基于单片机的胎压监测设计.doc

II 摘要 随着时代发展和科技进步汽车已成为了人们常用的且离不开的交通工具 随着汽车数量的增多交通事故发生的数量也越来越多 而其中汽车轮胎压力 正常与否成为重要因素 据汽车工程师学会统计 美国每年由于轮胎欠压以及渗漏造成的有 26 万 左右起交通事故 而在中国这原因也高达有大约 70 所以 对汽车爆胎的 监测和解决方法已成为安全驾驶的重要发展方向 而其中确保轮胎有着正常合 适的胎压是解决的这个问题的重中之重 目前成熟的汽车压力检测系统有直 接式和间接式 因为直接测量方法可靠方便 所以在本文中我选用了这种方法 另外在 文中对多种传感器进行了比较最终确定方案为使用 SP12 传感器 SP12 作为 一种数字式汽车专用胎压监测传感器具有优良的性能 为了降低功耗 本文 采用了低频唤醒方法 所谓的低频唤醒方法 就是在驾驶室内用 MC33690 芯 片构成了低频信号发射电路 同时我在轮胎内部安装了 LC 低频信号接收电 路 用于接收唤醒信号 从而唤醒单片机 最后 为了提供稳定的电源用于 给系统供电 我选用了 ABLE 爱博尔 公司的 ER2450 另外因为文中数据大多为通过无线传输 所以我选用 NRF24L01 射频芯片 进行传输信息 而定位问题则是利用频分方法结合跳频接收方式来确定车轮 位置 该监测系统的使用范围是 100 400 千帕 系统精度可以达到 1 4 千帕 关键词 汽车胎压 监测 SP12 NRF24L01 II Abstract With the development of science technology and economics car has been important vehicle that people can not been without However the increasement of the amount of cars leads to more and more traffic accidents happened In these the pressure of tyre is key factor According to SAE society of automotive engineers about 260 000 accidents is caused by the lack of pressure of tyre And in china about 70 accidents are caused by tyre burst So preventing tyre burst has been an important issue As far TPMS is divided into two kinds directly and indirectly In this paper I select the first one for its convenience In addition compare of three kinds of sensors is made At last SP12 is chosen As a kind of sensor used specially in car SP12 has a good character To lower the power consumption I choose the mode of awakening by low frequency MC33690 is used to transfer a signal with a low frequency And this signal is received by a LC circuit To support a steady power ER2450 was used which is made by ABLE company The most of information is transferred in the mode of wireless NRF24L01 is used to transfer pressure And which tyre can be located because the frequency of transferring in every tyre is different The range of working is from 100KPa to 400KPa The precision is 1 4KPa III Key words tyre pressure monitoring SP12 NRF24L0 IV 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题产生背景及其意义 1 1 2 国内外发展状况 1 1 3 拟采取的研究方法及选用技术 2 1 4 本论文的内容简介 3 2 TPMS 分类及原理介绍 4 2 1 间接式 4 2 1 1 计算式间接 4 2 1 2 磁敏式间接 4 2 1 3 基于 SAW 方式 5 2 2 直接式 5 3 系统的总体设计 7 3 1 系统的需求分析 7 3 1 1 工作环境 7 3 1 2 技术分析 7 3 1 3 汽车轮胎爆胎原因分析 7 3 2 系统的总体设计 8 3 2 1 总体设计 8 3 2 2 检测模块设计 9 3 2 3 主机部分设计 9 4 元器件介绍 10 V 4 1 传感器 10 4 1 1 英飞凌的 SP12 