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计算机控制系统设计性实验报告学生姓名:学 号：学 院:自动化工程学院班 级:自动卓越131题 目:汽车轮胎压力控制系统目 录1. 选题背景12. 方案论证（设计理念）22.1 间接式汽车轮胎压力控制系统22.2 直接式汽车轮胎压力控制系统22.2.1主动式TPMS33. 过程论述43.1 TPMS工作原理43.2 TPMS的总体结构43.3 TPMS硬件设计43.3.1 传感器53.3.2 微控制处理器与无线发射芯片ATAR862-353.3.3 轮胎模块电源63.3.4 无线射频接收芯片63.3.5 无线接收处理系统电路设计63.3.6 接收模块电源63.3.7 显示报警单元73.4 TPMS软件设计94. 结果分析105. 结论116. 设计心得体会121. 选题背景汽车的普及和交通网络的迅速扩张使人们的出行越来越依赖汽车。作为汽车的关键组成部分的轮胎在汽车行驶过程中起着重要作用。它是汽车行驶功能的执行器，关系在行驶过程中汽车的安全性与汽车的做工效率。汽车行驶是否安全可靠及汽车使用效率是否高与汽车的轮胎压力直接相关。轮胎压力在合理范围内，汽车可安全行驶，做功效率高。如果轮胎压力过低或过高将严重影响汽车的安全性，或发生爆胎等严重的交通事故，直接威胁到乘客的生命与财产安全。那么能否设计一套设备监测汽车轮胎压力，在轮胎压力偏离正常范围时通知驾驶员采取相应的措施，避免事故的发生呢？汽车压力监测系统就是这样的一套设备，它能实时监测轮胎压力，在轮胎压力出现异常时通过某些方法告知驾驶员及时采取相关的措施。汽车轮胎压力控制系统主要解决的问题是实时监测汽车轮胎状态，并通过显示器显示给驾驶员参考，在汽车轮胎压力过低或过高时通过报警系统通知驾驶员。这要求该系统具有压力传感器实时监测轮胎压力。因传感器是放在轮胎内的，所以该系统要有无线发射装置和无线接收装置。同时配置液晶显示器显示轮胎压力，还要有报警系统以便在压力出现异常时报警。本设计是在研究了当今市场上流行的直接主动式TPMS的工作原理而提出总体设计方案的。考虑到轮胎的工作环境，本系统组成框图如图1-1所示。由气压测量模块，无线发射模块，无线接收模块，显示模块，报警模块等部件组成。信号发送模块信号处理模块气压测量模块显示模块图 1-1 系统组成框图信号接收模块报警模块信号处理模块2. 方案论证（设计理念）监测汽车轮胎压力的方法很多。大致可分为间接式监测和直接式监测两种。2.1 间接式汽车轮胎压力控制系统间接式汽车轮胎压力控制系统是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。间接式TPMS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。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收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，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而报警。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的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。同时，由间接式TPMS判断轮胎缺气的原当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。 这个比率可用下列等式来表达，见公式 2-1。如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，间接TPMS 有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则（Final Ruling）所规定的25%原则，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。2.2 直接式汽车轮胎压力控制系统直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们都会检测出这种状态，当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7 kPa的压降。直接式TPMS技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主要区别是主动式TPMS中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。2.2.1 主动式TPMS主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子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，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。系统主要由传感器，发射器、接收器和显示器组成。主动式技术的优点是:它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端，如电池的寿命有限;当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少，这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。