汽车胎压检测系统课程设计论文正文本科论文.docx

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汽车胎压检测系统课程设计论文正文本科论文

课程设计说明书

课程名称:

微机检测系统课程设计

题目:

汽车胎压检测系统

摘要……………………………………………………………………………………………2

1引言…………………………………………………………………………………………3

1.1问题的提出……………………………………………………………………………3

1.2任务与分析………………………………………………………………………………3

2系统方案设计………………………………………………………………………………4

2.1系统设计方案…………………………………………………………………………4

2.2系统总体框图………………………………………………………………………………5

3系统硬件设计………………………………………………………………………………6

3.1AT89C51单片机…………………………………………………………………………6

3.2ADC0804芯片……………………………………………………………………9

3.3MPX4250芯片………………………………………………………………………11

3.4系统硬件电路构成…………………………………………………………………12

3.4.1气压传感器电路………………………………………………………………12

3.4.2A/D转换电路………………………………………………………………………13

3.4.3LED显示电路…………………………………………………………………………14

3.4.4声光报警电路…………………………………………………………………………14

4.1软件环境介绍……………………………………………………………………15

4.1.1Proteus软件环境介…………………………………………………………………15

4.1.2Protel软件环境介绍………………………………………………………………16

4.2系统软件分析…………………………………………………………………16

4.3程序流程图……………………………………………………………………………17

4.4软件计算胎压值…………………………………………………………………………19

5系统调试过程………………………………………………………………………………20

总结……………………………………………………………………………………………23

致谢……………………………………………………………………………………………24

参考文献………………………………………………………………………………………25

附录A系统总电路图…………………………………………………………………………26

附录B程序源代码……………………………………………………………………………27

摘要

本设计正是基于89C51单片机的汽车胎压检测系统设计。

在系统检测部分，采用了MOTOLORA公司气压传感器MPX4250芯片检测车轮胎压，实现汽车轮胎胎压模拟信号输入。

在经过ADC0804芯片A/D转换之后输入系统，采用了共阴极驱动LED数码管构成了显示模块，显示车轮胎压值。

与此同时，系统检测汽车胎压是否在国家规定限值内，若超出限定值，系统通过声光报警，提醒驾驶者注意检查，提高汽车安全性。

本设计说明书对该系统的硬件电路、工作原理和Protel软件设计进行了详细的介绍，给出了软件设计的流程图和主要源代码。

通过Proteus软件仿真表明，实现了汽车胎压检测以及胎压不正常情况声光警告提醒，达到了课程设计任务要求。

关键词：

气压传感器；车辆；89C51单片机；声光报警

1引言

1.1问题的提出

随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，高速公路的速度和便利，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。

但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措施。

汽车胎压监视系统（TPMS）主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。

本设计正是基于单片机技术、A/D转换技术、LED显示来实现。

为此我们采用单片机芯片AT89C51作为核心控制器，半导体气压传感器将我们要测量的胎压信号转换成电压信号，电压信号经过A/D转换之后输入单片机，再由软件部分将我们所得的数据进行处理，最后由驱动部分将其送入显示部分进行数码显示。

该检测系统主要由检测模块、控制模块显示模块以及报警模块组成。

系统具有完全自主控制，全天候检测，可对车轮胎压实时检测功能。

此外该检测系统还具有稳定性好、功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。

1.2任务与分析

本次设计的系统的控制中心是89C51单片机。

首先，在Protel软件环境中进行硬件电路图的设计。

然后在KEIL软件环境中进行系统的软件编程，并进行程序源文件的编译和调试，最后生成.hex文件。

此.hex文件是硬件电路运行实现的源代码来源。

把.hex文件加载到AT89C51单片机芯片，然后在Proteus软件环境中运行硬件电路，检测系统能正常显示车轮胎压以及超过限定值声光报警。

本设计的系统主要由:

