车辆工程毕业设计67基于单片机的汽车轮胎胎压监测系统的设计与实现Word文件下载.docx

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HeilongjiangInstituteofTechnology

摘要

随着社会经济和科学技术的发展，公路交通已经成为关系国民经济命脉和社会、经济发展的重大系统，但随之而来的交通事故给人的生命安全和经济发展造成了重大损失。

爆胎是引起交通事故的主要原因，保持标准的车胎气压行驶是防止爆胎的关键，胎压检测系统（TPMS）是由此应运而生的一项汽车安全防范系统。

胎压检测系统主要用于汽车行驶过程中对汽车胎压与温度的实时检测，当出现异常状态时进行报警，从而保障驾乘者的行车安全。

本课题研究的目的是开发一种用于机动车辆上的无线胎压检测系统。

本文提出了一种基于无线技术的胎压检测系统方案，给出了系统总体结构框图，阐述了系统硬件电路和各模块软件的设计方法。

硬件设计综合运用了检测技术、单片机技术及无线通信技术，其中发射模块能实时检测、处理轮胎的压力和温度参数，并运用无线方式将处理后的数据传输到接收模块；

接收模块能校验数据并显示结果，用以告知驾驶员各个轮胎的情况。

软件设计包括发射模块和接收模块两部分，具体为发射模块和接收模块的初始化、数据测量及处理，发射及接收程序。

关键词：

胎压检测系统；

无线通信技术；

传感器；

射频收发；

C语言

ABSTRACT

Withthesocio．economicandscienceandtechnologydevelopment，roadtraffichasbecomethemajorsystemofthenationaleconomyandthesocial，economicdevelopment，however,trafficaccidentsfollowingresultedinsignificantlossesaboutthelivesandsafetyofpeopleandeconomicdevelopment．Punctureisthemaincauseoftrafficaccidents，keepdrivinginstandardstirepressureisthekeytopreventpuncture，Tirepressuredetectionsystem（TPMS）whichbomasacarsecuritysystem．Tirepressuremonitoringsystemismainlyusedforreal-timetirepressureandtemperaturemonitoringintheprocessofdrivingtoprotecttheoccupantsofthedrivingsafetywhentheabnormalstateofalarm．ThepurposeofthisresearchistodevelopawirelessRFtransmissiontirepressuremonitoringsystemwhichusedinmotorvehicle．

Thispaperproposedawirelesstechnologybasedonthefirepressuremonitoringsystemsprograms，gavetheoverallsystemdesignblockdiagramandexplainthesystemhardwarecircuitdesignandsoftwaredesignofthemodules．Hardwarecircuitmainlyusessensordetectiontechnology,single-chiptechnologyandwirelesscommunicationtechnology,transmittermodulecandetect，dealwiththetirepressureandtemperatureparametersreal—time，andtransmitteddataprocessedtothereceivermoduleusethewayofwireless．Receivermodulecailcalibrationdataanddisplaytheresulttoinformthedriverofthesituationofalltires．Softwaredesigncontainstransmittermoduleandreceivermodule，specificfortransmittermoduleandreceivermoduleinitialization，datameasurementandprocessing，sendandreceiveprocedures．

Keywords：

tirepressuremonitoringsystem，wirelesscommunicationtechnology

sensor,anti-jamming，RFtransceiver，Clanguage

第1章绪论

1.1选题的背景

本世纪初，由于凡世通（Firestone）轮胎的质量问题，造成了超过100人死亡和400人受伤，此事引起了业界和美国政府的高度关注，普利斯通、凡世通公司被迫收回650万只轮胎。

据美国汽车工程师学会最近的调查，美国每年有26万交通事故是由于轮胎压力低或渗漏造成的，此外，每年75％的轮胎故障是出于轮胎渗漏或充气不足引起的。

由于每年造成巨大的经济损失，美国政府要求汽车制造商加速发展胎压检测系统（TirePressureMonitoringSystem，简称TPMS），以减少轮胎事故的发生。

近年来汽车电子产品得到了飞速发展，并已经形成了独立的汽车电子产业。

汽车轮胎压力监视系统是一项集先进传感器技术、无线通讯技术、信息处理实时测控技术、嵌入式系统应用技术等于一体的高新技术汽车电子产品。

TPMS实时的对汽车轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气，低气压，气压过高及温度过高等轮胎状况进行预警，以保障汽车行驶安全。