SP12T SP30 10 4 1 2 飞思卡尔的 MPXY8300 系列 11 4 1 3 GE 的 NPX 系列 12 4 1 4 三种传感器比较 12 4 2 MCU 13 4 3 RF 射频收发芯片 13 4 3 1 模块简介 13 4 3 2 模块电气特性 14 4 3 3 模块引脚说明 14 4 3 4 模块与单片机接口电路 15 4 3 5 工作模式控制 16 4 3 6 数据和控制接口 16 4 4 MC33690 17 4 4 1 特点 17 4 4 2 引脚图 18 4 5 供电电源 18 4 6 天线 18 4 7 液晶屏 19 4 8 结论 19 5 系统关键问题的解决 20 5 1 功耗问题 20 5 2 轮胎定位问题 20 5 3 NRF24L01 跳频接收 21 6 硬件设计 22 6 1 传感器部分电路设计 22 6 2 采样端 RF 发射部分电路设计 22 6 3 低频信号接收电路 23 VI 6 4 显示电路 24 6 5 低频信号发射电路 24 6 6 主机电路 25 7 软件设计及仿真结果 26 7 1 总体设计 26 7 2 运行 LCD 显示子程序 27 7 3 射频发射子程序 28 7 4 射频接收子程序 29 7 7 液晶屏显示仿真结果 30 总结 32 致谢 33 参考文献 34 附录 35 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 1 1 绪论 1 1 课题产生背景及其意义 随着交通运输的不断发展 汽车数量和车速也越来越高 而伴随着的则是 对安全严重考验 而爆胎 疲劳驾驶 超速已经成为了三大交通事故杀手 而 其中以汽车爆胎的难预测和不确定性成为了司机头疼不已的事情 据统计 在 中国因为爆胎引发的事故比例达 70 在美国更是高达 80 因此怎么样防止汽 车爆胎原因成为了一项重要课题 据国家轮胎质量监督中心专家研究发现 汽 车轮胎气压正常与否是一项重要因素 因此汽车轮胎压力监测系统 Tyre Pressure Monitoring System 简称 TPMS 则变成了最理想的工具 汽车轮胎压 力监测系统应运而生 所以轮胎气压情况检测是必须的 而气压量是无法通过肉眼观测的 而且 在高速行驶时也是不实际的 TPMS 可以帮助人们随时随地不间断的监测气压量 从经济性上考虑 据统计和试验验证气压量每下降十分之一而轮胎的寿命会缩 短四分之一 1 不仅如此 从油耗上看 汽车轮胎气压量下降时会使得轮胎与 地面摩擦力下降 而且轮胎抓地力不牢导致油耗会上升 根据实验研究气量下 降十分之一时在相同油量下汽车行驶会下降 2 同时在汽车保养方面 当气压 量下降时汽车底盘下沉 悬挂系统也会受到损伤 时间一长造成极大的经济损 失 不仅如此 这些损伤还会造成交通事故 造成人身安全危害 因为这些重要方面原因 各个国家先后将 TPMS 列为汽车必备系统之一 而 其中美国作为先驱者始终保持着领先地位 1 2 国内外发展状况 美国早在 2003 年就通过了 TRAD 法案 其规定了美国所有汽车 2007 年起 必须安装 TPMS 另外 2004 年美国国家公路安全管理局规定了 TPMS 在汽车胎 压低于标准值的 25 30 时向司机报警 继美国之后 欧洲也开始着手制定 其标准 2 第一个 TPMS 的是由英国美达公司成功研制的 2004 年 在美国博览会 上 加拿大的一家汽车轮胎设备制造厂展出了世界上第二套 TPMS 2003 年日 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 2 本的阿尔卑斯电气公司成功研制出了无需电池的 TPMS 生命是极其可贵的 随着外国标准的制定以及技术的发展 我国对于汽 车使用的 TPMS 也开始制定标准 而今 随着国家政策的投入和批准 以及人 民对生命安全的重视 这项产业也开始蓬勃发展 我国在 2000 年开始 TPMS 系统的研究和引入 并于 2004 年步入高潮 1 3 拟采取的研究方法及选用技术 大部分的 TPMS 系统主要部分有 位于汽车轮胎内部的远程胎压监测模块 Remote Tyre Pressure Monitoring 即是使用 nrf24L01 和 SP12 组合而成 的检测模块和安在驾驶台上的监视器 LCD 显示器 即接收器与液晶屏显示 安装在每个轮胎内部的测量轮胎压力 将测量得到的信号经过 nrf24l01 调制 后通过高频无线电波 RF 发射出去 通常情况下一个 TPMS 系统有 4 个 RTPM 模块 驾驶室内的监视器接收由 nrf24l01 模块传回的信息 并将数据 在屏幕上显示 供驾驶者加以参考 一旦汽车轮胎发生了异常情况 驾驶室 内的监视器可以根据不同的异常情况 发出报警信号 TPMS 大体分为两种类型 间接式 它利用的是轮胎速度差 从而可以监 测轮胎状况 但其缺点是无法对多个轮胎不正常状态做出准确判断且在高速 下也无法做出判断 第二种直接式 TPMS 它使用压力传感器直接测量压力得 出数据 并通过高频传出信号 监视器可以动态显示气压值 并可以在不正 常状态下向驾驶员提出报警 经实验证明直接式要比间接式方便和精确 因 此许多汽车制造厂商采用了直接式方式 现在国内各个汽车厂家也开始追随 世界潮流 在自己的汽车上安装直接式检测系统 但大多为国外成品 自主 能力较差发展潜力较深 本设计选用的是直接式测量方法 它以 PIC16F628 单片机为核心 并包括 三合一集成式传感器芯片 SP12 