本科毕业设计基于sp37汽车胎压监测传感器研究.docx
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本科毕业设计基于sp37汽车胎压监测传感器研究
河北工业大学
毕业论文
作者：
朱铭健学号：
113009
学院：
控制科学与工程学院
系（专业）：
自动化
题目：
基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现
指导者：
梁涛教授
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2015年6月2日
毕业设计（论文）中文摘要
题目基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现
摘要：
随着汽车作为一种重要的交通工具在我国不断普及，道路安全问题也受到了人们的广泛关注。
据统计，每年有相当部分的交通事故是由汽车胎压异常引起的。
所以，如何有效地监测胎压异常并对驾驶者及时地警报成为了重要的研究课题。
汽车胎压传感器作为汽车轮胎压力检测系统的重要组成部分，其性能会直接影响到整个系统的总体性能并进一步影响到驾驶者的安全。
本文首先介绍了胎压监测系统课题研究的相关背景和意义，然后介绍了SP37芯片以及开发SP37使用的编译软件，烧录器和烧录软件，接着介绍了传感器的外围电路和软件设计以及通信协议，最后提供了开发测试过程和结果以及传感器的精度和使用年限。
关键词：
SP37胎压监测胎压传感器TPMS
毕业设计（论文）外文摘要
TitleTheResearchBasedonTirePressureMonitoringSensorSP37
Abstract
Withthepopularizationofcarasanimportanttransporttool,theissueofsafetyintheroadhasattractedfarandwideattention.Accordingtostatistics,therearemanytrafficaccidentseveryyear,whicharecausedbyabnormalchangeoftirepressureofcars.Thus,howtomonitortheabnormalchangeoftirepressureefficientlyandalertthedrivertimelyhasbecomeanvitalresearchsubject.Asanimportantportionoftirepressuremonitoringsystem,thetiremonitoringsensor’sperformancehasinfluenceontheperformanceofthewholesystemandaffectthesafetyofdriverfurther.
Thispaperintroducethebackgroundoftiremonitoringsensoranditsresearchingsignificanceatfirst.Then,thepaperintroducethechipSP37,theprogrammingsoftware,theprogrammerandtheburnersoftware.Next,thesoftwaredesignandtheperipheralcircuitdesignofsensorandthecommunicatingprotocolareintroduced.Finally,theresultandprocedureofthedevelopmentforthesensorandtheprecisionandservicelifeofitarementioned.
Keywords：
SP37TirepressuremonitorTirepressuremonitorsensor
TPMS
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1课题研究背景……………………………………………………………………1
1.2国内外轮胎压力检测系统发展现状…………………………………………1
1.2.1国外轮胎压力检测系统发展现状………………………………………………2
1.2.2国内轮胎压力检测系统发展现状……………………………………………2
1.3课题研究意义…………………………………………………………………2
