【《汽车轮胎压力监测系统的设计》11000字（论文）】

第。1.4.2论文结构的安排第一章：介绍胎压监测系统在国内外的发展历程，及当下的研究背景，分析研究胎压监测系统的意义，并对论文结构进行安排。第二章：介绍常见胎压监测系统的分类及其原理，分析各类胎压监测系统方案的优缺点，在此基础上提出自己的方案。第三章：列出在进行TPMS设计时所要遵守的相关要求，熟悉胎压监测系统运行时的工作环境，以此为基础分析得出自己的胎压监测系统的总体设计思路。第四章：选取本文胎压监测系统所需的硬件，展示其参数，并画好电路图。第五章：软件程序编写，针对硬件编写好与其配套的软件程序，使硬件之间形成良好的配合，令其具备流畅且精确的胎压监测能力。第六章：总结与展望，对本文的设计工作进行总结，并对胎压监测系统的未来趋势进行分析展望。2胎压监测系统的介绍和分类2.1胎压监测系统的介绍胎压监测系统是一种对汽车轮胎压力进行实时监控的交通安全系统，在汽车轮胎压力异常时，会通过显示模块和警报模块对驾驶员进行提醒，让驾驶员对其轮胎的压力进行调整，从而达到预防爆胎，降低油耗，提高轮胎使用寿命，提高驾驶安全性的目的。2.2胎压监测系统的分类目前比较常见的胎压监测系统可通过以下方式进行分类：按轮胎压力的监测方式可以分为直接式TPMS和间接式TPMS；按轮胎模块是否需要电池可以分为有源TPMS和无源式TPMS；按轮胎模块的安装位置可以分为内置式TPMS和外置式TPMS。2.2.1直接式和间接式TPMS（1）间接式TPMS间接式TPMS是通过利用车辆上的防抱死（ABS）系统来实现的，ABS系统采用了车轮轮速传感器去检测每个车轮的转速，当其中一个车轮的气压减少时，其滚动半径减小，传感器所检测到的车轮转速也就相应的加快，从而可以判断出哪个车轮气压出现异常。（2）直接式TPMS直接式TPMS是目前被认为性能更好的一类TPMS方案，该系统通过其安装在轮胎的传感器将汽车的轮胎压力信息进行监测并收集起来，然后通过无线传输手段将这些信息数据传送到位于驾驶室的接收模块，让单片机对这些信号进行读取分析，将这些数据以数字或者图形的形式出现在显示器上。（3）直接式和间接式TPMS的比较①间接式TPMS的优点：成本更低，只要车辆上安装有ABS系统，就可以额外增加TPMS的功能。②间接式TPMS的缺点：在同一根车轴上或同一侧的两个车轮皆处于压力异常情况下无法检测到；四个车轮都压力异常的情况下无法检测到；受速度影响大，超过100km/h以上的速度后精确度较差；不能测量温度；重新安装轮胎后，TPMS的标定较麻烦。③直接式TPMS的优点：可以在任意瞬时直接测量四个轮胎的温度；测量的精确度明显高于间接式TPMS，而且不受速度大小的影响。④直接式TPMS的缺点：直接式TPMS的轮胎模块质量较大，会破坏轮胎原有的动平衡，；成本较高。总体来说，直接式TPMS的优势会更加明显，因此本文选择的方案为直接式。2.2.2有源式和无源式TPMS（1)介绍有源式TPMS中的轮胎模块需要提供一个单独的电源为其供能，才能使传感器发挥作用。无源式TPMS中位于轮胎上的传感器模块则不需要电池来供电，通过利用磁场感应、射频耦合或自供电等技术进行信息传递，从而没有电池能量的限制，同样可以达到实时监测的目的。（2）有源式和无源式TPMS的比较目前，国内外关于有源式TPMS的技术研究已经比较成熟，当前市面上所采用的TPMS方案皆为有源式，但有源式胎压监测系统的缺点也很明显：a.轮胎模块为了尽可能的延长电池的使用时间，通常会采用间歇式的工作模式，不能达到持续监测的目的。b.质量较大，会影响轮胎的动平衡。c.轮胎行驶期间的高温会影响其性能。而无源式TPMS则无上述缺点，因此它也会成为未来TPMS研究的一个重要方向，但由于无源式需要同时将能源转换器集成到轮胎上，需要克服的技术难点较多，因而短期内很难看到此类产品。