【《基于STC89C52系列单片机的轮胎压力监测系统设计》8100字（论文）】

基于STC89C52系列单片机的轮胎压力监测系统设计摘要轮胎气压异常将严重影响汽车的安全行驶，通常我们会尝试使用轮胎压力检测系统以保护司乘人员的安全。可以实现功能的轮胎压力监测模块由两块独立的电路板组成：应该放在车胎内的发射板和应该放在驾驶席上的接收板。本论文主要研究的是基于STC89C52系列单片机的胎压检测功能，包括单片机、传感器、射频收发器、液晶屏、蜂鸣器等部件构成。实现相隔一段距离可以观测密闭空间中的气压的功能，具有低功耗，低成本，高灵敏度的特点。关键词：压力；轮胎；监测；无线传输目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 第一章绪论1.1课题研究的背景及意义轮胎压力对汽车安全的重要性是众所周知的，轮胎的性能将直接影响汽车的驾驶，通行性，稳定性，安全性和乘坐舒适性。据统计，在众多交通事故的又因中，轮胎问题居第三位。当汽车胎压不足以支撑起转向时的侧向弯曲变形时，这易于在递送过程中对轮胎内壁造成过度损坏。同时由于车轮的刚性相对增加，遭遇颠簸时车内的加速度会更高，因此乘客的乘坐舒适性降低。同时过高的的胎压还会对转向机的回正力矩造成影响，致使驾驶员相比往常更难精准控制方向。高速行驶过程中遭遇硬物冲撞轮胎的特殊工况时，很容易爆胎。当胎压超过了出厂设定的安全值，必将致使轮胎的使用寿命减少。在另一方面，车轮的动载荷增加必然会导致轮胎与路面的压强这一局部数据的飙升，从而减少车辆的动摩擦力，在一般工况下更易打滑。由于接触面升高，摩擦力增大，车轮会急剧升温甚至出现内壁分离，使车轮失去应有的刚性和摩擦力，最终会导致爆胎或脱离轮毂，造成恶性事故。另外遇到统一水平线上的两个车轮气压不同，势必会打破车辆的动平衡，可能会造成行驶方向的随机性；如果后轮两轮气压不同，在差速器接入不足时会有一方的摩擦力更大而造成磨损不均，容易引发事故。当两个气压不同的轮胎安装同一垂直线上时，同样由于差速器的作用会导致气压高的那一侧轮胎过载，导致磨损不均，往往导致急刹车时车辆偏向司机意料外的方向。统计数据显示，当轮胎胎压低于出场设计标定值的0.03兆帕时，轮胎的安全使用预期寿命将减少23%；当轮胎压力高于校准值的12.5％时，其预期寿命将减少10％至15％;对于乘用汽车，每当轮胎的内部压力降低0.05MPa，负载能力将减少100牛顿[1]。根据德国联邦局的车辆事务有关报导，大约60％的轮胎泄漏是由轮胎压力引起的。因此，为了提高汽车行驶的安全性和轮胎的使用寿命；同时节约资源避免浪费。在行驶过程中，驾驶员应该时刻留心检测出的气压值，如果检测结果偏离预期值，应及时停车维修，在适当时期可以辅以动平衡矫正以确保不会过度磨损轮胎，在保证行驶安全的同时也减少了橡胶制品的浪费。达到环境保护的目的。美国汽车工业专业标准委员会的一项早期调查，过度膨胀不知情引起爆胎[2]。此外，每年35%的轮胎故障维修记录报告是胎面破损或轮胎缺气所导致的。因为每年因为相似的隐患酿成了众多交通事故而且导致巨大经济损失以及环境破坏，美国国会决定减少由于轮胎压力问题所引起的单方面事故。因此，在21世纪初，美国国会联合多家有关企业制定了《轮胎法案》。轮胎法的重要要求是，截止到2017年，在美国本土制造和销售的所有民用汽车都必须要可以自主测量胎压。2001年11月1日，美国总统比尔·克林顿(BillClinton)在多家企业的提案下签署文件，批准国会对修改《联邦交通法》(FederalTransportationLaw)的提案，要求2013年以后出场的所有乘用车都列为标准使用。作为对《轮胎法案》的回应，主管汽车安全性功能的美国国家公路交通安全管理局（NHTAS）规定，2017年在美国本土制造和销售的所有民用汽车都必须要可以自主测量胎压[4]。