汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)教材

1、太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）1 緒論1.1 課題背景隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，交通越來越便利，而隨之引發(fā)的交通事故也在不斷增 多，其中由于輪胎的氣壓引起的比例非常高，這就使得人們需要對(duì)行駛中的輪胎氣壓 進(jìn)行關(guān)注。輪胎氣壓影響著汽車的使用性能和輪胎的壽命。當(dāng)前，輪胎爆胎，疲勞駕 駛，超速行駛已經(jīng)成為高速公路事故的三大殺手，其中，輪胎爆胎由于其不可預(yù)測(cè)性 和無法控制而成為首要因素 1 。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題， 據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的 專家分析， 保持標(biāo)準(zhǔn)的汽車輪胎氣壓正常與穩(wěn)定和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān) 鍵。而汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)（ TPMS ）毫無疑問將是理想的

2、工具。在客車和輕型卡 車上必須安裝輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便在輪胎氣壓低于規(guī)定值發(fā)出警報(bào)。于是，汽車輪 胎壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用而生。1.2 課題的研究意義1.2.1 輪胎壓力與行車安全輪胎與行車安全息息相關(guān)，近年來汽車安全成為全球汽車界的關(guān)注熱點(diǎn) 2 。汽車 輪胎氣壓過低時(shí)行駛有如下危害：氣壓過低，導(dǎo)致輪胎接地面積增大，胎側(cè)屈撓點(diǎn)改 變，外層伸張，內(nèi)層壓縮，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。在氣壓過低的情況下繼續(xù)行駛，造成胎側(cè) 內(nèi)壁簾布損壞、胎肩和胎體脫離、胎里和胎體碾傷。輪胎內(nèi)壓長期低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓，胎 體變形，屈撓變形次數(shù)增多或移位導(dǎo)致過度疲勞生熱，兩胎側(cè)簾線脫層松散；氣壓過 高，輪胎的負(fù)荷能力和氣壓的增加，輪胎各部位的變

3、形和所受的內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)增加， 如果氣壓過高，迫使胎面中部產(chǎn)生更大的凸變，胎面弧高進(jìn)一步增大，胎體簾線和胎 面膠都處于過度伸張狀態(tài)， 內(nèi)應(yīng)力增大， 胎面與地面的接觸面積減小， 單位壓強(qiáng)增加， 導(dǎo)致行駛面中部的磨損進(jìn)一步加劇。1.2.2 輪胎壓力與使用壽命汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪胎的使用壽命，在很大程度上和輪胎的使用條件、車輛的技術(shù)性能、駕駛員的 操作水平以及企業(yè)對(duì)輪胎的管理工作質(zhì)量等有直接的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)的氣壓是輪胎的生 命，因此在使用過程中充氣壓力的過低或過高都會(huì)直接縮短他的壽命，甚至引發(fā)安全 事故隱患。氣壓是輪胎的重要因素，它左右著輪胎的使用壽命和各種特性，汽車輪胎 壓力監(jiān)視系統(tǒng)將可時(shí)刻監(jiān)視輪胎壓

4、力狀況；保持行駛中車輛每個(gè)輪胎壓力足夠，防止 輪胎爆胎以便行車安全；并且還可節(jié)省燃油以及延長輪胎壽命。1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 國外發(fā)展?fàn)顩r由于國外立法較早，開發(fā)生產(chǎn)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (TPMS)較為成熟 3。主要 生產(chǎn)商有加拿大斯馬輪胎設(shè)備公司、固特異輪胎橡膠公司、米其林集團(tuán)公司、日本橫 濱公司等。迄今為止，國外己有許多車型裝配了 TPMS。從 2002年以后發(fā)布的世界新 車資料中可以看到，美國福特公司的林肯大陸、戴姆勒 克萊斯勒公司等知名汽車廠 商在多種新車中都預(yù)裝了 TPMS。許多歐洲的汽車廠商也已將 TPMS 配裝于其高檔車 型，包括寶馬公司的 Z8，歐寶公司