由于无源TPMS的技术尚未成熟，所以本文选择的方案为有源式。2.2.3内置式和外置式TPMS（1)介绍外置式TPMS的轮胎模块直接安装在轮胎现有的气门门芯上，内置式TPMS的轮胎模块则安装在轮胎内部，安装时需要拆卸轮胎。图2.1内置式胎压传感器的安装位置图2.2外置式胎压传感器的安装位置（2）内置式和外置式TPMS的比较内置式TPMS相对于外置式体积更大，质量更重，在安装后需要对轮胎做动平衡，外置式则不需要。在日常使用方面，内置式在轮胎需要充气时没有影响，而外置式在充气时则需要利用专用工具将轮胎上的传感器拆卸下来，才能对轮胎进行充气，而且频繁的拆卸会对轮胎模块的性能造成性能，增加其发生故障的概率。轮胎在被使用一段时间后会发生磨损，由于前后轮磨损不均，需要进行前后轮换位的处理以延长轮胎寿命，而在进行轮胎换位时，由于轮胎位置发生变化，安装在其上的TPMS模块也需要进行调整，。外置式在轮胎换位后，只需将传感器拆下，重新安装到对应轮胎上即可；内置式TPMS则需要重新对码的方式使接收器和传感器位置一致，操作相对繁琐。在性能方面，由于外置式TPMS的轮胎模块的体积和质量需要做的较小，因此他的发射装置性能较差，从市场评价来看，在时速超过110公里每小时时就会出现接收不到数据的情况。而内置式产品的发射装置性能远强于外置式，在高速情况下也能稳定接收数据。由于外置式TPMS有着信息传输能力差，且容易被盗等缺点，所以本文选择的方案为内置式。3胎压监测系统的要求和总体设计3.1TPMS的功能要求胎压监测系统的作用就是用来实时监测汽车轮胎的压力和温度，对轮胎的高压、低压和漏气发出及时报警，因此，对于一个合格的TPMS系统应具备以下功能：（1）能够实时监测轮胎的压力。（2）可以设定轮胎压力的标准值。（3）当某个轮胎的压力超出标准值范围时，能够在显示模块上指出相应的轮胎，并发出警告。（4）轮胎换位后，可以进行重新定位。（5）可在驾驶员需要时，手动读取轮胎的压力。3.2TPMS元器件的工作环境和选用要求3.2.1轮胎模块汽车在行驶时，轮胎模块所处的轮胎内的环境是十分复杂的，其温度变化范围较大，因此对于TPMS系统来说，其轮胎上的元件应该具备较宽的工作温度范围，一般为-40℃～125℃[14]。轮胎模块由于安装在轮胎内，只能通过内置的电池为其供电，而在实际使用过程中不可能去频繁的更换电池，所以为了获得更长的使用寿命，其上的元件必须具备低功耗的特性。轮胎在行驶时处于高速旋转状态，因此在数据传输方式上只能选择无线传输，且在汽车以较高速度行驶时，由于其传输环境比较恶劣，且汽车内其他电子产品的信号会造成干扰，容易发生信号中断的情况。所以对于TPMS发射模块的抗干扰能力有着较高的要求，会选用接收灵敏度较高的发射器。3.2.2主机模块车内的主机模块由于位于车厢内，其环境温度变化并不大，而且可以使用车载电源为其供电，无需过多考虑功耗的问题，因而元件的选择范围上较为宽松，要求并不高。3.3TPMS的技术要求为了使TPMS能够输出有效的监测数据，对于一般的胎压监测系统有着如下的具体技术要求：（1）压力测量范围：一般轿车的正常胎压约为210kPa。TPMS压力测量范围100kPa-450kPa，测量精度±10kPa。高压报警：≧280kPa；低压报警：≦180kPa[21]（2）温度测量范围：-40℃~+125℃，测量精度±3℃[21]。（3）轮胎压力温度监测模块可靠性强，发射功率足够大，抗干扰，抗机械冲击，灵敏度高[21]。（4）轮胎压力温度监测模块的体积不能太大，厚度小于1cm。重量一般小于40g，功耗低，正常情况下大于5年[21]。3.4胎压监测系统的硬件总体设计通过上述各类胎压监测方案的优缺点对比，以及了解TPMS设计时应该注意的相关要求，经过分析，确定本文胎压监测系统总体设计方案如下文所述。