AT89C51为中央处理芯片，用于数据处理，控制LED显示以及声光报警等。

气压传感器是本设计的核心模块，由它提供轮胎胎压模拟电压信号输入，用C语言进行编程。

本系统可以分为以下4大模块：

（1）AT89C51模块：

采集输入数字信号，数据处理，LED显示以及声光报警信号控制。

（2）传感器模块：

检测汽车胎压的传感器有两种方法，压电式传感器和压阻式传感器。

本系统采用半导体压阻式气压传感器来实现，这种传感器简单，花费开销小，精度高。

（3）显示模块：

采用普通的共阴LED数码管，用于实时显示汽车胎压值。

（4）声光报警模块：

采用发光二极管和发声器提供声光报警。

2系统方案设计

2.1系统设计方案

通过查阅相关资料，设计初期共有2个方案供我选择，分别是：

（1）采用89C51单片机，传感器，A/D转换芯片组成的系统；

（2）采用89C51单片机，传感器，V/F转换芯片组成的系统。

（1）采用89C51单片机，传感器，A/D转换芯片组成的系统

此系统的硬件部分主要是由89C51单片机，传感器所组成。

该系统硬件结构简单，传感器的模拟电压输入ADC0804芯片进行A/D转换，软件设计部分，单片机控制A/D转换开始以及读取A/D转换结果，通过数据处理输入LED数码管显示，检测数据是否超出限定值。

（2）采用89C51单片机，传感器，V/F转换芯片组成的系统。

这个方案采用89C51单片机，电压/频率（V/F）转换芯片来组成系统的硬件。

通过气压传感器获得与气压相对的模拟电压值，并经过电压/频率（V/F）转换模块转换为数字脉冲，通过单片机对此脉冲序列的计数等处理后获得实际的气压值，并通过数码管显示电路显示，检测数据是否超出限定值。

但这样的话，程序复杂，不易于实时检测。

最后确定设计采用第1方案，即系统是由89C51单片机，传感器，A/D转换芯片组成的系统

2.2系统总体框图

图2-1系统总体框图

当程序启动后，程序进入初始化阶段。

当传感器检测汽车胎压模拟电压信号经过整形滤波之后输入ADC0804芯片等待A/D转换，单片机控制A/D转换，读取A/D转换结果数字量，通过数据处理送入LED数码管显示其胎压值。

检测胎压值是否在限定值内，若超出限定值，单片机控制声光报警，提醒驾驶者。

A/D转换数字量输入单片机P1口，单片机P3.0控制ADC0804芯片

片选端，P3.6控制ADC0804芯片

写输入控制端，P3.7控制ADC0804芯片

读输入控制端。

采用动态扫描显示共阴极LED数码管,单片机P2.0~P2.3控制LED数码管位选端，P0控制8段LED数码管段选端。

单片机P2.4、P2.5分别控制输入警告信号和红色LED警告灯。

3系统硬件设计

3.1AT89C51单片机

 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3-189C51单片机引脚图

89C51单片机与早期Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用FlashROM替代了ROM/EPROM而已[1]。

89C51单片机内部结构如图所示。

图3-289C51单片机内部结构示意图

各引脚的功能如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高[2]。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

 P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

：

当

保持低电平时，则在此期间CPU只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；当

端保持高电平时，则执行内部程序存储器中的程序。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2ADC0804芯片