并确立了指导法规规范汽车制造商的实施时间表:2014年占8%，2015年占35%，2016年占65%，2017年占100%。美国每年公布的汽车销量约为1500万辆。全球每年约有5000万辆汽车，每辆车平均需要4.2个轮胎(不包括备胎)。在日益开放且越来越重视科技发展的中国，汽车行业也是所有资本都不可能忽视的一块蛋糕。随着中国经济的发展以及人均收入的提高，中国市场汽车的增量以及存量都在不停上升。据统计，中国人保有的汽车数量已经超过2620万辆，汽车年销量将超过600万辆。在过去的五年里，中国已经成为仅次于美国的世界第二大汽车销售国[5]。汽车安全的相关产品将会获得蓝海市场，未来新兴市场的销售额将以每年50%的速度增长。其中，TPMS技术产品的市场能力将达到20万台，其商品价值已经超过7亿元。2016年已达到50万台，交易金额达18亿元。根据根据国家统计局预测，在2013-2020年，汽车需求量增长大约是16％-20％；汽车年增长率为19.7%-21%。基于以上分析，预计2025年至2030年中国汽车保有量将增长17%以上。包括美国和欧洲的众多发达国家都对胎压检测系统立法，并在未来几年内强制要求执行。因此，在未来一段时间内，对TPMS的需求都会增加。一套兼顾了安全、可靠、简易、低成本的TPMS系统将会有广阔的市场前景。汽车轮胎压力检测的方法一般有两种，直接法和间接法。直接法是使用专用气压传感器检测轮胎压力。这种方法比较准确，但是成本高，需要很多钱安装传感器，而且因为传感器要放在轮胎的轮毂上，所以也存在安装不方便的问题。再次，介绍了本课题的备选:间接测量法。间接测量法是利用ABS防抱死系统和车轮速度传感器输出的速度信号，对信号进行处理和分析，确定车轮胎压是否异常。间接测量方法设计成本低，易于实现，不需要增加额外的硬件电路设备。间接有两种方式，一个是半径方法，另一个是光谱估计方法。本文将对直接法进行详细研究。一般来说，所设计的装置可以监测胎壁下内的轮胎压力，及时发现轮胎问题并发出告警信号，以达到保护的目的。1.2国外发展现状及存在的问题目前，TPMS主要是直接型。直接型的TPMS普遍都是采用两部分的设计：在车轮里面的温压传感器加上射频发射结构，在驾驶员中控台上的LCD显示器以及射频接收结构。一般家用汽车所安装的TPMS系统有4或5个发射模块(包括备用轮胎)。在车内的接收模块接收并分析射频信号，然后直观的表现每个轮胎现在的具体工况，以便驾驶员更快确认情况。一旦某一轮胎温压数据出现异常，经过接收模块处理分析后由显示器做出报警处理，并提醒驾驶员采取措施，必要时刻联动其他电控系统，强迫汽车做出减速、限速行为。对于车企而言，研究间接式TPMS势在必行，只需要对车辆原有的ABS防抱死系统进行升级就可以满足法规，不用增加其他的任何硬件[7]。目前中国许多互联网造车新势力已经开展了新型TPMS的研究，联合传统车企对新技术做可行性的研究。我相信国内的技术很快会领先于国际。人的生命是最宝贵的，在参考学习发达国家颁布的安全性法规后，中国已经开始在汽车上安装了TPMS而且已经颁布了强制安装TPMS的法律法规。如今，已有数百家造车品牌以及行业内的供应商根据国家规范开发、设计和生产TPMS。此外，一些发达国家也开始了智能轮胎的研究[8]。所谓的智能轮胎就是在轮胎制造装配的过程中，温压传感器以及射频发射装置一起做到轮胎内壁里面，甚至可以通过轮胎的形变做工来供电，这样的新型轮胎可以在整个生命周期内发挥作用；作为信号接收设备，当驾驶员关闭时，它使插入汽车很容易并在下车后带走。在射频识别技术方面，它基本上是一个智能轮胎。上海交通大学还开始基于声波技术开发轮胎压力监测系统。不同于以往放在车内的温压传感器，新型的声波传感器在测量轮胎的基础数据的同时，可以计算碳排放数据，这种有中国自主知识产权的的新技术也能为2035中国达成碳中和提供数据基础和改进方法。1.3本课题主要研究任务及内容在设计之初也要想好电源模块的使用，但这不是本次设计的重点。然后我们需要设计无线模块，最好是来自同一家公司的产品，避免出现兼容性问题，由于工作环境的特殊性，可以为了稳定而放弃一点性能。1.4本章小结本章确认了研究方向，并描述主要设计研究任务和内容。介绍了本主题的背景和意义。