和 2 4 GHz 全双工无线通信收发模块 nRF2401 3 SP12 在单片机控制下检测压力传输数据 并以数字量形式输出 再经过单片机 MCU 打包后通过 nRF2401 调制成高频发射出去 而同时 也可以 利用 24l01 传输控制信号 4 而在接收方在接收信号后经过数据调整再通过 液晶屏显示 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 3 1 4 本论文的内容简介 本论文的章节安排如下 第 1 章 主要介绍了汽车轮胎压力监测系统的研究背景和意义 分析了 汽车轮胎压力对汽车运行的影响 并介绍了国内外 TPMS 发展状况 第 2 章 介绍了 TPMS 的分类和测量原理以及对爆胎原因进行了介绍 第 3 章 大体介绍了该系统的设计方案 以及该设计所需达到的要求 外界环境状态 以及对技术要求进行了分析 第 4 章 详细的介绍了文章所使用的各种芯片 以及选用芯片的标准 重点介绍了射频芯片和低频发射芯片和比较了压力传感器的优缺点 第 5 章 提出了在设计中所遇到的关键的两个问题 并提出了多种解决 方案 在这些方案中选择了最为合适的方案加以实际解决 第 6 章 将各部分电路图展示 并加以详细的说明介绍 第 7 章 大体说明了软件设计流程 对软件设计提供了详细的指导 另 外对结果进行了仿真测试 2 TPMS 分类及原理介绍 2 1 间接式 所谓的间接式就是非直接接触测量 气压值不是由传感器直接给出数据 的方式 现在较为常用的两种方法为计算式和磁敏式 2 1 1 计算式间接 间接式的大体原理就是测量轮胎转速 当轮胎不正常时 汽车轮胎转速 会变得不正常 利用当前速度与 ABS 5 速度相比较可以得知当前轮胎压力状 况 当轮胎漏气或者爆胎时 车轮直径会变小从而速度会变大 经过测速传 感器测量到微处理器中进行处理比较最终得知车轮的变化 方法较为简单实 用 且安装方便 其方法框图如图 2 1 所示 但同时这种方法也具有很大的局限性和缺陷 首先当速度过大时比如大 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 4 于 100 码时得出的结果就会不准确 另外如果两个轮胎发生了异常 司机也 无法判断和解决 ABS VSC CPU 波形处理 轮胎在 VSC 控制范 围内 1 排除共振外的杂 波 2 推算轮胎弹簧常 数的变化 3 对气压低的判断 和处理 液晶屏 显示 LED 灯 报警 速度传感器 图 2 1 计算式间接 TPMS 结构图 2 1 2 磁敏式间接 所谓的磁敏式方法是在车轮内部安装磁性组件 当轮胎发生异常时会使 得磁性组件发生偏移从而改变与外界磁敏器件 如 霍尔器件 之间的磁场强 度 利用磁敏器件测量这些变化从而得知轮胎内部压力状况其框图如图 2 2 所示 利用这种方法可以无需直接接触轮胎内部就可以得知压力状况 这种 方法中所用的器件都是安装在轮胎外部所以在对器件选择时就不需要太高要 求 如对其耐温 耐压能力无需太高大大降低了由器件造成的成本消耗 但同时其缺点也是显而易见的 首先无法定量的测量内部压力 第二 因为轮胎气量在不同温度下不同行驶条件下对气压要求是不一样 的 比如 在夏天气压会比冬天得低 第三 由于汽车轮胎使用时会发生磨损表面会变薄 安装的磁敏组件与 磁性组件之间的距离会变小 需要不断地调整标准量 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 5 霍尔装置 信号处理 A D 转换 驱动器 电子控制单元 磁敏组件 图 2 2 磁敏式间接 TPMS 结构图 2 1 3 基于 SAW 方式 所谓的 SAW 就是 Surface Acoutic Wave 的缩写 6 即使表面声波它是在 1885 年英国物理学家瑞利发现的 该研究表明在弹性晶体表面存在一种波动 也就是我们所说的表面声波 7 当外界向由晶体构成的 SAW 组件发射一定的频率的高频电波时 SAW 会接收并发回一定频率的信号 当该组件处在不同压力和温度时返回的信号 频率也不同 由此可以测量轮胎内部压力 2 2 直接式 所谓的直接式就是使用压力传感器直接埋入轮胎检测压力值安装位置 8 如图 2 3 所示 并将其转化成数字信号传出的方式 其中又包括机械式和电 子式 这是由其传感器的类型所决定的 当谈到直接式系统时为了直观的理解我们需要了解的是发射装置的安装 情况其安装位置也是需要我们仔细考虑的问题 目前发射装置安装位置主要 分为两类 第一种安装在轮毂上 另一种安装在气门芯上 无论安装在何位 置都要考虑的是平衡问题 所以在汽车安装时都会做平衡校验 事实上安装 在气门芯上是现在的主流 因为可以把发射天线用气门芯代替 显示报警装置 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 6 图 2 3 直接式 TPMS 安装图 3 系统的总体设计 3 1 系统的需求分析 3 1 1 工作环境 TPMS 的采样端位于轮胎内部 工作在密封的环境中 故而需要无线通信 实现信息交换 另外由于轮胎高速旋转 所以必须固定牢靠 另外车胎内部空间狭小对于系统体积必须有着严格控制 而且由于被深 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 7 埋入轮胎内部取出极不方便 所以必须采用微功耗设计 综合起来 设计的主要要求如下 1 体积小 系统的体积应尽可能的小 2 微功耗 