1.4课题主要实施内容，总体方案…………………………………………………2
2相关理论与系统介绍………………………………………………………………3
2.1汽车轮胎压力检测系统概述…………………………………………………3
2.2SP37芯片介绍……………………………………………………………………4
2.3相关软硬件工具介绍……………………………………………………………6
2.3.1开发软件…………………………………………………………………………6
2.3.2烧录器…………………………………………………………………………7
3SP37传感器外围电路设计…………………………………………………8
3.1硬件系统功能概况………………………………………………………………8
3.2硬件系统目标……………………………………………………………………9
3.3硬件系统总体分析………………………………………………………………9
3.3.1低频接收电路…………………………………………………………………12
3.3.2高频发射电路…………………………………………………………………12
3.3.3系统工作电路…………………………………………………………………13
4软件设计……………………………………………………………………………14
4.1软件需求…………………………………………………………………………14
4.1.1LF低频唤醒……………………………………………………………………14
4.1.2定时器唤醒……………………………………………………………………16
4.1.3初次上电或系统复位…………………………………………………………16
4.2程序流程图…………………………………………………………………17
4.3相关配置…………………………………………………………………………17
5开发过程及测试结果………………………………………………………………18
5.1开发过程…………………………………………………………………………18
5.2测试………………………………………………………………………………18
5.3检测精度及使用年限……………………………………………………………20
结论……………………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………………24
致谢………………………………………………………………………………25
附录A部分程序……………………………………………………………………26
1绪论
轮胎压力监测系统（TirePressureMonitoringSystem，TPMS），是一种利用安装在汽车轮胎内的胎压监测传感器采集汽车轮胎压力、温度、加速度等数据，并将数据利用无线传输技术传送到驾驶室内的显示终端中，实时地显示以上相关数据，并在轮胎出现异常时对驾驶者进行预警的汽车主动安全系统。
利用TPMS系统即可实现轮胎压力的有效监控，预防因汽车轮胎压力变化引起的事故的发生。
1．1课题研究背景
随着社会生产力的不断提高，汽车正走入千家万户，由此引发的交通安全问题正不断引起人们的关注。
与此同时，汽车电子正在蓬勃发展，很多在其他领域取得巨大成就的技术正被不断地移植到这个领域里，令其成为整个电子领域里的一个重要研究方向。
由此可见，使用相关电子技术解决汽车安全问题将会成为未来汽车和电子行业研究的一个热门方向。
轮胎作为支撑汽车及其载重的重要部件，其性能优劣直接影响汽车的稳定性和安全性。
当轮胎气压出现问题时，会给道路安全带来很大的隐患，甚至直接威胁驾驶者的财产和人身安全。
统计表明：
交通事故发生的主要原因是汽车在高速时发生爆胎事故。
另据统计，在中国，轮胎故障造成了46%的高速事故，其中爆胎就占了事故总量的70%[1]。
怎样有效对爆胎进行预警，已成为全球关注的重要问题。
1．2国内外轮胎压力检测系统发展现状
如何对汽车胎压进行检测并对压力异常变化进行有效预警是一个全球性的问题，在TPMS发展过程中，部分西方国家处于汽车电子发展前列，他们的技术更为成熟，稳定。
而对于我国而言，胎压检测系统的出现迟延许多年，因此在各个方面均处于高速发展阶段。
随着科技的进步，我国的TPMS系统日趋成熟，同时不断改进技术，为汽车安全系数的提高做着努力。
1.2.1国外轮胎压力检测系统发展现状
TPMS首先是在美国提出，并制订了相关标准和法规推广其应用。
其他国家也相继推出了自己的标准，欧盟于2012年，韩国和日本于2013年推出了TPMS相关的标准。
