基于单片机的胎压监测设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的胎压监测设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 2020 年开始 TPMS 系统的研究和引入，并于 2020 年步入高潮。 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（ Remote Tyre Pressure Monitoring）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 GHz 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。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 3 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。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 4 2 TPMS 分类及原理介绍 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。 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 21 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 21 计算式间接 TPMS 结构图 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 22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ABS VSCCPU 波形处理 轮胎在 VSC控制范围内 排除共振外的杂波 推算轮胎弹簧常数的变化 对气压低的判断和处理 液晶屏显示 LED 灯报警 速度传感器 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 5 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。 图 22 磁敏式间接 TPMS 结构图 基于 SAW 方式 所谓的 SAW 就是 Surface Acoutic Wave 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。 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 23 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 霍尔装置 信号处理 A/D转换 驱动器 电子控制单元 磁敏组件 显示报警装置 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 6 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 23 直接式 TPMS 安装图 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 7 3 系统的总体设计 系统的需求分析 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 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； 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，但其中最多江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 8 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。 系统的总体设计 总体设计 根据功能及技术要求，系统的总体设计如图 31 所示 图 31 总体系统结构图 SP12 PIC16 F628A RF 发射 第一轮台模 块 RF 接收 单片机 液晶屏显示及报警 SP12 PIC16 F628A RF 发射 第四轮台模块 LF低频发射 LF 唤醒电路 LF 唤醒电路 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 9 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 32 检测模块结构图 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 33 主机部分结构图 接收装置 MCU 显示及报警 人机接口 MCU 射频发射电路 压力传感器 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 10 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。 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。 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 100400kpa，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 [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 : 41 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。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计 11 表 41 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 V 测量未进行时电压。