采用电池供电电量有限 所以应做到功耗低延长工作时间 3 抗干扰性能要好 因为采用无线通信采取适当方法抑制干扰提高通信可 靠性 4 发射距离要适当 应保持在 4 米到 8 米之间 过小信号无法到达接收端 3 1 2 技术分析 本设计的汽车胎压监测系统所采用的是直接式检测轮胎压力的方式 它 采用的是锂电池供电 通过埋入轮胎的压力传感器检测压力 再通过无线调 制发射到驾驶台的监视器上 监视器可以监测每个轮胎的压力 从而司机可 以及时作出调整 具体要求如下 1 可以实时监测以及显示每个轮胎的压力情况 2 在气压过高或者欠压时能发出报警并警告驾驶员 3 1 3 汽车轮胎爆胎原因分析 汽车爆胎是汽车行驶时遇到的最常见的危害 而其原因也是多样的 负荷 过大 胎内气压 温度 行驶速度都是很重要的因素 所以研究汽车轮胎爆胎 也成为了一项系统而重要的研究课题 而目前汽车所使用的子午胎 即无内胎 爆胎原因更为复杂 但其中最多 的也是最常见的是轮胎欠压 目前子午胎为了提升轮胎的强度 会在外层加上 一圈钢丝 当轮胎欠压或是漏气时会使车体下沉 随之温度因轮胎摩擦加重而 升高 温度的升高会使轮胎老化加快 钢丝变形 最终内部断裂 其原因如下 1 漏气 因外界锐器扎破轮胎导致气压迅速下降 这会使汽车迅速偏向并失去 控制 在交通安全中这是一种极为危险的事 2 胎压过低 由于使用时间长轮胎内部气体量下降到一定程度 在高速行驶时 摩擦急剧加重 并在突然拐弯时轮胎壁接触地面 从而导致爆胎 这种现 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 8 象在发生交通事故时极为常见 所以为了交通安全 行驶前必须仔细检查 汽车轮胎胎压是否气量过低 3 2 系统的总体设计 3 2 1 总体设计 根据功能及技术要求 系统的总体设计如图 3 1 所示 SP12 PIC16 F628A RF 发射 第一轮台模块 RF 接收 单片 机 液晶屏显示 及报警 SP12 PIC16 F628A RF 发射 第四轮台模块 LF 低频发射 LF 唤醒 电路 LF 唤醒 电路 图 3 1 总体系统结构图 3 2 2 检测模块设计 检测模块功能主要是收集压力信息 转换成数字信号 并通过处理单元 处理数据 再通过射频无线传输出去 由传感器将信息传入微处理器中 再 由微处理器对格式转换 再进行编码处理变成合适调制系统的数据格式 具 体设计如下 MCU射频发射电路 压 力 传 感 器 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 9 图 3 2 检测模块结构图 3 2 3 主机部分设计 主机部分包括射频信号接收装置 接收之后传入 MCU 进行处理 从这 些数据中提取各个轮胎压力 在进行进制转换后成为十进制数据再在液晶屏 上显示 再经过比较程序处理比较大小 最终由比较结果进行相应的报警提 示处理 接收装 置 MCU 显示及报警 人机接口 图 3 3 主机部分结构图 4 元器件介绍 本文中所使用的元器件主要分为两部分 采样并发射部分以及主机接收 部分 其中主机部分主要有 MCU 射频芯片 RF 显示屏 LCD 由于其位于驾驶 室内所以芯片性能达到商用基本即可 目前采样发射部分有两种安装方式 第一种安装在气门芯上 第二种安 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 10 装在轮胎内部 该部分主要包括数字压力传感器 MCU 锂电池和天线等 现 在大多数汽车轮胎采用的是没有内胎的真空子午胎 安装固定是容易的 但 汽车行驶时轮胎内部压力温度变化剧烈所以该部分元件按照军用级选用 4 1 传感器 目前由于数字式的传感器体积小 功耗低 性价比高 使用方便的各方 面优越性能逐渐取代了传统的无源传感器 对于汽车胎压检测传感器世界上 著名的有 英飞凌公司的 SP12 系列 飞思卡尔 MPXY8300 系列 GE 的 NPX1 和 NPX2 4 1 1 英飞凌的 SP12 SP12T SP30 SP12 是德国英飞凌公司面向 TPMS 研发的重要元件 它是一种压电电阻 式传感器适用范围可达 100 400kpa 自带有一个数字串行通讯口 可以方便 的应用在单片机系统中以适应多种复杂的任务要求 SP12 有 14 脚的精简封 装 应用时无需其他外部器件 其精度为 1 37Kpa lsb 9 另外 SP12T 与 SP12 所使用的电池电压和温度测量规格是相同的 但是未 来更适用于重型车辆的要求 SP30 是将传感器与 MCU 封装在一起 这也是今 后英飞凌公司的重点发展方向 具体介绍如下 1 推荐工作环境如表 4 1 所示 2 测量性能 需要注意的是对于一个数字式传感器的测量精度影响最大的是其所处环 境的温度 另外需要理解的是 SP12 不仅仅只是压力测量传感器事实上它是一 个集压力 温度 加速度 电压测量于一体的四合一传感器 表 4 1 工作环境表 使用指标最小值 min最大值 max单位 温度范围 40 125 测量进行所 需电压 2 13 6V 测量未进行 时电压 1 85 5V 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 11 压力输入 100450Kpa 注 以上压力均为绝对值 只有电压在测量电压范围内时 测量的精度才会在 表明范围内 3 综上所述 SP12 传感器有以下特点 检测精度方面 因为 SP12 采用的是精度较高的半导体电阻应变片构成的 