第二章TPMS分类及总体方案设计2.1TPMS的分类现在市面上的TPMS形态各异，但是都能分为三种大类：第一种是基于轮速计算的间接型TPMS，其特点是与车辆的ABS系统整合设计在一起；另一种是直接TPMS检测装置，其特点是通过轮胎内部的温压传感器测量并无线发送到驾驶室内，往往可以通过后期加装以实现功能。第三种是混合式，其特点是有更多的传感器以及信号处理单元。1、间接式：其特点是与车辆的ABS系统整合设计在一起。优点：低成本，安装简单，安装后可以立即常规升级软件。缺点：进行测量的工况占比低，在停车和高速行驶时，气压数据会根据先前测量值估算。2直接式：其特点是通过轮胎内部的温压传感器测量并无线发送到驾驶室内，往往可以通过后期加装以实现功能。优点：精确度很高，瞬时压力值精确，对驾驶员的辅助效果更好。缺点：成本比较高，设计较复杂。3混合式：其特点是有更多的传感器以及信号处理单元。优点：比间接式精度高，比直接式成本低。缺点：不能瞬时测量胎压。在该设计方案中，选择了基于压力传感器的直接TPMS。2.2系统设计本次毕业设计参考了先前众多的成熟案例。综合考虑成本与性能问题，本设计采用直接型TPMS，通过无线传输链接两个独立的部分。发送方主要元器件有BMP180压力传感器、52单片机以及NRF24L01射频发送装置；接收方的主要元器件有NRF24L01射频接收器、52单片机、LCD显示器以及报警装置。组合和的方案图如下图2-1所示。图2-1整体方框图直接式TPMS的功能决定了它的特点，传感器全部位于车胎内部，因此可以在任何时候测量胎内压力。如果安装不规范不牢固的话就会导致出现脱离。这样不仅导致测量不出数据，还有可能在行驶过程中撞击轮胎而导致出现危险。所以安装部位的选择非常重要，不能直接接触轮胎，以防在颠簸路面的形变影响设备。现在主流的直接式TPMS会通过气门芯安装。TPMS安装如图2-2所示：图2-2直接式TPMS安装图2.3系统的需求分析直接式TPMS的工作环境位于极其狭小的轮胎内部，所以在进行设计与原材料选择时都要控制体积要尽可能小。另外汽车行驶时工况很复杂，在高速行驶时角速度会很大，所以安装固定时要综合考虑。再有TPMS分成了没有连接的两部分，接收与发送设备的可靠性也需要很高，车辆经过无线电信号复杂的区域时也要有足够的抗干扰能力。在低纬度地区以及夏天车辆行驶时，与高温路面快速摩擦的车辆温度会极高，因此对TPMS里面的传感器和单片机的耐高温性也提出了要求。所有的传感器以及相关器件都要封装在在相对复杂的车轮内部，一旦安装固定，取出将会极其不便[6]，这样的特性要求硬件设计必须要微功耗。车辆在低纬度地区国家以及中国大部的夏季行驶时，没有主动散热手段的车胎在高温路面的摩擦下温度也会急剧升高，因此对TPMS里面的传感器和单片机的耐高温性也必须要好。驾驶员在驾驶区域能够接触到的就只有LCD模块，所以LCD的显示效果以及内容的易读性的要求也很高，驾驶室内不用考虑功耗限制，所以LCD显示器必须要有足够好的性能。2.4技术分析1.必须可以实时监控和显示每个轮胎的压力；2.当测得的胎压数据在厂家推荐的安全范围以外时发出报警信号警示驾驶员；3.气压的骤然降低可能是由于撞击尖锐物体爆胎所致，这样的情况很少见但是很危险，必须及时提醒；4.在信号弱的情况下，能够收到信息。轮胎的压力降低也有可能时长时间缺少保养而导致缓慢的泄气，轮胎内部的气体总量下降。