由于国外推行TPMS系统较早，所以研发生产的TPMS系统也比较成熟，其主要的汽车零配件生产商如米其林集团也对TPMS系统进行了深入的研究和大量的生产[2]。
1.2.2国内轮胎压力检测系统发展现状
我国TPMS相关的内容最早在国家标准里面涉及到是在2003年11月24日发行的中华人民共和国的国家标准《机动车运行安全技术条件》（征求意见稿）。
这标志着我国也由此开始重视TPMS系统[2]。
目前我国汽车用户还没有完全意识到TPMS安装的必要性，国家也未出台相应的法规强制安装TPMS。
但就长远来看，随着人们对该系统的不断了解，以及国家法律法规的日益完善，相信不久的将来就会颁布强制性安装TPMS系统的规定。
对于重型卡车，规定强制安装汽车胎压监测系统是尤为重要且势在必行的。
目前国内研发的汽车胎压监测系统都是基于英飞凌或者飞思卡尔的相关芯片来设计研发的。
为了拥有自己的知识产权，国内的一些研究机构和公司也开始参与研究生产TPMS系统，例如中山市铁将军汽车电子有限公司、深圳市棋港电子有限公司、上海泰好电子科技有限公司和佛山市朗杰电子科技有限公司等[2]。
1．3课题研究意义
随着我国汽车消费者安全意识的不断提高以及对TPMS系统了解的不断加深，不难预见到未来我国每一部汽车上面都会配备TPMS系统，而目前国外厂商长期霸占我国TPMS市场，为了让我国在未来的汽车电子领域占据一席之地，对TPMS进行研究已经刻不容缓。
在汽车胎压监测系统中最重要的部件就是传感器。
传感器肩负着检测温度，压力，加速度和电池电量的作用，同时，还具有高频发送和低频接收的功能，传感器的相关研究直接决定了TPMS能否长期有效稳定运行。
因此，对TPMS系统中的传感器进行研究显得尤为重要。
1．4课题主要实施内容，总体方案
本课题主要以英飞凌公司生产的SP37芯片为核心，设计汽车胎压监测传感器，构建外围电路以配合SP37芯片工作，并对芯片进行编程，使芯片监测到的参数能够传送给学习机或胎压显示器。
SP37芯片内部集成了运动检测，压力检测，温度检测，电压监测，处理器，低频和高频模块。
运动检测模块主要负责加速度的监测，据此计算出汽车速度。
压力检测用于测量汽车胎内压力，温度检测用于测量汽车胎内温度，电压检测可以检测供电电池电压，低频部分要接收125KHZ低频数据，高频部分发送433.92MHZ高频数据，处理器按照编程指示的算法协调各部分工作[3]。
经过仔细规划，本次传感器设计的总体实施计划如下：
1.了解SP37芯片的使用方式，详细阅读英飞凌公司相关产品说明。
2.了解SP37烧写器使用方法。
3.设计制作SP37电路板，搭建SP37工作环境。
4、在深入了解TPMS的相关通讯协议后，对SP37芯片进行编程，并利用烧写器把程序烧写进芯片，然后进行调试
5、对该系统做简单总结,指出系统的创新点,同时指出系统存在的不足,针对第一版系统的不足进行相应的改良，提交第二版硬件电路并对相关程序进行优化。
2相关理论与系统介绍
本课题的研究在理论方面首先要理解SP37汽车胎压监测传感器在整个TPMS系统中的作用，并协调好与系统其他部分的关系，制定好通信协议，其次要了解低频接收高频发送相关通信原理以及软件流程，最后要掌握使用KEIL软件进行C语言编程和SP37芯片开发及运行的相关配置。
2.1汽车轮胎压力检测系统概述
汽车胎压检测系统主要分为三大部分：
胎压传感器，学习机，显示终端。
三者的关系如图2.1。
图2.1胎压检测系统低频学习示意图
该图描述了学习机学习传感器发送的ID号后传送给显示器的过程，该过程由厂商或者汽车4S店的工作人员完成。
低频学习设备和显示器详细对码过程如图2.2
轮胎充气
轮毂装胎
轮毂安装发射器
将读码工具连接汽车诊断口，将ID传输到接收机，或者无线传输
连接插件保证供电正常
车轮装车，连接汽车电瓶
对码工具依次触发每个传感器，并读取ID
车身内安装接收机
图2.2手工对码流程图
对于用户正常使用而言，SP37胎压传感器会在汽车启动以后定时发射高频数据给显示终端。
2.2SP37芯片介绍
SP37是一个应用于TPMS的气压测量传感器，其带有微控制器和集成的外围设备。
它提供了应用于汽车胎压检测系统的单包装解决方案，只需很少的外围元件即可正常工作。
SP37以压力传感器，z轴加速度传感器，温度和电池电压传感器，基于8051的微控制器，低功率消耗的先进的系统控制器，高频发射器，低频接收器为特点。
SP37主要性能为：