惠斯通电桥作为力电变换测量电路的 所以其测量精度非常高 0 01 0 03 FS 可靠性方面 SP12 具有误差补偿功能 可对压力电源电压信号的检测和 补偿 准确的给出不同种类的轮胎在不同压力情况下的正确补偿值 从而可 以有效的保证了结果的可靠性 低功耗方面 SP12 可以优先唤醒瞬态操作模式 当工作在此状态时功率 消耗 仅为 0 6 微安秒 最大所需电流为 6mA 大大的降低了功耗 延长了电 池的使用寿命 4 1 2 飞思卡尔的 MPXY8300 系列 MPXY8300 系列是专用于检测汽车轮胎各个参数以及行驶状态的传感器 在该传感器内包含了压力 温度等参数的测量电路 另外包含了 MCU 和射频 输出 10 其管脚图如图 4 2 所示 MPXY8300 特点如下 1 MPXY8300 测量时将由传感器测出的值经过内部 4 通道 10 位模数转换器 2 8 位 MCU S08 内核带 SIM 中断和调试 监视器 512RAM 8K FLASH 32 字节 低功耗 参数寄存器 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 12 图 4 2 MPXY8300 引脚图 3 内部具有 315 434 MHZ RF 发射器 无需外加 4 差分输入 LF 探测器 解码器 4 1 3 GE 的 NPX 系列 GE 一直致力于传感器的开发和研究 11 其中 NPX1 集成了硅压力传感器 温度传感器 电压传感器和低功耗的 8 位 RISC 微处理器 以及一个低频唤醒 输入级有了这些就可以方便使用者选择型号类型 从而降低成本 节省开支 节约资源 其性能和基本参数如下 1 高集成度 压力 温度 电压三种参数传感以及 MCU 集于一体 2 数字式的压力 温度以及电压量的补偿和修正 3 电源管理 最小化功耗 极低的待机静态电流 进一步节省能耗 4 多种唤醒方式 内部时钟唤醒 低频信号唤醒 外部触发唤醒 5 12 位低噪声 ADC 6 32 位内置产品寻列号 7 芯片内置过热保护功能和传感器故障监测功能 8 压力 温度传感器可以断线检测 9 电池电压检测 10 内部包含看门狗 4 1 4 三种传感器比较 GE 公司的 NPX 传感器因为开发需要专门的开发工具 成本会大大提高 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 13 所以不适宜用来实验 另外因为飞思卡尔 MPXY 性价比不高 且市面上单独 出售较少所以也不被选用 而 SP12 致力于开发商用型汽车比较切题 而且市 面上数量较多 性价比合适 因此我采用 SP12 传感器 4 2 MCU 本设计中对于轮胎内部 MCU 的要求是低功耗 汽车级温度适用性 体积 合适 对于功能上只要够用即可 首先考虑的是断电模式 这直接关系到功 耗的高低 另外最重要的就是时钟系统 这是降低功耗的关键 需要选择具 有睡眠状态的 MCU 从而在不工作时降低功耗 另外 对于体积的要求我们选 择 18 脚的单片机已经足够了 而位于驾驶室内的单片机选用的是 8051 单片 机 因为对这种单片机非常熟悉再次不再赘述 17 所以我选择了 Microchip 公司的 PIC 的单片机 PIC16F627A 12 下面具体介绍其性能 1 内部自带了较高精度的 4MHZ 振荡器 2 低功耗的内部 48KHz 振荡器 3 看门口有独自的振荡器 确保可靠的运行 4 低功耗性能 当电压为 2 0V 时 典型值仅为 100nA 5 外设功能 16 个具有独立方向控制的 I O 端口 较高灌 拉电流可以直接驱动 LED 捕捉 比较 PWM 模块 16 位捕捉 比较 10 位 PWM 4 3 RF 射频收发芯片 4 3 1 模块简介 nRF24L01 是一种单片射频收发器件 正常工作于 2 4 GHz 2 5 GHz ISM 工业开放频段 频段 13 内置频率合成器 功率放大器等功能模块 并 采用了增强型 Shock Burst 技术 输出功率和通信频道是可通过程序进行配置 另外 nRF24L01 功耗低可以适用于轮胎内部对于功耗的要求 nRF24L01 主要 特性如下 1 支持 2 4GHz 的开放 ISM 频率范围 最大发射功率情况下为 0dBm 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 14 2 2Mbps 传输速率高 3 功耗低 等待模式时电流消耗仅 22uA 4 多频点 125 个 满足多点通信及跳频通信需求 5 在空旷场地 有效距离 25m 外置天线 10m PCB 天线 4 3 2 模块电气特性 表 4 4 电气参数表 参数数值单位 供电电压5V 最大发射功率0dBm 最大数据传输率2Mbps 电流消耗 发射模式 0dBm 11 3mA 电流消耗 接收模式 2Mbps 12 3mA 电流消耗 掉电模式 900nA 温度范围 40 85 4 3 3 模块引脚说明 图 4 3 NRF24L01 引脚图 CE 1 CSN 2 SCK 3 MOSI 4 MISO 5 VSS 20 DVDD 19 VDD 18 VSS 17 IREF 16 IRQ 6 VDD 7 VSS 8 XC2 9 XC1 10 VDD PA 11 ANT1 12 ANT2 13 VSS 14 VDD 15 nRF24L01 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 