车辆工程毕业设计论文-基于单片机的汽车轮胎胎压监测系统的设计与实现(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于单片机的汽车轮胎胎压监测系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

司的“金口 3 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”。 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； 4 （ 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。 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。 5 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。 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℃。 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 所示： 图 系统方案的总体框图 6 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。 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 发射模块框图 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 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。 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 7 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。 关键技术研究 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(Low Power RadioDevice)频段作为操作频率，此频段有两个频率范围，分别为： 433． 05MHz． 434． 790 MHz 和 868 MHz． 870 MHzi 眩l。 在本系统中采用的工作频率设置为 433． 92 MHz。 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 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 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， 8 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 FSK调制的曼彻斯特编码信号波形示意图 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。 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。 9 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。 传感器单元的硬件电路设计 DS18B20 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 2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 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 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。 10 图 DS18B20 ADC0809 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： D7D0： 8 位数字量输出引脚。 IN0IN7： 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。 11 ALE： 地址锁存允许信号输入端。 图 ADC0809 内部逻辑结构 （以上两种信号用于启动 A/D 转换） . EOC： 转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE： 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK： 时钟。