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精品资料.胎压监测系统的设计)精品资料.成绩评定：传感器技术 课程设计 题 目 胎压监测系统的设计 精品资料.摘要 轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)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 Strategy Analytics 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，外侧轮精品资料.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。关键词：胎压监测 压力传感 传感器 TPMS 目 录 一、设计目的-1 二、设计任务与要求-2 2.1 设计任务-2 2.2 设计要求-2 三、设计步骤及原理分析-3 3.1 设计方法-3 3.2 设计步骤-4 3.3 设计原理分析-5 四、课程设计小结与体会-19 五、参考文献-20 精品资料.精品资料.一、设计目的 轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣直接影响汽车行驶的可操纵性、安全性和舒适性。目前，中国正进入家庭汽车的高速增长期，轮胎安全是汽车安全性能评价的重要指标，轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制而成为突发性交通事故发生的重要原因，造成巨大的经济损失和人员伤亡，极大地威胁着汽车的行驶安全。恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全、平稳行驶的关键因素。及时准确地对超过或低于轮胎压力标准范围的异常状态进行报警，是减少由轮胎爆胎引发的交通事故的有效途径。随着高新技术的发展和现代汽车不断趋向高性能化,汽车用的轮胎也从长期的性能时代,开始进入功能化的新时期。当然，现代汽车的安全配置也在不断得到完善，如安全带、安全气囊、防撞杆等被广泛运用，不过这些都是属于交通事故发生后，才能对人、车起到保护作用的被动安全装置。然而本文研制的轮胎爆胎预警系统，则不同于上述的装置，它在轮胎一出现危险征兆时就能够及时发现并同时报警，最大限度地将事故消灭在萌芽状态，从而极大地提升了车辆高速行驶的安全性，这一优势在高速公路上表现更为明显。精品资料.二、设计任务与要求 2.1 设计任务 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。2.2 设计要求 在汽车高速行驶过程中，轮胎中的气压和温度应保持在一定的范围之内，否则，就会对汽车的安全行驶构成威胁。气压过高，会使胎内帘线受力过度而变形，轮胎弹性下降，胎冠加快磨损，如受到冲击易破裂；气压过低，会使胎体增大变形，造成胎侧裂口，同时使轮胎接地面积增大，加快胎肩的磨损，也会导致过度摩擦生热，使橡胶老化、帘线折断并最终导致爆胎1。而 TPMS为预防胎内压力和温度的急剧变化、防止发生安全事故提供了有力武器。TPMS系统组成如图 1 所示。它是由发射模块、接收模块、显示模块和接收天线组成，其中，显示模块可根据整车厂家和后装市场的精品资料.不同需求决定是否提供。装有压力和温度传感器的发射模块被安装在轮胎内部，当轮胎气压和温度过高、过低或快漏气时，发射模块发出的信号就通过天线被接收模块接收到，然后由接收模块进行信号处理，再传给显示模块或汽车仪表，最后以声光的形式警告驾驶者，从而达到主动预防事故的目的。图 1 TPMS系统图 三、设计步骤及原理分析 3.1 设计方法 采用 89c51 主控，通过压力、温度传感器将信号送入 MCU 再送入无线发射芯片中，再由无线接收芯片将信号无线发射。在处理模块，无线接收芯片接受到信号后，由微处理器进行处理。将处理的结果送显示、报警部分分别进行显示、报警。原理原理框图如下：无线发射 传 感 器 无线发射 MCU 精品资料.无线接收 3.2 设计步骤 传感器无线发射模块 由 SP12、89c2051、T5754组成了传感器无线发射模块。SP12是集温度、气压、加速度为一体的传感器，输出数字信号，使用方便，体积小，功耗少。显示模块 用单片机芯片 AT89C52 的 P0.0/AD0P0.7/AD7 端口接数码管的ah 端，8 位数码管的 S1S5 通过 AT89C52 的 P2.0P2.4 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 段数码管选用共阴连接方式，通过端口输出编码后的段码，对应笔画为“低电平“时点亮。无线接受 微 处 理 显示 报警 精品资料.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。