目前TPMS主要有两种实现方式：

直接TPMS和间接TPMS。

间接TPMS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。

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。

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的压降只会使轮胎直径减小1mm。

这种压降不符合美国的最终判定规则所规定的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。

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，它们都会被检测出来，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7kPa的压降。

国外对于TPMS系统的研究起步较早，20世纪70年代末欧洲的一些发达国家就开始对轮胎气压监测系统进行研究。

英国Lucas公司早在1981年就推出了驾驶室设置接受器和每个车轮均有传感器的装置模型。

随后，C．RK公司和Marketing公司也相继开发出了自己的产品，基本结构是由传感器、信号发生器和接收器三部分组成，传感器安装在轮辋上，直接检测轮胎的内压。

德国Doduco公司研制的Primac系统，可以同时监测轮胎的压力和温度。

德国Wabeo公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS（制动防抱死系统）传感器监测轮胎压力的新装置。

wabCO系统由一个3／2通道的控制阀和一个与轮胎气门嘴相接的气缸组成，当轮胎气压变化时，气缸活塞使ABS传感器信号发生变化，与ABS共用一个电子控制单元。

Bosch公司的汽车轮胎压力监测系统由装在轮辋上的压力传感器、带有显示器的电子部件和高频收发机三部分组成，与ABS一起工作，已经开始成批量的装载汽车上。

英国S．P公司研制的DWS系统（漏气报警系统），可以把轮胎压力降低的信号通知驾驶员，系统利用ABS传感器测量轮胎的滚动半径，通过计算程序监测轮胎气压。

国外因立法较早，其开发生产的TPMS已经相当成熟，能够经受5．7万公里的使用测试。

主要生产商有加拿大斯马轮胎设备（SmarTireSystems）公司，固特异轮胎橡胶公司，米其林集团公司，诺基亚轮胎公司，日本横滨公司等。

现在国外的TPMS的研发重点在于开发无源的TPMS，如采用SAW这类无源器件的频率变化来监测轮胎压力的变化。

日本阿尔卑斯电气公司开发的不需电池的汽车轮胎气压监测系统最近通过有关试验验证，符合欧洲及美国的电磁波相关法律规定，今后将以行驶条件及轮胎种类等因素的影响为中心进行评测，计划在欧美、日本等地进行实地试验，2004年8月开始提供样品，2006年投入批量生产。

国内对于TPMS的研究起步较晚，只是近几年才开始进行研究。

最新的中华人民共和国国家标准“机动车运行安全技术条件”中的安全防护装置条款中规定：

“车长大于6m的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于12000kg的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置；

有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施”。

可见我国政府已经开始重视汽车轮胎气压监测设备的发展和应用。

现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的TPMS系统。

在上海和重庆及广东等地有几家公司开始投入生产并销售TPMS，典型产品如：

上海泰好电子科技有限公司的“泰好”牌TPMS--204型汽车轮胎压力监测器，重庆三信电子有限公司的TPMS．S1R4A轮胎压力监测显示系统，福州东球金口哨轮胎防爆有限公司的“金口哨汽车轮胎漏气报警哨”，上海保隆工贸有限公司的“迪吉泰”轮胎气压监测系统，佛山市安力信科技有限公司“泰杰”牌TPM系列轮胎气压监测系统等。

吉林大学、北京理工大学、郑州大学、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等高校都有学者对直接型TPMS相关技术进行理论研究，设计出了一系列方案，也有一些监测报警装置申报了专利。