所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。

信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。

ADC0804芯片是8位COMS逐次逼近型的A/D转换器

图3-3ADC0804芯片引脚图

ADC0804芯片参数：

工作电压：

+5V，即VCC=+5V。

模拟输入电压范围：

0～+5V，即0≤Vin≤+5V。

分辨率：

8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间。

转换时间：

100us（fck=640KHz时）。

转换误差：

±1LSB。

参考电压：

2.5V，即Vref=2.5V。

ADC0804的转换原理：

参考电平经256R电阻网络输出一个模拟电压Vc,Vc与输入模拟量Vx在比较器中进行比较。

当Vc>Vx时，该位Di=0；若Vc≤Vx,则Di=1，且一直保存到比较结束。

照此处理，从D7~D0比较8次，逐次逼近型寄存器中的数字量，即与模拟量Vx所相当的数字量等值。

此数字量送入后存入锁存器，并同时发出转换结束信号

ADC0804各个管脚的作用：

D0-D7：

八位数字量输出端；

CLK：

为芯片工作提供工作脉冲，计算方式：

fck=1/（1.1×R×C）

：

片选信号；

：

写信号输入端；

：

读信号输入端；

：

转换完毕中断提供端；

其他管脚连接图，是供电和提供参考电压的管脚输入端。

图3-4ADC0804驱动电路图

3.3MPX4250气压传感器

MPX4250传感器是一种先进的单片硅绝对压力集成传感器，传感器集成芯片上,双极运算放大器电路和薄膜电阻器网络提供一个高水平的模拟输出信号.

传感器测量范围：

15~250kPa，输出电压：

0.2~4.7V，输入电压可与单片机或微处理器进行A/D转换。

这项专利、单元素传感器结合了先进微加工技术、薄膜金属化,和双极处理提供一个精确的、高水平的模拟输出信号应用压力成正比。

图3-5MPX5500芯片引脚图

MPX4250芯片特性：

•在0°到85°C,最大误差1.5%

•适合微处理器或基于单片机系统

•专利硅剪切应力应变仪

•耐用环氧一体式元素

•在微分和计配置可用

3.4系统硬件电路构成

本系统以单片机为核心，组成胎压信号采集、处理、显示、自动报警为一身的闭环控制系统。

系统硬件电路由MPX4250传感器检测汽车车轮胎压值、ADC0804芯片对胎压模拟电压值A/D转换，单片机对胎压数字量采集、处理，控制LED显示等电路组成。

其中P2.4，P2.3分别用于控制声光报警电路，P0,P2.0~P2.3分别用于控制LED数码管显示，组成动态扫描电路，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，REST引脚接上复位电路。

3.4.1气压传感器电路

图3-6传感器电路图

图3-4所示MPX4250胎压传感器电路图电路。

MPX4250传感器检测胎压值，1端输出转换后模拟电压值Vin，MPX4250传感器2，3端分别接入GND和VCC。

利用RC积分电路来达成杂波的滤除电路。

3.4.2A/D转换电路

图3-7A/D转换电路

图3-7所示A/D转换电路。

模拟电压Vin在RC积分电路滤除杂波后输入ADC0804信号输入VIN+端，VIN-端接入GND，参考电压为0V。

单片机P3.0，P3.6,P3.7，P3.2分别控制ADC0804片选信号

端，写信号输入

端，读信号输入

端，转换完毕中断提供

端。

通过单片机P3.0输出低电平选中ADC0804芯片A/D转换，P3.6输出脉冲控制启动ADC0804开始A/D转换。

等待转换完成ADC0804转换完毕中断提供

端输出低电平提示转换完成，P3.7输出低电平控制读信号输入

端，转换完成数字量DB0~DB7从P1口输入单片机。

3.4.3LED显示电路 

图3-8LED数码管显示电路

图3-8所示为共阴极八段LED数码管连接电路，LED数码管的发光二极管的阴极连接在89C51单片机P2.0~P2.3，LED数码管另一端连接在P0口。

当向P2.0,P2.1口输出低电平，所连接的LED数码管被位选，然后向P0口送入显示段码，就可以使LED数码管的相应的段发光，从而显示不同字型。

3.4.4声光报警电路

图3-9声光报警电路

图3-9所示为声光报警电路。

单片机P2.4，P2.5分别控制声音报警和灯光报警，P2.4输出高低方波信号，Sounder音頻芯片LS1发出“滴答滴答”高频声音；P2.5输出低电平，LED-RED红色发光二极管导通，发光点亮。

4系统软件设计

任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统，少了任何一个部分都不可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统的一个基础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系统的灵魂，它对硬件系统起到扩充和完善的作用。

4.1软件环境介绍

4.1.1Proteus软件环境介绍

本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。

Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。

针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。

如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。

Proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是ProteusLite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果[3]。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。

可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件...）。

其实Proteus与multisim比较类似，只不过它可以仿真MCU，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。