供电电压为1.9V~3.6V；运行温度为-40~+125℃；低电流；传感器测量范围可选为450kpa，900kpa，1300kpa；具有z轴加速度传感器；温度传感器；高温关闭模式以在高温下保护器件；电池电压传感器；集成RF发送器频率可为315/434MHZ；可选输出功率为5dBm或8dBm（转成50Ohm负载）；可调RF发送曼彻斯特编码数据速率高达10kbit/s，可选ASK/FSK调制；FSK频偏可达50khz；片上晶振调节；高输入灵敏度LF接收；LF接收数据速率为3.9kbit/s。
8051指令集兼容微控制器；6kByteFLASH内存;16kByteROM;256BytesRAM;可用内部定时器，LF接收器或者通过GPIO口连接的外部唤醒源唤醒；
编程/调试接口；硬件曼彻斯特/双相编码高频发送；16位硬件CRC发生器；8位随机数发生器；看门狗定时器；3个双向GPIO口。
可以通过软件控制去测量压力，加速度，温度和电池电压，得到的数据经过调整后用以高频发射。
SP37拥有智能唤醒机制可以减少电能消耗。
中断定时器可以控制测量和发射的时间。
经过编程，可以通过定期中断唤醒或者低频信号唤醒，而且低频唤醒还可以进一步使能SP37去接收数据。
另外，也可以通过连接到GPIO口的外部唤醒源去唤醒。
SP37的集成微控制器兼容标准8051的指令集，且配有不同的外设（如硬件曼彻斯特/双向编码/译码器和CRC生成/校验器）。
低功耗315/433MHZ的RF发射器包含一个全集成PLL合成器，一个ASK/FSK调制器和一个有效的功率放大器。
通过使用片上电容或者增加的额外电容，可以实现中心频率的有效调制。
[4]
SP37有14个管脚，每个管脚的功能分别如下图2.3[4]
图2.3管脚图
PIN1是PP0I/O口，I2C时钟口，操作模式口；PIN2是PP1I/O口，I2C时钟口，操作模式口；PIN3是PP2I/O口，TxData口；PIN4是高频输出口；PIN5是高频发送接地；PIN7，PIN8是地；PIN12是晶振接地；PIN6是供电口；PIN9是内部电压调节输出；PIN10是差分低频接收输入1口；PIN11是差分低频接收输入2口；PIN13是晶振输入口；PIN14是晶振装载电容；
2.3相关软硬件工具介绍
2.3.1开发软件
由于sp37是51内核的单片机，所以编程时采用keilforC51编程环境，经过编译链接生成hex文件后导入烧录软件如下图2.4，图2.5
图2.4keil界面
图2.5烧录软件界面
a.设置
“串口”：
选择连接串口
“侦测串口”：
用于连接使用前测试编程器连接的是哪个串口，连接一次正确后会记录下这个串口号，以后可以不必侦测，侦测完串口会自动打开芯片电源。
“打开文件”:
用于打开HEX文件或者BIN文件，文件开始地址只能是4000H开
始，符合SP370编程规则的目标码文件。
“下载数据”：
用于将程序下载在此编程板中，在批量生产中使用一键下载即可，
无需连接电脑。
“连接”:
用于打开芯片的电源。
“断开”:
断开芯片电源。
“退出”:
退出整个软件。
b.手动编程
“状态”：
读取芯片目前的状态值。
“读数据”:
将芯片的用户程序区全部数据读出显示。
“芯片编程”:
将程序写入到用户区。
“芯片擦除”:
清空芯片用户程序区，清空之后全部数据为0。
“锁定”:
锁定用户程序区，这个按钮要谨慎使用，因为一旦锁定了就不能恢复再写程序了。
“空片检查”:
在芯片擦除之后检查芯片是否为空，如果是空的返回数据应该是
00000000，如果不是空的返回数据是00001111。
“气压”:
检测目前芯片的气压值，同时输出温度值
“加速度”:
用来检测芯片加速度，同时输出温度值
“温度”:
检测芯片周围温度。
“电源电压”:
检测芯片工作电压。
c.自动编程“自动编程”:
自动连续编程，按照设定好的几个选项一次性执行。
“计数清零”:
清除自动编程时的计数结果。
“清空消息”:
清除下面两个消息框信息
2.3.2烧录器及烧录操作
图2.6烧录器
烧录器如上图2.6，SCL连接SP37的PP0口，SDA连接PP1口。
VCC,GND分别连接电路板上的电源和地。
烧录软件如下图2.7。
图2.7烧录软件工作时的界面
侦测串口——系统自动侦测串口（如未侦测到多侦测几遍）——点击打开文件选择要下载的程序文件——点击连接（红色指示灯闪一下，蜂鸣器响一声）——点击状态（检查是否连接上，框里会出现代码00000000，说明已连接，如果出现11111111，说明未连接上，需要断开重新连接）——点击空片检查（框里出现00000001或者00000111则需要点击芯片擦出再次空片检查，出现00000000则芯片空，可以往芯片下载程序）——点击自动编程即可，出现“编程完毕”字样表示下载完毕。