经过综合考虑，我们选用 SP12 来作为传感器。SP12具有补偿功能,可以对压力,加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境下的正确补偿值,有效地保证了测量可靠性.3.3 设计原理分析 精品资料.单片机电路部分 主要芯片介绍 89C52 单片机 89C52 单片机的 40 条引脚按功能来分，可以分为 3 部分，电源及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。如下图 3-1 所示：AT89C52单片机引脚图 89C52 单片机引脚功能 主电源及时钟引脚 此类引脚包括电源引脚 Vcc、Vss、时钟引脚 XTAL1、XTAL2。（1）Vcc（40 脚）：接+5V 电源，为单片机芯片提供电能。（2）Vss（20 脚）接地。精品资料.（3）XTAL1（19 脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。（4）XTAL2（18 脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。控制引脚 此类引脚包括 RESET（即 RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信号，有些具有复用功能。（1）RSR/VPD（9 脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。复位后应使此引脚电平保持为不高于 0.5V 的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部 RAM 中的数据不丢失。当 Vcc 下降到低于规定值，而 VPD 在其规定的电压范围内（50.5V）时，VPD 就向内部 RAM 提供备用电源。（2）ALE/PROG（30 脚）：ALE 为地址锁存允许信号。当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。即使不访问外部存储器，ALE 端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的 1/6。但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中 ALE 只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动 8 个 LSTTL 负载。精品资料.（3）PSEN（29 脚）：程序存储器允许输出控制端。此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均 PSEN 两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不会出现。PSEN 同样可以驱动 8 个 LSTTL 负载。（4）EA/VPP（31 脚）：EA 功能为内外程序存储器选择控制端。当 EA 端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。输入/输出引脚 此类引脚包括 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口。（1）P0（P0.0P0.7）是一个 8 位三态双向 I/O 口，在不访积压处部存储器时，做通用 I/O 口使用，用于传送 CPU 的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总路线低 8 位及数据总路线分时复用口，可带 8 个 LSTTL 负载。（2）P1（P1.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口（作为输入时，口锁存器置 1），带有内部上拉电阻，可带 4 个 LSTTL 负载。（3）P2（P2.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口，与地址总路线高 8 位复用，可驱动 4 个 LSTTL 负载。（4）P3 口功能表，如下表 1.1 所示：P3 口各个位的第二功能 P3 口的位 第二功能 说明 精品资料.P3.0 RXD 串行数据接收口 P3.1 TXD 串行数据发射口 P3.2 INT0 外部中断 0 输入 P3.3 INT1 外部中断 1 输入 P3.4 T0 计数器 0 计数输入 P3.5 T1 计数器 1 计数输入 P3.6 WR 外部 RAM 写信号 P3.7 RD 外部 RAM 读信号 表 1.1 P3口功能表 AT89C2051 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和Flash 存储单元，功能强大 AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。