当然，硬件实践还是必不可少的。

在没有硬件的情况下，Proteus能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路。

另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的。

Proteus软件主要具有以下几个方面的特点：

（1）设计和仿真软件Proteus是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。

（2）它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。

（3）它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。

（4）它可以仿真目前流行的单片机，如PICS,ATMEL-AVR,MOTOROLA,8051等。

（5）在设计综合性方案中,还可以利用ARES开发印制电路板。

4.1.2Protel软件环境介绍

Protel印制板设计软件包是澳大利亚Proteltechnology公司与1990年推出的电子CAD产品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。

它采用了分层次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作，protel有着很高的自动布线布通率。

布通率是电子产CAD产品的一项重要指标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。

在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的元件布局和布线策略方法，Protel就可以轻易的达到98%-100%的布通率。

对于极少数不能布通的定方，Protel可以用飞线指示出来，引导用户用手工方法连通。

另外，Protel有强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多定义的热键可以大大提高操作速度。

Protel对微机的软硬件配置要求很低：

CPU在8088以上，DOS2.0以上版本，内存640kb以上，双软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼容打印机。

也能在Windows9X平台的模拟DOS下运行[4]。

Protel已成为印制板设计加工方面的工业标准。

据初步统计Protel在CAD的市场占有率达95%，成为电子产品制造业界的首选CAD软件

4.2系统软件分析

系统采用AT89C51单片机进行设计，程序首先对A/D转换，LED显示，声光报警进行初始化，MPX4250传感器检测汽车胎压输入模拟电压值，单片机控制ADC0804进行A/D转换，输出数字量经过数据处理，送入LED显示其车轮胎压值，同时单片机监测胎压是否超出限定值，超出限定值进行声光报警。

软件程序主要包含：

主程序，A/D转换程序，LED显示程序，声光报警程序等。

4.3程序流程图

（1）主程序流程图

图4-1主程序流程框图

主程序流程图说明：

AT89C51是整个系统中的核心，即中央处理器CPU，胎压信号是由气压传感器测量出模拟电压作为A/D转换输入，AT89C51控制A/D转换开启，等待转换完毕读取数字量，数据处理后，与内部寄存的限定值比较，超出限定值启动声光报警，并送入LED显示其汽车胎压。

（2）A/D转换程序流程图

图4-2A/D转换程序流程框图

A/D转换程序流程图说明：

当主程序初始化完毕，启动片选CS=0;改变写输入信号WR=1;WR=0;软件延迟等待转换完毕，然后打开读输入信号RD=0；单片机设置Data=P1读取数字量，恢复读输入信号RD=1;关闭片选信号CS=1；进入下一循环。

（3）数码管显示程序流程图

图4-3显示程序流程框图

4.4软件计算胎压值

信号每一步的变换过程如下：

第一步，被测气压经过气压传感器MPX4250转换成电压输出，根据MPX4105的芯片资料可知，输出电压Vout和气压P的关系如下

Vout=Vcc（0.004P-0.04）±Error

（1）

这里Vcc为+5.1V，Error为误差，因此可得：

Vout=5.12（0.004P-0.04）

（2）

第二步，MPX4250的输出电压Vout作为ADC0804输入电压Vin，经过A/D转换成相对应的数字量，由ADC0804芯片转换公式输入电压Vin和输出数字量Data的对应关系如下所示：

Vin/5=Data/255（3）

注：

式

（1）

（2）（3）中，Vcc,Vin的单位为V，P的单位为kPa。

在软件计算中，设定Voltage=Vin=Vout,根据式

（2）（3）编程计算得到气压值P。

Voltage=Data*5*1000/255（5）

P=（Voltage/5.12+40）/4（6）

注：

此处假设定MPX4250输出电压Voltage扩大1000倍，易于计算。

由此：

参考国家胎压标准，初设定：

210Kpa-245Kap上下限定值

程序设定如下：

MPX4250循环检测车轮胎压P输出模拟电压值Vin,ADC0804芯片进行A/D转换输出数字量，单片机数据处理后，判断胎压值P是否在210Kpa-245Kap限定值范围内，并送入LED数码