但是，国内厂家生产的TPMS基本是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。

目前国内的TPMS系统问题不少：

安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装；

不能设定标准胎压，无法保障轮胎合理使用：

射频效率、编码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重；

能耗较高，不能达到TPMS系统应有的使用寿命要求；

成本高昂，检测范围小，产品通用性不高。

TPMS在中国的研究刚刚开始起步。

高校及科研院所方面，吉林大学孙宏伟对现有F费scale方案进行了研究，提出了针对Ftcaale传感器MPXY8020A的温度补偿算法；

合肥工业大学沈俊峰提出了以SPl2传感器，PICl6F683处理器，以及T5754射频发射器构成的轮胎压力检测方案；

燕山大学张启中通过分析轮速传感器脉冲数相对差值的影响因素和影响规律，提出了基于脉冲数互比法气压异常报警系纠”；

浙江大学，屯子科技大学，中国科学院上海微系统与信息技术研究所等也有学者对TPMS进行了类似的理论研列”。

1.2课题的目的及意义

目的：

随着世界经济的不断发展，基础投资的不断加大，以及公路设施的改善和高速公路里程的迅速增加，公路交通的平均车速有了很大提高。

但同时交通事故尤其是爆胎事故、追尾事故也相应增加，给人民的生命财产造成重大损失。

交通安全已成为国家和个人越来越关注的重点。

在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

在高速公路上行驶时一旦爆胎，驾驶员思想准备不充分极易造成车辆侧滑和不规则翻滚，轻则撞护栏，重则与其他行使车辆发生碰撞甚至车毁人亡，后果不堪设想。

据统计，轮胎爆胎的原因有：

（1）轮胎压力过高；

（2）轮胎漏气；

（3）轮胎温度异常升高；

（4）轮胎松动、掉胎。

而追尾事故的主要原因有：

（1）前方车辆爆胎失控；

（2）视线不好，看不清前方车辆的刹车信号；

（3）不能提前获知前方有事故车辆。

因此实时监测轮胎气压和温度的变化，保持汽车在标准的轮胎气压下行驶是防止爆胎的关键。

汽车轮胎压力监测系（TPMS）的主要作用就是在汽车行驶时，对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。

安装轮胎压力监测系统能有效地防止轮胎在非正常气压下长时间行驶，提高汽车的主动安全性。

意义：

保持正常的轮胎气压，不仅可以延长轮胎的使用寿命，减小滚动阻力，还可减少油耗，提高车辆的使用经济性，而且可以大大提高汽车的行驶安全性。

汽车轮胎压力监测系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒的主题，必将成为未来汽车必备的主动安全保障系统之一。

汽车电子技术的不断发展使汽车上安装了越来越多的传感器，这将促进TPMS的发展，使其技术更加成熟，性能更加稳定，并且它的模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方面发展。

1.3课题主要工作

课题的主要任务就是研究并设计一个无线胎压检测系统，实现胎压变化信息的实时采集和传送，以达到汽车司机能够在第一时间掌握汽车轮胎压力变化的要求，并做出相应的反应，从而避免事故的发生。

课题主要工作有以下几点：

（1）对系统的关键技术进行研究并提出整体设计框架。

（2）传感器、单片机及显示元件、报警元件的选取并连接电路。

（3）进行监测模块、显示模块、报警模块及其主模块的程序编写。

（4）将软件和硬件组装并测试。

第2章系统整体方案设计

基于汽车轮胎安全使用的要求，胎压检测系统综合运用传感器检测技术、单片机技术及无线通信技术来设计。

该系统能检测轮胎温度和压力波动情况，并对检测数据进行分析和实时处理。

2.1系统设计要求

本系统采用直接式胎压检测系统。

它以锂离子电池为电源，通过埋于轮胎罩的传感器来直接测量轮胎的压力和温度，并经无线调制发射到安装在驾驶台的接收模块上。

发射模块处于轮胎的封闭状态中，体积要小；

另外由于在轮胎中更换器件很不方便且系统必须长时间工作，故而要求功耗低。

工作中轮胎状态为当轮胎压力高于标准值（小型车为275kpa）1．2倍时，因轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎胎面的中部磨损增加。

通过试验证明：

，一般认为气压提高25%，轮胎寿命将会降低15%～20%；

气压降低25%，寿命大约降低30%。

一般轿车的轮胎正常气压值在210kPa左右，多座位商务车在240kPa左右为宜。

此外，汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大（一般不能超过80℃，当温度达到95℃时，轮胎的情况非常危险），每升高1℃，轮胎磨损就增加2%，行驶速度每增加一倍，轮胎行驶里程将降低50%。