AT89C2051 是一个功能强大的单 精品资料.片机，但它只有 20 个引脚，15 个双向输入/输出（I/O）端口，其中 P1 是一个完整的 8 位双向 I/O 口，两个外中断口，两个 16 位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时 AT89C2051 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。主要功能特性：兼容 MCS51 指令系统 2k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM 15 个双向 I/O 口 6 个中断源 两个 16 位可编程定时/计数器 2.7-6.V 的宽工作电压范围 时钟频率 0-24MHz 128x8bit 内部 RAM 两个外部中断源 两个串行中断 可直接驱动 LED 两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程 UARL 通道 软件设置睡眠和唤醒功能 精品资料.气压传感器 SP12 SP12 是一种硅压阻式压力传感器，它采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，其测量精度可达 0.01 一0.03%FS。由于传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号供电电压等等的情况下会出现漂移，而 SP12 设有补偿功能，可以对压力、加速度、温度、供电电压等信号进行检和补偿，准确提供不同型号轮胎在不同环境时的正确补偿值，有效地保证了测量可靠性。SP12 有 14 个引脚，其中 NCS 为片选端，低电平有效，当把 NCS拉低后，就选中了芯片，它就可以工作了;SDI、SDO 和 SCLK 三个引脚，组成了 SPI 口，通过此口可以向传感器传送指令，测量后数据也是通过这个口输出的;SP12 还可以提供两路输出，分别是 WAKEUP和 RESET,它们可以为单片机提供中断或者唤醒信号，每一路输出都可以在一定时间间隔之后送出一个脉冲，都是低电平有效，WAKEUP 引脚标准的输出周期为 6ms，RESET 引脚标准的输出周期为 51 分钟。SP12 传感器测量压力所需要的时间是 6ms，分辨率是 1.37KPa/1sb，测量出 来的数据与实际压力的换算公式为 P=Rx1.37+100 其中 R 表示通过读数指令读出的寄存器的值，乘上系数 1.37 再加上100 精品资料.就是实际的压力值，单位是 KPa，当 R 值为 0 的时候，P 等于 100，此时证明 轮胎压力为一个标准大气压。SP12 测量温度所需时间是 1.sms，测量分辨率是 1“C/lsb，但是所测得温度 与实际温度有一定的偏差，对温度误差进行补偿的公式为仲:T=-0.92+0.004*Tsp12+0.0002*Tsp12;其中 Tsp12 是 SP12 所测量到的温度，T 是补偿系数。Sp12 引脚图 传感模块电路图 设计电路时，TEST、VSS、NC、DIGIN 引脚都需要接地，电源引脚 VDD 接到电源 VCC 上面，然后在 VDD 和地之间接一电容 C7，这样电容可以起到滤波的作用，把电源中不稳定的毛刺消除掉。射频发射部分 T5754 T5754 是 ATMEL 公司推出的采用 PLL(锁相环)结构的单片甚高频UHF ASE/FSK 发射器，是专门满足低成本数据通讯的要求而开发的。其数据传输速率可达 32kBaud，发射频率范围是 429MHz 一精品资料.439MHz。当工作电流 9mA 时输出功率仅为 7.5dBm，电源电压为 2.0v一 4.0v，采用 TSSOP8L 封装，体积小。单端天线输出，可以通过CLK 引脚给微控制器提供时钟。在 ANT1 和 ANT2 上面具有 ESD 保护功能。T5754 引脚图 引脚 1：CLK 时钟信号输出，为微控制器提供时钟信号，输出频率为 fXTAL/4;引脚 2：PAENABLE，功率放大器开关，用于 ASK 调制;引脚 3、4:ANT1 和 ANT2 分别为天线输出极的集电极(OC)和发射机;引脚 5：XTAL，外接晶振;引脚 6：VS，电源电压;引脚 7：GND，接地;引脚 8：ENABLE，使能控制输入。精品资料.T5754 内部结构框图 T5754 内部结构框如图 4.6所示，芯片内包含射频功率放大器(PA)，晶体振荡器(XTO)、压控振荡器(VCO)、相频检波器(PFD)、分频器、充电泵(CP)等电路，锁相环(PLL)合成器由压控振荡器、分频器、相频检波器、充电泵和回路滤波器组成。