2.2.2 被动式TPMS被动式TPMS，也叫无电池TPMS。用一个中央收发器(Central Transceiver)代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发(Transponder)(代替了发射器)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上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池TPMS短期内还难以流行。综上看来，由于直接式TPMS有着测量精度高，稳定性好，体积较小，功耗较低等特点，因此本文主要论述直接式TPMS的设计。设计使用更加灵活，系统更加安全，可靠的汽车压力监测系统。3. 过程论述3.1 TPMS工作原理在轮胎的胎骰上安装一个内置气压感应装置,它将气压和温度信号转换为电信号,通过无线发射装置将信号发射出来。传感器发射出来的气压信息由接收机接收处理后, 再安装在驾驶台上的显示器中显示出来,在行驶过程中实时地进行监视。驾驶员从监视器上就可以清楚地知道每个轮胎的气压值,当轮胎的气压低于设定的气压下限时,监视器将自动报警。驾驶员可以根据显示数据及时地对轮胎进行加气或放气, 发现渗漏可以及时处理。3.2 TPMS的总体结构TPMS系统由轮胎发射模块和中央接收模块组成。以四个轮胎的轿车为例，系统由1个中央模块和4个轮胎模块组成。4个轮胎模块分别安装在汽车的四个轮胎中，对轮胎的压力参数进行实时的测量，并将测量的数据通过射频(RF)通信接口发送到中央模块进行处理。中央模块接收来自轮胎模块的数据，对数据进行分析处理，并进一步进行判断轮胎参数是否正常，如果发现异常，则及时进行报警。其原理框图见图3-1。压 力传感器信 号处 理MCU信 号发 射(RF)信 号处 理MCU信 号接收(RF)声 光报 警图3-1 TPMS系统原理框图3.3 TPMS硬件设计轮胎发射模块在汽车行驶时实时检测轮胎内部气压和电池电压，并通过无线方式将信息发送到主机显示模块，所以检测模块主要包含传感器、微控制器、信号发射器以及供电电池。整个模块被放置在轮胎里面，在汽车高速行驶时轮胎内部产生高温情况下要能正常运行，并且能保证有效工作510年，所以模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计是十分重要。发射模块包括：具有压力、加速度、电压检测的智能传感器：48位单片机（MCU）；RF射频发射芯片；锂亚电池；天线。外壳选用高强度塑料。所有器件、材料都要满足-40+125的使用范围。3.3.1 传感器传感器选用SP12传感器。SP12传感器是德国 Infineon technologies AG（英飞凌公司）面向汽车轮胎压力监视系统（TPMS）应用而推出的，是直接式 TPMS 的关键元件，该器件是个SoC模块，整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器，温度传感器和一个电池电压检测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量，信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路。3.3.2 微控制处理器与无线发射芯片ATAR862-3由于TPMS发射模块工作在剧烈震动，环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，适应工作在-40到+125温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积，节省功耗和增强功能，采用处理器和无线发射天线一体芯片ATAR862-3。其内部框图如图3-2所示。ATAR862-3T5754发射芯片微 控制 器图3-2 ATAR862-3内部框图ATAR862-3是24引脚封装，有UHF ASK/FSK发送器的微控制器，在单封装内集成了三个芯片，4位微控制器，UHF ASK/FSK发送器和512位EEPROM，有用作应用程序的闪存控制器，发射功率要求PA在9.5mA时能输出7-10dbm。工作电压2.0-4.0V，频率范围310-330MHz,数据速率高达32K波特，工作温度-40摄氏度到125摄氏度，SSO24封装，只有七个外接元件，可用在汽车接入和轮胎压力监视以及工业和消费类电子产品。ATAR862-3的UHF RF发送器其内部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSK发送器，T5754由PLL，压控振荡器（VCO），功率放大器(PA)等组成，外部晶振源经XTO(串口谐振器)供给VCO，PLL向MCU提供时钟，MCU将以编码的数据流经PA调制在UHF指定频率，交由天线发射，天线采用印制在PCB板上的环形天线。3.3.3 轮胎模块电源轮胎模块的电源关系到轮胎模块的寿命，甚至整个系统的可行性和稳定性，轮胎模块的电源选择是整个系统的重要组成部分。轮胎模块工作环境非常恶劣，不仅要耐高低温(-40125)，而且还要能抗击振动、离心作用和高气压，因此要求非常高，所以电池也应该采用准军工级(汽车电子)的品类才能达到可靠和安全的目的。目前，工业级的电池中主要是锂亚电池(锂/亚硫酰氯，Li/SOCL2),锂锰电池(锂/二氧化锰，Li/MnO2)及锂氟化碳(锂/氟化碳，Li/CF )。3.3.4 无线射频接收芯片摩托罗拉的MC33594器件是集成UHF超外差无线电接收模块。该芯片采用LQFP24封装,工作频率在300450MHz频段,电压在4.55.5V范围内;接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)。