在宏观上，汽车与地面的接触面积会变多，增大摩擦力。甚至在一些转弯的工况下，车轮侧面没有花纹的光滑区域有可能直接摩擦路面，将会造成严重的交通事故。检测模块的功能是收集轮胎内部的压力信息，通过数字信号的形式传递给52单片机处理，最终通过射频发射模块发送出去。2.5本章小结本章确定了相比起间接式，直接式TPMS更契合我们毕业设计的目标。经过近一个月的时间在图书馆查阅到的相关资料，对实现的设计方案以及完成论文的大方向有了具体的理解。我搞懂了TPMS具体是如何起作用的，也明白了怎样进行整体分析。TPMS正在逐渐被重视起来，已有的技术相对成熟，而且发展前景良好。本章说明了整个系统的运作模式，接下来是硬件部分的选择。

第三章硬件设计3.1MCU（单片机）STC89C52结合前两章的研究，放入轮胎内部的单片机必须要满足低功耗、体积小、稳定性高的特点。另外可能需要考虑断电模式。52系列单片机单从原理上来看是一个集成电路芯片，由CPU、存储器、程序寄存器、I/O接口、数字信号处理器、解调调制器等组成。随着技术的进步，一些公司在52单片机上能够实现网络、录像等的高度集成化。STC89C52系列单片机主打的卖点是低功耗和高稳定性。最大储容量为8kb，这是支持用户更改的闪存大小。80C51在工业上应用广泛。由于STC89C52具有8位的CPU和闪存空间给与用户自定义。结合企业官方网站说明书图3-1，STC89C52单片机具体结构框图如下所示：图3-1STC89C52结构在互联网上的资料3.2传感器电子产品发展遵循摩尔定律的表现，其特点是集成度越来越高，实现的功能也越来越完善体积与价格却在降低。低成本和高可靠性是本设计的关键，虽然进口的传感器质量更好，但是我们选择国产的BWP108作为选择。该传感器的系统硬件尺寸图3-2所示：图3-2GY68-BMP180尺寸图本次毕业设计选的GY68-BMP180系列压力传感器。GY68-BMP180传感器如图3-3，在仿真软件的形象如下所示：图3-3GY68-BMP180在仿真软件中的形象GY68-BMP180的基本原理图3-4，如下图所示：图3-4GY68-BMP180基本原理图3.3RF无线传输电子产品发展遵循摩尔定律的表现，其特点是集成度越来越高，实现的功能也越来越完善体积与价格却在降低。低成本和高可靠性是本设计的关键，虽然进口的传感器质量更好，但是我们选择国产的NRF24L01作为硬件。在互联网上，NRF24L一般参考参数表3-1如下表所详示：表3-1NRF24L01系列硬件参数表NRF24L01在互联网上的引脚及其具体的引脚功能表3-2，如下表详示：表3-2NRF24L01在互联网上的硬件引脚功能表无线射频技术从上个世纪起就在不断进步，许多应用已经造福了我们很久。例如家用门禁系统以及遥控设备都广泛应用这一技术。在前两章的讨论后。可以很容易的购买一组作为收发器件。NRF24L系列无线收发器图3-5，原理图如下图所示：图3-5NRF24l仿真原理图3.4LCD液晶显示屏LCD1602LCD在我们的生活中非常常见，工业设计的佼佼者LCD1602具有明显优势。相比起更符合我们直觉的点阵型LCD，LCD1602可以显示汉字。这样的特性帮助他更能在中国市场推广，而且价格更为低廉。在仿真软件中LCD1602与52单片机应该以图3-6的形式连接：图3-6LCD与单片机在软件中的标准连接图因此必须先确认D7的电平状态才能正常使用LCD1602。而对于LCD1602液晶显示器，它的命令字符形式与常见的并不相同。所以在控制、读取、写入等工况时[13]，控制线的状态也会不一样。3.5三极管与三极管的结构和功能相似，三级的封装也有多种方式。其造型有方形、圆形等多种样式，封装也有金属封装和塑料封装等。