体压力及温度传感器、 具有 数字信号处理 和电源管理器模块。为了增强胎压检 测的精度及响应速度 ， 传感器模块内还增加了加速度 检测 、 电压检测 、 内部时钟 、 看门狗 ， 模数转换 、 闪存及 其它功能的数字信号处理单元。这使得t p ms 传感 器不仅能实时准确检测运动 的轮胎压力和胎内温度 的变化 ， 而且还能实现传感器随汽车移动 自动唤醒 ， 停车时 自动关机 ， 实现节能功能 。电源管理器确保 系 统实现低功耗 ， 一节锂电池 可以使用 3 年以上 。s p i 2 的测定值范尉如表 1 所示 。 仰 0 一 =n 圈 圈 李 敏 ： 汽 4 1 轮胎 力及温度实 i、 f 检测 系统 设 激光杂忠 2 0 1 4 年第3 5卷第 l 0 期l as e r na l ( v o 1 3 5 n o 1 0 2 0 1 4 ) 1 2 9 表 1 s p 1 2 的测定值范 围 s p 1 2 采j j 1 4 脚双列a捕式 的封装 ， 其t作 电路 需过多的外部辅助电路 ， 电路结构非常简单 。s p 1 2 f j l 脚 j 1 l 6 所爪 ， 引脚功能如表 2 所爪。 6 s p i 2 f j i 脚 【皋 i 表 2 sp 1 2的各个引脚功能 s p l 2的电路 如 7 所示t作时 wake u p引脚 每 6 s 输 一个脉 冲信 n ， 刚来唤醒单片机 作 ； r e s e t每隔约 5 4 mi n 输f f i 一个脉冲信号 ， 使 系统每隔约 l 小时复化一次。 、 i 矧7测 i _l ；= s i 1 2i u 路 2 3 射频发射单元电路设计 发射 系统足装 轮胎内部 ， 接收系统安装存 驶 ，它们之问采川无线数字通信 的方式 。无线射频发 射 元电路设计如 6 所示 ， 渊节偏 电阻r 3 的阻 值 f 1 r 以州节输 f f i 发射功率 ， 现取 r 3=2 2 k， 则发射功 率町巾 w = u r算 j ， 若所设的频率值小于其最大发 射功牢 1 o d b m， i 有效的实现低功耗要求。此无线发 射模块 寸仪为 3 0 mmx 2 2 mmx 6 mm 。 6 尤线发射电路 2 4 接收系统设计 接收系统主要包括解捌电路 、 接收处 、 ， 旨 报 警 以及人机接 口四部分， 如 7 所爪 主要 成数 的接收币 i 1 解渊和数据 的处理 、 示 、 ) t # 14 警 币 i l 丁 动 设定单片机的功能 7接收系统 3 软件系统设计 3 1 发射系统主程序设计 发射系统主控程序主要是将传感 送过米爪力 、 温度信 号 进行分析、 比较 、 编码， 控制射频发射电路将 信息发送“ j 去。 3 2 接收系统程序设计 接收系统主要 作是 ， 先解涮得到温度值和 力 值等数据 。然后进行数据校验 ， 判断 1 d、 cr c校验码 是 否正确 ， 如果不 正确 ， 则 舍弃数据 等待接 收新数 据 。数据正确后 ， 将 力 、 温度 与闽值进行比较 ， 判断 轮胎 t作 是否正常 ， 并进行 示和报警操作 此外 ， 接收系统 主控程序还 可以进行轮胎换位后 i d 最新 设定和温度 、 力阈值的重新的没定等。 8 发射丰 序流 1 3 0 李 敏： 汽车轮胎压力及温度实时检测系统设计 激光杂志) 2 0 1 4 年第3 5 卷第 1 0 期l as e r na l( v o 1 3 5 n o 1 0 2 0 1 4 ) 图9 接收程序流程图 3 3 无线异步通讯的软件设计 系统采用射频通信方式 ， 为了实现轮胎发射系统 和中央接收系统间的无线通信， 必须制定一个通信协 议。数据采用 mc u内部的u a r t口异步串行方式 发送， 轮胎压力与温度值采用4 o 位二进制编码， 数据 帧格式如 表 3 所示 。前 8 位 为前 导位 ， 置成 0 x3 f 。 mc u通过发送数据帧的前导位唤醒接收系统 ， 通过 检验前导位来获得同步。第二个 8 位轮胎校验码 ， 接 收系统进行轮胎i d码校验 ， 判断是否是本车轮胎的 i d码 ， 只有i d码正确才继续接收数据 ， 否则返回等待 接收 。第三 、 第 四个 8 位分别是压力及温度编码 ， 最 后一个8 位是校验码， 为设备i d 码、 压力值、 温度值的 和值取最后 8 位。接收系统接到数据后重新计算 i d 码 、 压力值 、 温度值的和值 ， 并与原信号 中的校检和值 进行比较， 相同则说明数据可靠， 不同则说明数据有 误 ， 要重新接收。这是无线通信技术 中保证数据安全 的常用措施。 表3 数据帧格式 发送单元 n r f 4 0 1 进行数据发送和接 收时 ， 需要 发射 的数 字 信 号 从 单 片 机通 过 d i n 引脚 输 入 到 n r f 4 0 1 ， 然后进行发射。接收到数据后进行解调， 然 后经过 do ut引脚输 出给单片机。s e n d 函数程序和 无 线 异 步 串行 通信 发 射 程 序框 图如 图 1 0和 图 1 l 所示。 发 送 数 组 中 的 压 力 和 温 度 值 t 发 送 校 验 和 【 一棚 ： ： ， 否 图1 0 s e n d 函数流程图 唤醒 单片机 测 量温 度压 力并存 倘 一 nr f 4 0 1置 为发射 工作模 式 暮 兰 薹 二 否 是 一r 、 调 肫 e n d ( 函 数) 等待 从机 应答 一 一 否 置 一 一 是 n