图3.1硬件系统总体设计框图由图3.1可以看到，本文所设计的胎压监测系统主要包括传感器和单片机模块，传感器由电池供电，对轮胎的压力变化进行数据收集，并将数据实时的传送给单片机进行分析处理，单片机直接控制显示模块和报警模块，将从传感器收集来的数据以数字的形式展示在显示设备上，同时单片机也会对压力数值大小进行判断，分析其是否超过规定的标准压力范围，在压力数值超过时，使用蜂鸣器发出声音以警告驾驶员。3.5胎压监测系统的软件总体设计系统软件的设计就是为了在硬件电路基础上实现系统的应用智能化，系统软件设计的质量直接关系到系统技术性能的好坏。在汽车轮胎爆胎预警系统的软件设计中，必须要考虑到系统应用的实际情况和具体技术性能要求，才能设计出符合现场要求的应用系统。软件系统的总体设计思路如下：图3.2软件系统总体设计框图从图3.2中可以知道，编写的程序首先要对相关硬件进行初始化，再通过循环函数使胎压监测系统能够持续的对轮胎压力进行数据采集，将采集到的信号数据进行计算得到轮胎实时的压力大小，并将其以数字形式展示在显示器上同时进行实时判断，在轮胎压力超过规定范围时立即发出警报。

4胎压监测系统的硬件设计根据以上总结的要实现的功能，可以知道本次设计所需要的硬件模块包括轮胎模块和主机模块两个部分，其中轮胎模块包括了传感器、单片机、发射模块，而主机模块包括了单片机，接收模块，显示模块和报警模块。所选取的相关模块的元器件的简单介绍和参数展示如下文所述。4.1轮胎模块的硬件设计4.1.1传感器本次设计所选取的胎压传感器为SP12，SP12是德国英飞凌公司推出的一种压电电阻式传感器，可以在100kPa-450kPa的范围内进行轮胎压力大小的监测，同时可以在-40℃到125℃之间监测轮胎的温度。它应用了加速度作为轮胎转动的指示，同时拥有一个数字串行通讯口,可以灵活的应用在单片机系统中以满足更加复杂的控制要求。SP12具备14脚的封装，十分精简，而且它在工作时不需要借助其他的外部元器件。本次设计所检测的汽车轮胎气压范围为180kPa-280kPa，所以SP12可以满足本次设计的需求。SP12传感器的电路图如图4.2所示。图4.2SP12的电路图在图4.2中，SP12各个引脚的功能说明如下表所示：表4.2SP12的引脚功能编号引脚功能1WAKEUP唤醒输出信号，用于唤醒单片机2RESET复位输出信号3TEST/GND测试时使用管脚/应用时接地接地4VSS一般接地5NC空引脚，便于封装6DIG_IN/GND数字输入/应用时接地接地7VSS一般接地8VSS一般接地9VDD电源10VPP编程电源11VDD电源12SCLK串行时钟输入信号，用于接收来自单片机的串行时钟13SDO串行数据输出信号，用于向单片机串行输出SP12的测量数据14NCS片选使能输入信号，NCS为低电平时，SP12被选中工作，为高电平时SP12不工作4.1.2无线发射模块 本次设计所采用的无线发射模块为NRF24L01，NRF24L01是有NORDIC公司生产的一款采用FSK调制的的无线通讯芯片，集成了该公司自己的EnhancedShortBurst协议，无线通信的速度可以达到2M（bps）。而且工程只需要为单片机预留5个通用I/O接口，1个中断输入引脚，就可以简单实现无线通信的功能。NRF24L01的电路图如图4.3所示。图4.3NF24L01的电路图在图4.3中，NRF24L01各个引脚的功能说明如下表所示：编号引脚功能1GND接地2CE芯片的模式控制线3SCK芯片控制的时钟线（SPI时钟）4MISO芯片控制数据线（Masterinputslaveoutput）5VCC供电6CSN芯片的片选线，低电平时有效7MOSI芯片控制数据线（Masteroutputslaveinput）8IRQ中断信号4.2主机模块的硬件设计4.2.1单片机本次设计所采用的单片机型号为AT89C51，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。