基于单片机的胎压监测设计.docx
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基于单片机的胎压监测设计
基于单片机的胎压监测设计
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SP12NRF24L01
Abstract
Withthedevelopmentofsciencetechnologyandeconomics,carhasbeenimportantvehiclethatpeoplecannotbeenwithout.However,theincreasementoftheamountofcarsleadstomoreandmoretrafficaccidentshappened.Inthese,thepressureoftyreiskeyfactor.
AccordingtoSAE（societyofautomotiveengineers）,about260,000accidentsiscausedbythelackofpressureoftyre.Andinchina,about70%accidentsarecausedbytyreburst.So,preventingtyrebursthasbeenanimportantissue.Asfar,TPMSisdividedintotwokinds—directlyandindirectly.Inthispaper,Iselectthefirstoneforitsconvenience.
Inaddition,compareofthreekindsofsensorsismade.Atlast,SP12ischosen.Asakindofsensorusedspeciallyincar,SP12hasagoodcharacter.Tolowerthepowerconsumption,Ichoosethemodeofawakeningbylowfrequency.MC33690isusedtotransferasignalwithalowfrequency.AndthissignalisreceivedbyaLCcircuit.Tosupportasteadypower,ER2450wasused,whichismadebyABLEcompany.Themostofinformationistransferredinthemodeofwireless.NRF24L01isusedtotransferpressure.Andwhichtyrecanbelocatedbecausethefrequencyoftransferringineverytyreisdifferent.Therangeofworkingisfrom100KPato400KPa.Theprecisionis1.4KPa.
Keywords:
tyrepressuremonitoringSP12NRF24L0
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（TyrePressureMonitoringSystem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（RemoteTyrePressureMonitoring）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2.4GHz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。
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。
2TPMS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。
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。
显示报警装置
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SurfaceAcouticWave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。
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
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：
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。
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
2.1
3.6
V
测量未进行时电压
1.8
5.5
V
压力输入
100
450
Kpa
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，8KFLASH,32字节，低功耗，参数寄存器。
图4-2MPXY8300引脚图
3.内部具有315/434MHZRF发射器，无需外加。
4.差分输入LF探测器/解码器
4.1.3GE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，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。
4.2MCU
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
4.3RF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2.4GHz～2.5GHzISM（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ShockBurst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
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
5
V
最大发射功率
0
dBm
最大数据传输率
2
Mbps
电流消耗（发射模式，0dBm）
11.3
mA
电流消耗（接收模式，2Mbps）
12.3
mA
电流消耗（掉电模式）
900
nA
温度范围
-40~+85
℃
4.3.3模块引脚说明
图4-3NRF24L01引脚图
具体引脚功能如表4-5所示：
表4-5NRF24L01引脚功能表
管脚
符号
功能
方向
1
GND
电源地
-
2
IRQ
中断输出
输出
3
MISO
SPI输出
输出
4
MOSI
SPI输入
输入
5
SCK
SPI时钟
输入
6
NC
-
-
7
NC
-
-
8
CSN
片选信号
输入
9
CE
工作状态选择
输入
10
+5V
电源
-
11
GND
电源地
-
12
IRQ
中断输出
输出
13
MISO
SPI输出
输出
14
MOSI
SPI输入
输入
15
SCK
SPI时钟
输入
16
NC
空
-
4.3.4模块与单片机接口电路
图4-4NRF24L01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。
4.3.5工作模
升级会员 