15 具体引脚功能如表 4 5 所示 表 4 5 NRF24L01 引脚功能表 管脚符号功能方向 1GND电源地 2IRQ中断输出输出 3MISOSPI 输出输出 4MOSISPI 输入输入 5SCKSPI 时钟输入 6NC 7NC 8CSN片选信号输入 9CE工作状态选择输入 10 5V电源 11GND电源地 12IRQ中断输出输出 13MISOSPI 输出输出 14MOSISPI 输入输入 15SCKSPI 时钟输入 16NC空 4 3 4 模块与单片机接口电路 VCC I 0 I 0 I 0 I 0 I 0 I 0 GND 单片机 GND MCU 模块 5V CE CSN CN CN SCK MOSI MISO IRQ GND Nrf24L01 图 4 4 NRF24L01 与单片机接口图 注 使用 AT89S52MCU 模块时 请将 Nrf24L01 通讯模块各个端口 MOSI SCK CSN 和 CE 接上 4 7K 的排阻上拉到 VCC 从而增强其驱动能力 若使用其它驱动较强的单片机与 Nrf24L01 通讯模块相连时请串联上 2K 电阻 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 16 4 3 5 工作模式控制 工作模式主要由 CE 和 PWR UP 和 PRIM RX 两寄存器共同控制 表 4 6 工作模式选择表 状态PWR UP 单元 PRIM RX 单元 CE 管 脚 FIFO 寄存器 接收状 态 11高 发射状 态 10高数据存在 FIFO 寄 存器中 将发射 所有数据 发射模 式 10 1 0 数据存储在 FIFO 寄存器中 将发 射 一个数 据 待机状 态 II 10高FIFO 寄存器中无 数据 待机状 态 I 1 低无正在传输的数 据 掉电状 态 0 4 3 6 数据和控制接口 通过以下六个引脚 可实现模块的所有功能 1 IRQ 为 0 时有效 用于中断输出方式 2 CE 在为 1 时有效 用于控制发射与接收 3 CSN 4 SCK 5 MOSI 6 MISO 所有的 SPI 指令均在当 CSN 由低到高开始跳变时执行 从 MOSI 写命令的 同时 MISO 实时返回 24L01 的状态值 SPI 指令由命令字节和数据字节两部 分组成 SPI 读写时序见图 4 6 在对寄存器进行写处理时 要先将芯片进入 待机状态或掉电状态 才可以操作成功 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 17 SPI 读时序 SPI 写时序 图 4 5 SPI 时序图 4 4 MC33690 本文中为了降低采样端功耗 采用了低频唤醒模式即 在主电路部分使用 MC33690 芯片制作的低频信号发射电路 来控制采样端 MCU 的运行 当汽车 停止时是采样端处于睡眠状态 当汽车启动时唤醒 下面仔细介绍 MC33690 芯片 14 4 4 1 特点 1 自同步采样保持解调器 2 可接收和发射调幅和调相波形 3 具有较高灵敏度 4 低阻抗 大电流天线驱动器 典型值 150mA 2 5 较宽输入电压范围 5 5V 40V 6 配合外加功放晶体管输出电流可达 150mA 7 输出电压为 5V 误差为正负 5 8 低功耗 待机状态下电流仅为 150uA 9 遵循 ISO9141 发射和接收标准 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 18 4 4 2 引脚图 图 4 6 MC33690 引脚图 4 5 供电电源 供电电源我选用锂亚电池 因为它具有体积小 在正常温度下在 40 125 内可以有效工作 基于这些考虑我选择了 ABLE 艾博尔 公司 ER2450 其性能指标如下 1 空载电压 3 66V 2 负载电压 3 45V 3 容量 0 5Ah 4 工作温度 40 125 5 保存时间 10 年以上 6 焊脚纽扣型 外壳加厚 可以焊接在 PCB 上 从而使安装更牢固 防震 性能更好 4 6 天线 天线是影响射频输出功率的一项重要因素 影响其效果的因素有 天线形 状 材料 传输介质等 另外 因为发射器位于车毂内且车轮都为金属结构 电磁屏蔽严重 所以在设计时需要考虑金属屏蔽 车轮的不断旋转 阻抗匹 配等因素的影响 目前大多数汽车选择用气门嘴作为天线 这种方案具有体 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 19 积小 加工方便 成本低 易于标准化等优点 而低频天线处于驾驶室所以 可以使用专门的 125KHZ 的天线 18 4 7 液晶屏 本次采用的是 LCD1602 下面简略介绍下它的性能 LCD1602 主要技术参数如表 4 11 所示 16 表 4 11 主要技术参数表 可显示容量 16 2 个字符 芯片工作合适电压 4 5 5 5 V 工作合适电流 2 0mA 5 0 V 模块最佳状态下电压 5 0V 字符尺寸大小 2 95 4 35 mm 4 8 结论 综上所述本文采用以英飞凌公司的 SP12 为压力传感器 从机使用 PIC16F627A 单片机 并采用 NRF24L01 为射频发射接收器 主机采用的是 PIC16F877 单片机为核心 并使用 LCD1602 显示具体数值 另外使用三种颜 色的 LED 发光二极管显示目前状态 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 