因此，本系统告警值设定为胎压158KPa和262KPa，温度小于80℃。

2.2系统设计方案

根据系统功能及技术要求，系统方案的总体框图如图2.1所示：

图2.1系统方案的总体框图

系统由置入轮胎内的发射模块和安装汽车驾驶台上的接收模块组成。

发射模块每检测一次压力，都会判断此轮胎是否出现异常；

如果判断出现异常情况，则形成一帧数据并进行发射。

接收模块判断是否接收到完整的数据帧，如准确无误，则点亮和轮胎对应的LED指示灯。

2.2.2发射模块

发射模块包括传感器单元、微处理器和射频单元。

传感器单元定时采集轮胎内压力、温度数值。

微处理器（简称MCU）和射频单元集成在同一芯片内，微处理器读取来自传感器的数据，进行处理并通过射频单元发射出去。

发射模块的框图如图2．2所示。

图2.2发射模块框图

2.2.2接收模块

接收模块完成信号的接收、校验和处理，并通过LED指示灯显示报警。

接收模块的框图如图2．3所示。

图2.3接收模块框图

信号接收电路将由轮胎发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微处理器串行接口。

微处理器再进行译码，从数据流中提取各轮胎号、压力值以及温度值，然后做出相应的处理。

显示报警部分主要包括LED指示灯。

2.3元器件选择

无线胎压检测系统开发所需的元器件主要包含传感器、MCU、射频收发芯片、电池几个部分。

（１）传感器

本系统选用DS18B20温度传感器，DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

（２）单片机

本系统选用STC98C52系列，它是一种高性能的8位单片机系列，具有速度快、功能强、功耗低、价格低等特点并且自带看门狗复位，非法指令码检测复位和非法地址检测复位等系统保护特性。

发射模块的MCU选用STC89C51。

（３）射频收发芯片

接收和发射芯片的选择主要从芯片的接收灵敏度以及性价比两方面考虑。

本系统选用2RF24L01B射频收发芯片。

2.4关键技术研究

2.4.1频率选择

在众多的无线通讯频段中，由于ISM频段（工业，科学，医学频带）属于公共频段，使用者无需申请频段许可证，这给用户带来了很多的方便，因此当今大部分无线传输所使用的操作频率一般都选择处于ISM频段的频率。

而对采用无线技术的应用来讲，通常又采用属于ISM频段中的LPRD（LowPowerRadioDevice）频段作为操作频率，此频段有两个频率范围，分别为：

433．05MHz．434．790MHz和868MHz．870MHzi眩l。

在本系统中采用的工作频率设置为433．92MHz。

2.4.2信号编码方式

在本文设计的胎压检测系统中，数据以9600bps的速率发送，信源编码方式采用曼彻斯特编码。

曼彻斯特编码以数字信号来描述就是：

在每个比特周期，取值在周期中间点进行高低电平间的转换。

如图2.4所示，一个数字0被描述为周期前一半为低电平，后一半为高电平；

而数字1则是先高后低。

图2.4曼彻斯特编码示例

FSK又称频移键控，是指以信号频率在两个值之间的偏移来描述数字l和数字0信号。

在本系统中，数字l具有较低的频率，而数字0则具有较高的频率。

也就是说，如果载波频率是433．92MHz，总体频率偏移，数字1就是（433．92）MHz，而数字0是（433．92）MHz。

图2．5是FSK调制的曼彻斯特编码信号波形示意图。

图2.5FSK调制的曼彻斯特编码信号波形示意图

2.4.3轮胎定位技术

胎压检测系统中的轮胎定位是指系统接收各个轮胎发射模块发出的信号并进行识别，然后判定是哪个轮胎发出信号的过程。

各轮胎发射模块中的传感器把胎压的变化传递给MCU，由MCU处理并加上该模块的识别ID编码（用于区分各轮胎发射模块的编码，然后通过发射芯片进行调制并发射出去。

接收模块接收并进行解调，恢复原始数据，通过读取原始数据的ID编码，当接收到的信息中的轮胎内压力或温度出现异常时，MCU将发出报警信号，驾驶员根据对应轮胎的LED报警灯，便可及时地对该轮胎进行处理，确保汽车行驶安全。

2.5本章小结

本章对整个系统的大体框架进行了确定，包括本系统的使用数据，系统的工作流程，元器件的选择和关键技术的的研究。

这一章是整个系统的关键，是下面要进行工作的思路和方向。

第3章发射模块的设计

发射模块主要由传感器单元、发射单元组成。

传感器单元测得压力和温度，通过发射单元按照一定算法处理后发射出去。

发射模块的软件设计分为数据采集和数据处理发射两部分。

3.1传感器单元的硬件电路设计

3.1.1DS18B20工作方式

温度传感器的种类众多，DS18B20有着超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强的优点。

DS18B20工作原理及应用：

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

图3.1DS18B20

3.1.2ADC0809工作方式

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809的内部逻辑结构

由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）ADC0809引脚结构

ADC0809各脚功能如下：

D7-D0：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

图3.2