压控振荡器被锁定在 32*fXTAL，频率为 433.92MHz 的发射器需要一个 13.56MHz 的晶体振荡器。锁相环和压控振荡器所有外围器件都是集成的。XTO 是一个串联谐振的振荡器，外部元件只需要一个电容和一个晶振串联到地即可。在锁相环被锁定和时钟输出稳定之前，晶体振荡器和锁相环需要小于 3ms 的稳定时间。而在 CLK 提供给微控制器时钟信号并且射频功率放大器被接通前，必须有一段不小于 lms 的等待时间。精品资料.射频功率放大器是集电极开路的输出，传送的是电流脉冲，而这个电流几乎完全取决于负载阻抗。因此发射输出功率是由负载阻抗来控制的。这种输出匹配方式使得发射器方便的匹配到任何天线或者 500 的负载。当用 3v 供电时，在 433.92MHz 的最佳负载阻抗是Z=(l6+j223)o，此时可以得到最佳的效率。当 ENABLA 端和 PA_ENABLE 端都为低电平时，电路处于待机状态，此时电流消耗很小(350nA)，因此一个锂电池可以提供好几年的电源。射频接受部分 T5743 T5743 是一个多片锁相环接受芯片，SO20 封装，是专门为满足低成本 RF 数据传输系统的要求而开发出来的。传输曼彻斯特或者双相位编码，速率可达 1KBaud 一 10KBaud。它被广泛应用在遥测、安全技术、无键输入系统等领域，支持 ASK 和 FSK 两种模式，接受频率从 300MHz 一 45oMHz。T5743 特点:(l)支持 300kHz 和 6O0kHz 接收带宽;精品资料.(2)IC 状态指示、睡眠、工作三种模式;(3)可编程的数字噪声抑制功能;(4)低速率数据传输时灵敏度高;(5)使用单端天线输入。接收器 T5743 的引脚图如下图所示：引脚 1：SENS，灵敏度控制电阻;引脚 2：ICACTIVE，IC 状态指示，低电平为睡眠模式，高电平为激活模 引脚 14：XTAL，接晶振;引脚 17：DATA_CLK，数据串的位时钟;引脚 19：方式选择;引脚 20：DATA，数据输出或设置输入。射频接收部分电路图如下：精品资料.上位机电源 汽车中电源一般为 12v 的直流电，而胎压监测系统上位机 VDD 需要 5v 的电源，因此就要实现一个 12v 到 5v 的电压转换，采用稳压管 7805 就可以实现，稳压电路如图 4.17 所示，其中 J3 是一个接头，把 12v 电源直接与之相连即可。IN5718 可以防止电源正负极接反，它只有在接法正确的时候才可以导通。电容 CPI、CP3、CP4 和CPS，可以滤出电源转换过程中出现的毛刺，使输出尽可能的稳定。电压转换电路如下图：精品资料.稳压电路 硬件电路图：下位机 下位机原理图 精品资料.上位机 上位机原理图 精品资料.四、课程设计小结与体会 经过为期一周的实训，我在不断的学习与查阅资料中获得了许多的体会。对学习生活的到了不少的新认识，作为当代的大学生，对知识点的重要性领悟还不够深刻。在这个科学飞速发展的时代，我们更应该在有限的时间中学习更多的知识。只有这样才能保证自己不会轻易被社会淘汰。这一次的课题，我选得是关于汽车胎压监测系统的设计。主要用的是压力传感器、射频发射与接收装置以及单片机，在现在社会的不断发展中，传感器在生活中的应用面也越来越广。不仅仅存在于汽车，在消防、防盗入侵等方面都应用广泛。这就意味着我们在校期间的学习就以后的工作生活来说有着举足轻重的地位。一周的实训将结束，我对单片机与传感器的有机结合有了更深刻的认识。也对我们所学的专业有了更强的信心，同时也对将要毕业的自己有着绝对的信心。精品资料.五、参考文献 1邱关源.电路M.北京：高等教育出版社(第四版),1999 摘要：本书主要内容有：电路模型和电路定律、电阻定律的等效变换，电阻电路的一般分析、电路定律。含有运算放大器的电阻电路、一阶电路、二阶电路、向量法、正弦稳态电路的分析，含有耦合电感的电路、三相电路等等。2胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，2003 摘要：本书以 MCS-51 为主线，系统地论述了单片机的组成原理、指令系统和汇编语言程序设计、终端系统、并行和串行 I/O接口以及 MCS-51 对 D/A的接口等问题，并在此基础上讨论了单片机应用系统的设计。3钱伟.胎压监测系统在重型车辆上的应用J.合肥工业大学学报，2006 摘要：汽车轮胎压力监视系统的研制是受到安徽省某企业资助的科研项目。国内多数厂商目前也正在进行这方面的研究。该项目着眼于国内庞大的汽车市场，有很高的经济价值和现实意义。在汽车的高速行驶过程当中，轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故的重要原因。怎样防止爆胎已经成为安全驾驶的一个重要课题。而汽车胎压监测系统（TPMS）毫无疑问是最精品资料.理想的工具。本论文主要论述的是在重要车辆上使用的胎压监测系统，它主要由发射模块、中转模块和接收模块组成。