20 5 系统关键问题的解决 5 1 功耗问题 由于传感部分深埋在轮胎内更换极不方便 因此降低功耗延长工作时间 成为一个重要问题 所以在汽车停止运行或者操纵台未开启时 轮胎内采样 端系统应该处于睡眠待机状态 目前实现忙时唤醒 闲时待机方案主要有 1 加速度唤醒 这种方法是在检测电路中加入一个可以检测加速度的传感器当汽车启动 到一定加速度时出现唤醒信号 是系统启动 好处是减少了主电路部分的结 构 降低了成本 但坏处是不能做到完全可控 即当汽车刚启动时无法获知胎压信息 进 而无法立即作出判断和动作 2 低频唤醒方式 这种方式是在车胎内的采样端主机复位端配合低频信号接收装置 在主 电路上安装低频信号发射装置 当操控台启动时会向接收端发射 125KHZ 的低 频信号 随后采样端低频信号接收到信号并使其复位开始工作 这种方法好 处是可以实时可控在汽车未启动时得知气压而采取措施 而缺点则是需要安 装更多的器件增加了成本 电路也更加复杂 本文中采用的是第二种方案 5 2 轮胎定位问题 TPMS 中另一个重要问题就是定位问题 在数据传回主电路后需要说明的 是四个轮胎中的哪个 否则司机无法对应的采取措施 想要解决这个问题我们首先要了解 NRF24L01 的通道频率 所谓的 RF 通 道频率指的就是 nRF24L01 使用的中心频率 该频率范围是从 2 400GHz 到 2 525GHz 以 1MHz 区分一个频点 所以有 125 个频点可使用 中心频率是主要由参数 RF CH 确定 公式为 F0 2400 RF CH MHz 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 21 同样的当 NRF24L01 作为接收电路时其接收频率必须与发射频率保持一致 才能接收到相应的信息 所以我们可以在将采样端埋入轮胎之前将四个轮胎 的中心频率设置为四个不同的频率 而主电路在接收的时候采取巡回检测方 法 这样既可以保证每个轮胎都被检测到 又能保证成功定位 5 3 NRF24L01 跳频接收 上面我们提到为了解决定位问题我们设置了不同频率发射和接收的调频技 术 目前因为 ISM 2 4GHZ 频率范围内的没有使用限制 所以我们可以轻易在 其中选择四个不同的频率 为了方便统一管理我们可以以频率划分不同信道范 围 但需要注意的是 ISM 频段对于功率是有着严格的限制的 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 22 6 硬件设计 6 1 传感器部分电路设计 WA KEUP 1 RESET 2 T EST GND 3 V ss 4 NC 5 DIGN G N 6 V ss 7 V ss 8 V DD 9 V pp 10 SDI 11 SCLK 12 SDO 13 NCS 14 A2 SP12 RA2 A N2 V ref 1 RA3 A N3 CMP1 2 RA4 T OCK I CMP2 3 RA5 M CLR V pp 4 V ss 5 RB0 INT 6 RB1 RX DT 7 RB2 T X CK 8 RB3 CCP1 9 RB4 PGM 10 RB5 11 RB6 T 1OSO T1CKI PGC 12 RB7 T 1OSCI PGD 13 V DD 14 RA6 O SC2 CLKOUT 15 RA7 O SC1 CLKIN 16 RA0 N A0 17 RA1 A N1 18 A1 PIC16F627A C2 15PF C1 15PF Y1 4MHZ V CC V CC CE CSN SCK MOSIIRQ MISO R4 10k L3 7 1m H C13 220PFD1 DIODE 图 6 1 检测部分电路 如图 6 1 所示 MCU 采用的是 20 引脚的 PIC16F627A 单片机 将 NCS 连到 RA2 SDO 引脚与 RA3 相连 而 RA4 是漏极开路管脚 RA5 是复位引脚所以与 低频信号接收电路相连 SP12 的 SCLK 引脚与 RA0 相连提供时钟信号 SDI 与 RA1 引脚相连 使用的是 4MHZ 的晶振配合两片 15PF 的瓷片电容 6 2 采样端 RF 发射部分电路设计 C3 22PF C4 22PF Y2 16MHZ R2 2M CE 1 CSN 2 SCK 3 MOSI 4 MISO 5 VSS 20 DVDD 19 VDD 18 VSS 17 IREF 16 ANT 2 13 V SS 14 V DD 15 ANT 1 12 V DD PA 11 XC1 10 XC2 9 VSS 8 VDD 7 IRQ 6 A3 NRF24L01 R1 22K 1 8V 3V 3V CE CSN SCK MOSI MISO IRQ 3V C6 33nF C7 10nF C8 1nF C9 1 5pFC10 1 0pF C11 2 2nF C12 4 7pF L1 10uH L2 10uH L3 10uH E1ANT ENNA 图 6 2 RF 发射电路 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 23 RF 发射电路如图 6 2 所示首先要指出的是 E1 天线在实际中是特殊的气 门芯 专门设计用来当做发射天线 其中使能端 CE 与单片机的 RB0 相连 CSN 引脚与 RB1 连接 SCK 与 RB2 MOSI 与 RB3 相连 IRQ 与 RB4 MISO 与 RB5 相连 其中 