综合考虑可行性和易用性，选择最合理的三极管，在降低成本的同时还可以提高空间利用率[14]。3.7本章小结本节主要说明了硬件选型，也就是使用什么来组成该系统。胎压检测分为没有实体连接的两个部分。收端采用相同的NRF24L01射频工具、NRF24L01处理信息最后通过LCD1602做出结果展示。发端相反。第四章软件设计4.1软件4.1.1KEILuvison4KEILuvison4是针对单片机等硬件语言的编译软件，对于非专业人士也能够上手。其本身是基于windows系统的开发软件，是在校学生接触硬件语言时最为常见的编译器，由于学习周期短，功能全面，定制化功能多，很容易实现使用者的目标。4.1.2Protel系列仿真软件Protel99SE这一版本的Protel工具软件类似于画图软件的使用方式，与matlab下的simulink工具类似。简单而直观，只需要把用到的元器件连接起来就可进行仿真。Protel99SE系列软件在我的仿真过程中操作界面如图4-1所示：图4-1Protel系列仿真软件用户使用时界面图4.2毕设的总体软件设计本论文主要研究的是基于STC89C52系列单片机的胎压检测功能，包括单片机、传感器、射频收发器、液晶屏、蜂鸣器等部件构成。实现相隔一段距离可以观测密闭空间中的气压的功能，具有低功耗，低成本，高灵敏度的特点。根据前几章的描述，决定通过如下流程将设计内容实现，软件仿真的总流程图如下图4-2所示：图4-2准备仿真的总流程图4.3单片机控制接口单片机设计时会用到串行外设接口的时序图。读写时序如下图4-3、4-4所示。图4-3串行外设接口读时序图4-4串行外设接口写时序4.3.1设计LCD1602显示器部分此次仿真的LCD模块可以实现读表、运行等功能，如图4-5。流程图如下：图4-5LCD实现显示流程图4.3.2发射系统子模块程序设计购入硬件时基本确认实现方法。一个是轮胎里面的胎压检测模块包括传感器、射频发射等装置；另一部分就在驾驶室中，包括射频接收和LCD显示的设计。在接入电源后。经过二次处理过后的数据送到LCD显示器上。要实现信息发射功能其设计的流程图4-6如下图所示：图4-6本系统实现发射功能的流程4.3.3接收系统子模块程序设计将收到的机器码转变成人类易懂的字母数字信息，以便驾驶员知晓压力值。要实现对一直频率的信号进行接收，其实现的流程图4-7如下所示：图4-7本系统实现接收的流程4.4软件仿真确定设计可靠性本设计在软件中衔接功能模块后仿真图4-8如下所示：图4-8基础连接仿真图在写入程序后，可以设置压力的上下限，在超出时报警。完成程序写入后的最终仿真图4-9如下所示：图4-9完成设计的最终仿真图4.5本章小结结合上一章的硬件选型，本章节进行了软件的模拟仿真。在确定流程的情况下，将传感器、单片机、LCD显示器等连接运行。软件上的程序设计其实是硬件的先行测试，需要提前完成以便于指导后续的硬件制造和组合。第五章系统调试5.1设计的实物图完成TPMS的实物其实花费了很大的精力，图中的上半部分是接收板，下半部分是发射板。系统实物图5-1如下：图5-1系统实物图5.2调试在完成组装后要进行测试，首先对发射板上电并放入密封袋中，此时通过接收板上的LCD屏幕读取现在的气压值，然后将发射板和电源密封。调节接收板上的按键使设定值区间略高于现在的气压，此时接收板应该出现蜂鸣报警。然后用手挤压密封袋，在超过设定的最低限度后蜂鸣器应该停止报警；此时继续用力挤压，当现实的气压值高于设定的最高气压时蜂鸣器将会再次报警。这样就说明完成了基础目标。5.3本章小结本章节介绍了硬件的连接与组装，经实验确认其可以读取气压并在出现异常情况时及时报警，基本完成了设计目标。第六章总结本课题是轮胎压力检测系统设计，实际上看是有两个大小不一的发射板和接收板组成。与我所学专业通信工程关系最密切的是无线发送和无线接收模块。本次毕业设计参