基于单片机控制的数字气压计设计与实现.docx

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基于单片机控制的数字气压计设计与实现

基于单片机控制的数字气压计设计与实现

衢州学院

单片机课程设计

姓名:

李泽豫

学号:

4120112229

班级:

材料成型及控制工程2班

设计题目 :

 基于单片机控制的数字气压计的设计与实现

2015/1/28

1概述

1.1课题背景

如今，随着高速公路网的蓬勃兴起，交通的日趋发达，车辆行驶速度的不断攀升，交通隐患的防范问题迫在眉睫，如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故，很多是由轮胎的工作温度过高或者不合理胎压引起的。

研究汽车轮胎胎压计，就对现代汽车行驶时的经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。

在汽车的高速行驶过程中，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。

据相关统计资料数据表明，目前我国在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于轮胎问题引起的，其中将近50%为爆胎事故。

怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

据专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。

为此，基于解决此类问题的各种胎压监测系统（TPMS）产品——胎压计应运而生。

轮胎气压计属于“事前主动”型安全保护装置，在轮胎出现危险征兆时及时报警，提醒驾驶员采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。

同时，利用胎压计获得轮胎信息，可以减少油耗，延长轮胎的使用寿命，也可以为底盘综合控制系统提供相关的信息和数据。

我们的设计的是一种基于单片机的数字气压计的设计，主要针对的是汽车轮胎胎压计的设计。

汽车轮胎胎压计是通过气压传感器获得与汽车轮胎胎压相对应模拟电压值，并经过V／F变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应气压值。

由于使用胎压计有一定的参数要求，设计数字气压计时要[1]仔细了解这些参数以防止使用不当而损坏胎压计。

汽车轮胎胎压计采用高性能绝对压力传感器，屏幕显示出高准确度的汽车轮胎胎压，实现了对轮胎压力的实时监测。

当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。

1.2技术概况及发展趋势

TPMS（TirePressureMonitoringSystem）轮胎压力监视系统，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测。

目前各国研制的轮胎气压报警系统主要分为两种类型：

一种是间接式，它通过汽车ABS（防抱制动系统）的轮速传感器及轮胎的力学模型，间接求出轮胎气压，以达到监视轮胎气压的目地；另一种是直接式，它利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，而监视器随时显示各种轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警，确保行车安全。

市场研究机构StrategyAnalytics的预测表明，直接系统技术将成为主流技术，2008年后所占份额将超过95%。

因为如果要使用间接式胎压监测系统，前提是车辆必须有ABS系统。

加上会影响轮胎转速的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高。

或者是当车子高速转弯时，车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮胎的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。

另外，当四条轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。

而且侦测功能仅在车辆行驶中才能发挥作用，对备胎或当车辆停滞时，便无法判断，还会出现误报现象。

汽车高速行驶中，由于轮胎的压力不正常而造成爆胎是驾驶员难以预防的，也是突发性和恶性交通事故发生的重要原因。

引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有：

（1）轮胎工作温度过高；

（2）轮胎气压过大；（3）轮胎使用时间过长；（4）轮胎负荷过大；（5）汽车行驶速度过快。

为使汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮胎的超压、欠压、温度等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮胎胎压计具有以下的功能：

（1）实时监测轮胎的压力情况；

（2）当某个轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警指示灯亮。

当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。

1.3数字胎压计系统设计的意义

由于汽车的迅速普及，人们对驾驶安全性与舒适性的追求越来越高，随车携带数字气压计可以保证人们安全驾驶，有效地降低由于爆胎导致的交通事故发生地概率。

而服务商需要的是一种物美价廉的数字气压计，以满足有车一族的需要。

本课题设计充分利用了MPX4105芯片的功能，它满足数字气压计采集、控制和数据处理的需要，可提高系统稳定性和抗干扰能力。

同时，由于大量的工作由单片机软件来实现，简化了设计电路，且调整方便、可兼顾的指标多，从而大大降低了成本。

另外，作为一种功能强大的平台，该数字气压计具有很好的功能扩展性，具有精度高、稳定性好、功能易于扩展等优点，为仪器及电子产品设计后续技术升级，以进一步满足市场的需要提供了条件。

1.4国内外相关技术

对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点问题。

在轮胎爆胎预警系统及相关技术的研究发面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善[5]的轮胎压力监测系统产品。

从近年发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时显示轮胎气压状态。

据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品有推出，但都是技术性能不甚完善简易系统产品，存在以下缺点：