——点击读数据检测写入的程序。
上面的在线下载一定保证插上USB口和SP370芯片。
3SP37传感器外围电路设计
3.1硬件系统功能概况
该传感器硬件主要包括三大部分，低频接收部分，高频发送部分和SP37核心部分。
通过这三个部分的有效配合，实现对低频信号的有效接收和高频信号的有效发射，并使系统具有抗干扰，运行稳定等性质。
（1）低频接收部分
本部分是125k低频接收数据部分，能够实现接受低频信号功能，唤醒掉电状态的SP37。
其中，电阻电感的选型需要经过计算以达到最优低频接收灵敏度。
低频接收部分需要符合一定的通讯协议，以有效地接收125k低频数据。
低频信号采用曼彻斯特编码，包括前导码，同步头，唤醒ID，数据。
（2）高频发送部分
本部分是433.92MHZ高频发送部分，通过电容电感的配合，以及天线的使用，实现SP37把数据通过PA口高频发送出去。
高频发送也需满足通讯协议以利于TPMS系统其余部分接收，发送的信号采用曼彻斯特编码，包括前导码和数据。
（3）SP37核心部分
SP37是一个为TPMS而设计的气压传感器，它仅需要少数的外部器件即可实现测量功能。
除了上文提到的低频接收和高频发送部分，还需要程序下载接口，供电部分和晶振部分等外围电路支持SP37工作。
SP37的程序下载采用IIC接口，供电采用纽扣电池供电或者直接接外部电源。
由于高频发送是433.92MHZ，根据数据手册晶振应采用18.08MHZ。
SP37特征如下：
压力传感器，温度和供电电压传感器，z轴加速度传感器，8051内核微控制器，低功耗高性能系统控制器，高频发射器，低频接受器。
3.2硬件系统目标
本系统各部分联系紧密，低频接收电路和高频接受电路容易互相干扰，同时基于实际在汽车轮胎上安装考虑，传感器的设计必须尽量小。
本系统的设计目标有如下几个方面:
1）抗干扰
2）尺寸合适
3）可以对SP37芯片进行多次烧录
4）便于再次开发
3.3硬件系统总体分析
本系统硬件上主要可以分为三个部分，低频接收电路，高频发射电路，最小系统。
第一版原理图如图3.1、第一版PCB如图3.2，第一版PCB如图3.3所示。
图3.1第一版电路原理图
图3.2第一版PCB图
图3.3第一版实物图
经过反复试验可知，第一版硬件电路虽然可以实现所要求的功能，但仍存在以下几个问题：
1.电路板尺寸过大，该电路板尺寸为4.8*4.3cm，对于要安装在汽车轮毂内的胎压传感器而言过大可能会造成安装不便或者机械结构不稳定，难以适应轮胎内的恶劣环境。
2.此版电路抗干扰性能不好。
3.该电路板覆铜和元器件焊盘靠得太近，在焊接时必须十分小心以避免短路。
4.该电路板中一些元器件在调试阶段可以起作用，而在实际应用中并无作用所以可以省略。
5.低频电感封装尺寸过大，与实际元器件不符。
为了进一步优化设计，实现预期效果，第二版电路原理图如图3.4，PCB设计如图3.5和实物图如图3.6
图3.4第二版电路原理图
图3.5第二版PCB
图3.6第二版实物图
该版电路极大地改善了第一版电路出现的问题，具有以下性质：
1.第二版电路尺寸为3.9*2.0cm,十分适合汽车轮毂内的安装
2.抗干扰性能优良，低频部分和高频部分不会互相干扰
3.覆铜设计较为合理，便于焊接
4.各元件的封装合适。
3.3.1低频接收电路
低频接收电路主要由并联的电感和电容组成，并加上电阻调整谐振电路的品质因数Q，使低频的带宽足够（7.8KHZ）。
低频接收电路的电感和电容互相配合，使谐振频率达到了低频载波频率125KHZ，实现了最优低频接收灵敏度。
低频电感采用普莱默（PREMO）公司的TP0602-0491J。
电感量4.91MH，电容可通过公式
，得出
。
，即最大的品质因数Q为15。
电阻经过计算和实际考量，定为49.9Ω[3]。
3.3.2高频发射电路
系统高频发射电路采用欧洲胎压检测系统标准的433.92MHZ频率，而非美国标准315MHZ频率，故采用18.08M汽车级晶振。
高频发射采用FSK（频移键控）调制方式，即利用载波的频率变化来传递数字信息，信息中的“1”“0”，分别调制为不同的载波信号，它的主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。
而ASK用载波的有无表示“1”“0”，抗干扰性
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