该单片机的总体结构较为简单，体积质量比较小巧，开发方便，让程序及电路设计的复杂程度大大的降低。AT89C51的主要性能参数有：（1）4k字节Flash闪速存储器（2）128字节内部RAM，32个I／O口线（3）两个16位定时／计数器（4）一个5向量两级中断结构（5）一个全双工串行通信口图4.1单片机AT89C51的电路图在图4.1中，单片机AT89C51的各个引脚的功能说明如下表所示：表4.1AT89C51各引脚功能编号引脚功能1-8P1内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。9RST复位输入10-17P3内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。18XTAL2来自反向振荡器的输出19XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入20GND接地21-28P2内部上拉电阻的8位双向I/O口29PSEN外部程序存储器的选通信号30ALE/PROG对外部输出的脉冲或用于定时31EA/VPP当EA保持低电平时使用外部程序存储器,高电平时为内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。32-39P08位漏极开路型双向I／O口40VCC电源4.2.2显示模块本次设计所选取的胎压传感器为LCD1602液晶显示器，又称LM016L。该液晶显示器是一种被广泛使用的字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以让显示器实现字符移动，闪烁等功能。液晶显示相对于其他方案的显示器有许多优点，首先液晶显示器可以改变显示屏上的电极液晶分子状态来实现显示功能，因此液晶显示屏在重量上会比拥有相同显示面积的一般显示器要轻得多。而且液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。所以本次设计选择的显示模块采用液晶显示。图4.3LCD1602的电路图在图4.3中，LCD1602各个引脚的功能说明如下表所示：表4.1LCD1602各引脚功能编号引脚功能1VSS一般接地2VDD电源正极3VEE液晶显示偏压4RS数据/命令选择5RW读/写选择6E使能信号7-14D0-D7数据4.2.3报警模块在本方案中，报警模块包括了一个蜂鸣器、一个黄色预警灯、一个红色报警灯。所采用的蜂鸣器报警电路如图4.4所示。图4.4报警模块的电路图当单片机发现所接收到的轮胎压力数值大于或小于所规定的标准压力大小时，蜂鸣器就可以通过发出声音以达到警告的效果。添加了一个NPN型的三极管作为开关，以及一个510Ω的电阻作为限流电阻。三极管的基极与单片机的一个通用I/O口相连，由单片机控制三极管基极的电压状态，根据NPN型三极管的特征，此时，基极为高电平时，单路导通，蜂鸣器发出声音，为低电平时，电路为截止状态，蜂鸣器不发出声音。在本系统中，在轮胎压力超出规定的预警范围时，黄色LED灯会变亮，提醒驾驶员注意轮胎压力。在轮胎压力超出规定的报警范围后，蜂鸣器发出声音的同时，红色LED灯也会亮起用于警告驾驶员注意轮胎压力异常。