通过SPI,它允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信,交换信息。SPI接口使用四条线:串行时钟线(SCK),主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线RESET。3.3.5 无线接收处理系统电路设计接收系统由无线接收芯片MC33594和中央处理器89C2051芯片及外围电路组成的，其框图如图3-3所示。报警显示电路 MCUAT89C2051MC33594 芯片图3-3 无线接收系统电路原理图3.3.6 接收模块电源接收器模块采用的是汽车电源，由于绝大部分轿车的电源电压为12伏，并且电压波动范围大，干扰大，而接收器模块需要的电压为5V，必须进行电平转换。线性三端稳压器件具有使用方便、调整率高、纹波抑制大等优点。设计中采用固定电压线性稳压电源器件，进行电压转换。设计中采用LM7805C三端5V正稳压器，输入电压范围为7.5V-35V之间，输出电流可以达到IA,满足接收器模块的容量需求，应用电路如图3-4所示。图3-4 接收模块电路其中电容Cl用于输入电压的滤波，电容C2用于提高输出电压的暂态相应，C1, C2的值参考器件厂家的典型应用设计。二极管DI起保护作用，当输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电，从而会引起三端集成稳压器的损坏，D1在此时就起到保护稳压器的作用。3.3.7 显示报警单元在轮胎压力监测系统中，接收器模块能向驾驶员提供必要的信息：轮胎压力，轮胎温度，轮胎模块状态等；在报警时，能同时进行声光报警，迅速提醒驾驶员注意。因此系统应包括报警和信息显示两部分。报警部分分为语音报警和指示灯报警两部分，原理如图3-5所示，指示灯报警与信息显示相关联。滤波放大D/A转换扬声器LED指示灯显示报警图3-5 报警系统框图根据香农定理，采样频率只有大于信号有限带宽信号的最高频率的2倍时，才能由采样信号唯一地决定出原始信号。人耳能听到的声音的最高频率大概在16-3000Hz之间，所以，将语音的采样频率定为10KHz，以保证语言传送的清晰度。由语音处理技术可知，语音信号是由多种因素决定的，其中最重要的参数是“过零率”。因此我们采用1位A心转换器，以l0KHz的频率工作，即可实现语音信号的报警。微控制器语音报警电路由1位D/A转换器外加一个滤波放大和扬声器组成，如图3-6所示，触发器74LS74的D端与Q端相连，微控制器向触发器74LS74输送语音脉冲信号。每当D触发器74LS74的CP端接受到一个脉冲信号，就将是其输出端Q改变一次状态，从而完成1位D/A转换。信号通过放大滤波电路的输入端相接，放大滤波电路的输出驱动8扬声器。图3-6 声音报警电路液晶显示模块采用的是20*2字符型液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度数值，同时也具有报警信息的显示功能。显示电路采用的方法通常有静态显示和动态显示两种显示方式，静态显示的缺点是硬件电路过于复杂，动态显示的缺点是占有的微控制器的时间较多，在设计中，采用与微控制器基于 SPI 接口进行通讯的集成数码显示驱动电路，有效的减少硬件电路，有利于提高可靠性和较低成本，在把显示数据串行通讯到微控制器之后，不再需要CPU的参与，减少微控制器的使用率。在系统的设计中，用89C2051单片机进行显示的控制，该单片机与中央处理器通过SCI串行口通信，这样减轻了中央处理器的负担，使控制逻辑更加简单。LED指示灯的设计相对容易些，由4个I/O口直接控制4个LED灯。电路如图3-7所示。图3-7 接收器显示电路3.4 TPMS软件设计系统的软件设计主要包括轮胎发射模块的软件设计和接收器模块的软件设计两部分。轮胎发射模块软件设计包括压力温度数据读取程序设计和无线信号发射软件设计。接收模块的软件设计包括无线信号接收处理软件设计和显示报警的程序设计。其功能框图如图3-8所示。数据读取程序设计系统程序设计轮胎发射模块无线信号发射程序设计显示报警程序设计中央接收模块无线信号接收程序设计接收数据处理程序设计图3-8 系统功能框图4. 结果分析采用上述选用的器件用仿真软件进行电路连接，整套设备的基本功能可以实现。传感器采集压力信号，单片机将传感器信号进行处理和调制后，经无线发射电路把信号送给接收器接收，中央处理器对接收到的信号进行处理，以便显示和报警。综上所述，本系统的研制实现以下五项功能：（1） 通过安装在轮胎内部的压力传感器，在线实时监测轮胎的压力信号。（2） 利用加速度传感器使系统具有唤醒功能，减少系统的功耗。（3） 通过装在轮胎内部的微控制器对测量的压力数据进行分析和处理，并控制无线发射模块进行数据处理的传送。（4） 主机接收无线信号，进行信号的转换和处理，对实际压力值进行轮流实时显示。（5） 通过主机系统进行判断，压力过高或过低时，轮胎模块发生故障时进行报警，提醒驾驶员注意。5. 结论汽车轮胎压力控制系统是目前汽车消费者最为关心的汽车安全技术，也得到了越来越多汽车厂商的重视，无疑有着广阔的市场。目前汽车轮胎压力监视系统己经有相关产品问世。而相对于这些只监视轮胎气压的产品来说，我们所研发的新型轮胎压力无线监测系统无疑有着更高的实用价值和更强的市场竞争力。本论文主要进行了如下几个方面的研究与设计工作：（1） 分析了当前轮胎检测系统的优缺点，综述了国内外轮胎压力检测系统的发展概况，提出了一种可行的系统设计方案；（2） 在轮胎模块上，采用微控制器对传感器进行设置，采样，并且通过无线信号进行采集数据的传送；（3） 采用集