ANT1 和 ANT2 连接的是天线电路 XC1 和 XC2 连接的是外接晶振电 路 6 3 低频信号接收电路 图 6 3 LC 低频信号接收电路 低频信号接收电路如图 6 3 所示 为了节省空间和成本 本文中使用的 是简单的 LC 并联电路 而本文低频信号只需用来作为开关信号所以无需太过 精确所以采用这种方法非常合适 图中 LC 并联电路 当接收到 125KHZ 的信 号时会发生谐振从而使 MCLR 端口由低电平上升到高电平唤醒电路 其频率算 法为 f0 1 2L C 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 24 6 4 显示电路 5V Vss 1 Vcc 2 Vee 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 A 15 K 16 J1 LCD1602 5V5V R4 10K P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RX D P3 0 10 T X D P3 1 11 IN T0 P3 2 12 IN T1 P3 3 13 T 0 P3 4 14 T 1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 X T AL1 18 X T AL2 19 V ss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PREN 29 ALE PROG 30 EA V pp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 V cc 40 S1 8051 图 6 4 LCD 显示电路 显示电路如图 6 4 所示 本文中采用的是 LCD1602 液晶屏显示 其中 DB0 DB1 与 P0 0 P0 1 相连 Vee 管脚接上一个 10K 电位器 RS 与 P2 7 R W 与 P2 6 使能管脚 E 与 P2 5 相连 Vee 所接的是对比度调节调 整电位器 可以调节液晶屏亮度和文字之间的对比度 6 5 低频信号发射电路 V SUP 1 SOURCE 2 GAT E 3 T D1 4 V SS 5 V DD 6 T D2 7 MOD E1 8 MOD E2 9 RD 10 AGND 11 CEX T 12 DOUT 13 LV R 14 X T AL2 15 X T AL1 16 AM 17 K 18 RX 19 T X 20 D1 MC33690 Y3 8M R5 1M C14 8 2pF C15 8 2pF MOSI2 R6 510 V DD V DD C16 CAP CP 1 2 3 4 5 6 7 8 J6 LF125KHZ 天天 13 RES2 C17 33PF C18 1uF 图 6 5 MC33690 低频信号发射电路 图 6 5 中 MC33690 是飞思卡尔专门用于发射低频信号的芯片 TD1 和 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 25 TD2 管脚接的是专门的 125KHZ 天线再配合电容的和电阻 15 AM 与单片机 RC1 相连 为中断触发管脚 MODE2 管脚为低电平时芯片会进入睡眠状态 在此状态下芯片振荡器和辅助电路是不工作的 从而进一步降低功耗 当 MC33690 与 MCU 相连时如果没有 MOSFET 管则可以空出不连 6 6 主机电路 R3 4 7K S1 SW PB C1 CAPACIT OR POL C2 CAP C3 CAP Y1 CRYST AL 5V CE CSN SCK MOSI MISO IRQ MOSI2 CP S2 SW PB P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RX D P3 0 10 T X D P3 1 11 IN T0 P3 2 12 IN T1 P3 3 13 T 0 P3 4 14 T 1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 X T AL1 18 X T AL2 19 V ss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PREN 29 ALE PROG 30 EA V pp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 V cc 40 S1 8051 图 6 6 MCU 主机电路 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 26 7 软件设计及仿真结果 7 1 总体设计 图 7 1 总体设计流程图 在本文主程序中主要有五个子程序对应图 7 1 中的各个子程序 再开机时 先对器件进行初始化 然后发出低频唤醒信号是采样端启动并传回数据 在主 机接收到数据后会对数据进行处理以及显示和报警等操作 7 2 运行 LCD 显示子程序 开始 初始化 发出低频信号 接收压力信号 对数据进行比较大小 屏幕显示及报警 停止 结束 是 否 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 27 将 40H 中高位 BCD 码作为偏移量 将 41