5胎压监测系统的程序编写5.1编程平台的选择本次设计所采用的编程语言为C语言，C语言是一种编译型的结构化程序设计语言，它具备简单的语法结构，便于学习，同时也功能强大，拥有编程效率较高，运行速度快，可读性强，移植性好等众多优点。C语言提供auto、static、flash等存储类型，根据单片机的程序存储空间、数据存储空间和EEPROM存储空间，自动合理分配变量空间。另外，C语言提供了复杂的数据类型，大大提高了程序的处理能力和灵活性。C编译器可以自动实现中断服务程序的字段保护和恢复，并为用户提供通用的标准函数库。而且C编译器可以自动生成这些硬件的初始化代码。由于C语言的这些优势，故本次设计所选择的程序语言为C语言。在本次设计过程中我所使用的程序编写平台为Keil.Keilc51是美国Keil软件公司生产的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了一个完整的开发方案，包括c编译器、宏汇编、链接器、库管理和强大的模拟调试器。Keil的优势：（1）KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。（2）与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。且由于本人在校期间曾学习过Keil软件的简单应用，因此本次设计选择Keil作为程序开发软件。图5.1Keil软件的界面展示5.2主机模块的程序主机模块负责接收数据，处理数据，以及将数据显示在LCD显示器上，并控制蜂鸣器在适当的时候发出声音警报。通过分析主机模块的工作流程，可以得到主机模块的程序流程图如图5.2所示。图5.2主机模块的程序流程图5.2.1显示模块的程序本次设计采用的显示模块为LCD1602，LCD1602的特殊接口说明如下：（1）RS：寄存器选择输入端RS=1：指向数据寄存器RS=0：指向指令寄存器（2）RW：读写控制输入端RW=0：写操作RW=1：读操作（3）E：使能信号输入端读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效；电路设计时，使LCD1602的RS，RW，E引脚分别与P1口的1、2、3位相连，LCD1602的8个数据口和单片机P0的八个引脚相连。通过sbit分别定义RS、RW、EN为P1口的1、2、3位。系统开始运行时，首先要通过对RS、RW、EN的控制和向P0写入命令对显示模块进行初始化设置，再将实时的压力数值显示在屏幕上。5.2.2报警模块的程序对于轮胎压力，根据实验数据表明，当汽车轮胎高于标准压力125%时，轮胎寿命就会减少15%；轮胎压力降低到标准压力的75%时，轮胎寿命就会减少30%；目前一般小轿车的标准压力的值为210kPa[22]。因次，本次方案所设置的压力报警范围为：在轮胎压力高于250kPa或轮胎压力低于200kPa时，预警黄色灯变亮，提醒驾驶员注意轮胎压力有轻微异常；在轮胎压力大于280kPa或轮胎压力低于180kPa时，红色报警灯变亮，并且蜂鸣器发出声音。对于温度，汽车轮胎温度的升高，会使轮胎的强度变低，从而使轮胎发生变形，轮胎温度达到95℃时，行驶的危险性就会大幅增加。汽车在高于正常温度80℃行驶时，每比标准温度高1℃，轮胎的磨损度就会提高2%[22]。因此本次方案所设置的温度报警范围为：在轮胎温度达到80℃时，预警黄色灯变亮，提醒驾驶员注意轮胎温度；在轮胎温度大于95℃时，红色报警灯变亮，并且蜂鸣器发出声音。电路设计时，蜂鸣器的开关与单片机的P1.5引脚相连，红色报警灯和单片机的P2.0和P2.1引脚相连，通过sbit分别控制以上引脚，从而控制蜂鸣器和灯光的启动和关闭，再通过判断压力大小的范围对蜂鸣器和灯光进行控制。5.3轮胎模块的程序轮胎模块负责测量压力温度数据，数据处理，发送数据，由于轮胎模块需要考虑其功耗问题，而轮胎模块功耗消耗最大的时候是在射频发送数据时，因此，为了减小功耗，就应该避免发射模块的无效工作。本次设计中，所采取的方案为仅在轮胎的压力温度数据出现异常时，或是采集了十次压力温度数据时，发射模块才启动，将压力数据发送出去，这样可以有效的减少由发射数据而产生的功耗。具体流程图如图5.4所示。图5.4轮胎模块的程序流程图

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