①系统工作寿命极短；②系统在低温或高温环境下失效；③工作可靠性较差。

而性能可靠、功能完善、技术成熟的产品均是一些国外知名公司的品牌产品，但价格较为昂贵。

因此，研制性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。

国内汽车行业正迫切需求成熟的轮胎爆胎预警系统及产品的投放市场以解决因轮胎爆胎而引起的行驶安全性问题。

2系统总体设计

2.1设计思路分析

2.1.1设计方案一：

采用单片机主控，通过压力传感器、A/D转换采集数据信息，经过含有单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。

原理框图如下：

图2-1方案一原理图

2.1.2设计方案二：

采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带A/D转换的单片机中，以及在相关模拟分立元件的辅助下进行A/D转换以及其它的数据处理，将处理的结果送显示部分进行显示。

原理原理框图如下：

图2-2方案二原理图

综上所述，方案一电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标多，但方案一利用PC机平台实现软件操作，在操作运行复杂，并且性价较底，因为耗费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。

设计51单片机数字气压计系统时，需要考虑下面4个方面的内容。

·选择合适的气压传感器芯片，这要根据实际需要以及各种气压传感器的性能参数来决定。

·选择合适的A/D转换器件，它的作用是将气压传感器输出的模拟电流或电压信号转换为数字信号。

·设计单片机和A/D转换器件的接口电路。

·实现气压信息采集并输出的软件设计。

2.2系统总体结构

本系统的总体结构框图如图2-1所示。

图2-3单片机数字气压计系统结构框图

由图2-3可知，整个系统的工作流程如下。

测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由单片机处理。

因此，需要经过V/F转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化）。

通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后通过数码管显示电路显示给用户。

2.3系统各功能模块的设计思想

通过对单片机各个端口的设置，以及定时器工作方式和串行口工作方式的选择，并对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯联络的设定。

在主程序模块中我们关键是使单片机初始化，以及分配地址空间交代程序中各个变量等。

其中最为关键的是连接子程序的各个功能模块。

2.3.1A/D转换模块

单片机接受传感器的电压值为模拟信号，它要和A/D转换模块的锯齿波发生装置发送过来的标准模拟信号相比较，即通过P1.0和P1.1引脚进行比较，同时开发定时器0，当待测模拟信号超过标准模拟信号时，P3.6引脚信号将会发生变化，此时的定时器0的值通过量纲转化就得到了相应的数字信号。

2.3.2数据处理模块

数据处理模块主要是对A/D转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进行处理，此处理过程主要是对采集的数据进行初值定义以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲区，为后面的显示模块作好准备。

2.3.3显示模块

用单片机芯片AT89C52的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口接数码管的a－h端，8位数码管的S1－S5通过AT89C52的P2.0－P2.4端口来控制选通每个数码管的位选端。

在数据的显示模块中，我们采用的是LED动态显示的方式。

其具体的实现过程在上述设计思想中详细说明。

7段数码管选用共阳连接方式，通过端口输出编码后的段码，对应笔画为“高电平“时点亮。

2.4气压传感器的选择

气压传感器对于数字气压计设计的实现至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。

气压传感器的主要性能参数如下。

·测量范围

即所能测量的大气压力范围，单位为kPa。

·测量精度

测量结果（电流或电压）的精度。

·温度补偿范围

一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。

·测量的是否是绝对气压值

绝对气压值对应的即是实际的气压值，显然要实现数字气压计需要测量绝对气压值的气压传感器。

数字气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的气压传感器[7]。

经过综合考虑，我们选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片MPX4105作为气压传感器。

MPX4105可以产生于所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点：

·供电范围：

4.85~5.35V，典型值为5.1V。

·测量范围：

15~105kPa。

·工作温度范围：

0~85℃。

·温度补偿范围：

-40~+125℃。

·测量精度为±1.7%VFSS。

·最低气压对应的输出电压VOFF为0.184~0.428V，典型值为0.306V；最高气压对应的输出电压VOFF为4.804~4.988V，典型值为4.896V；满刻度输出电压间距VFSS的典型值为4.590V。

·理想的微处理器接口。

2.5A/D转换器件的选择

气压传感器MPX4105输出的是模拟电压，因此，必须进行A/D转换才能交由单片机处理。

关于A/D转换，其模块的特点是：

转换分辨率为10位，最多含8个输入通道和一个内部温度传感器。

我采用一种电压/频率（V/F）转换电路来实现模拟电压的数字化处理。

V/F转换电路由V/F器件实现。

V/F器件的作用是将输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲序列，虽然V/F器件本身还不能算做量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现A/D转换。

V/F器件的突出特点就是它能够把模拟电压转换成抗干扰能力强、可远距离传送并能直接输入单片机接口的脉冲序列。

通过测试V/F的输出频率。

可以实现A/D转换功能。

针对电路的实际需要，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，我选用国家半导体公司的芯片LM331来实现A/D转换。

LM