5、 2002年版威達(dá)、旁蒂亞克的旗艦產(chǎn)品 Bon Neville SE 等。 2007年已經(jīng)到達(dá)美國法律強(qiáng)制安裝汽車 TPMS的時(shí)間國外很多普通車型都已安裝 TPMS。例如：奔馳 -CUK、C、E、G、M、SL、SLK 、S、系列，寶馬 -3、5、6、7、 X3、 X5、 Z4、系列，別克 -林蔭大道、榮御、君越。例如： MPXY8300 是同類中的首款可以在單個(gè)封裝內(nèi)提供電容傳感器技術(shù)、壓力 傳感器、 8位 S08微控制器 (MCU) 、射頻 (RF)發(fā)射器和雙軸 (X和Z軸)加速計(jì)的全面集 成產(chǎn)品； SP30整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力與加速度傳感器、 溫度傳感器和一個(gè)電池 電壓監(jiān)測(cè)器并內(nèi)置

6、8位哈佛結(jié)構(gòu) RISC MCU和2D通道的低頻 (LF)接口，且消耗的電流僅 0.4 uA ；NPXII 集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低 功耗8位RISC處理器以及一個(gè)低頻喚醒輸入級(jí)，滿足了系統(tǒng)各方面的性能要求4 。1.3.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r由于目前國家沒有強(qiáng)制性規(guī)定必須安裝 TPMS裝置，載貨汽車的所有權(quán)大多屬于 貨運(yùn)公司，載貨汽車輪胎數(shù)量多，安裝 TPMS裝置費(fèi)用高昂，一般貨運(yùn)公司不愿意承太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）擔(dān)如此高的費(fèi)用。而家用轎車輪胎使用環(huán)境遠(yuǎn)比載貨汽車好，且城市路面質(zhì)量高，輪 胎可能造成的威脅比較小， 私家車主通常不夠重視。 因此無論前裝市場(chǎng)還

7、是后裝市場(chǎng)， TPMS都處于尷尬的地位 5 。目前中國輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)市場(chǎng)還處于產(chǎn)品完善和市場(chǎng) 起步階段，整套系統(tǒng)價(jià)格還比較高，而且產(chǎn)業(yè)化配套的市場(chǎng)也沒有大規(guī)模啟動(dòng)。根據(jù) 以上情況本論文設(shè)計(jì)一款成本低廉，可靠性高的 TPMS 。1.3.3 TPMS 發(fā)展趨勢(shì)未來的 TPMS模塊將向高度集成化、單一化、無線、無源化方向發(fā)展。高集成度芯 片可以降低功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。目前己經(jīng)有了如 GENPX2那樣的將所需測(cè)試各物理量的傳感器與 MCU 合二為一的智能傳感器模塊 6。 在未來幾年內(nèi)還會(huì)開發(fā)出包含 RF發(fā)射芯片三合一的模塊， 包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供 電的四合一的模塊 （例

8、如 GE準(zhǔn)備推出的 NPX3）。1.4 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理及分類1.4.1 間接式 TPMS 系統(tǒng)間接式 TPMS不需要另外安裝傳感器。它主要通過建立輪胎壓力與車輪轉(zhuǎn)速或輪胎的周向扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系模型來間接求出輪胎壓力。目前主流間接式TPMS是借用ABS中的輪速傳感器來獲得 4個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速 7。當(dāng)某個(gè)輪胎的氣壓下降時(shí)， 滾動(dòng)半徑減 小，車輪轉(zhuǎn)速相應(yīng)增大。 系統(tǒng)通過比較兩條對(duì)角線上車輪轉(zhuǎn)速的總和 （右前和左后輪速 的總和與左前和右后輪速的總和 ）來判斷是否出現(xiàn)氣壓下降。 這是因?yàn)樵谲囕v任意角度 的轉(zhuǎn)向中，外側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)速一定比內(nèi)側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)速高。如果把其中某個(gè)車輪的輪速和 另外3個(gè)車輪的輪速分別比較

9、，由于在轉(zhuǎn)彎或曲線行駛時(shí)，外側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)速比內(nèi)側(cè)輪 胎的高，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警。目前主流間接式 TPMS存在明顯的缺陷，這主要表現(xiàn)在：1） 當(dāng)前間接式的 TPMS 系統(tǒng)必須比較處于對(duì)角線上的兩輪速度之和，不能比較前 后兩車輪的速度。2） 當(dāng)4個(gè)輪胎同樣胎壓不足時(shí)或者同一軸上兩輪， 同一邊的兩輪同樣胎壓不足時(shí)， 系統(tǒng)不能夠監(jiān)測(cè)出來，而只能當(dāng)兩輪處于對(duì)角線上能監(jiān)測(cè)出來；當(dāng)速度超過 100 km/h汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的情況時(shí)，系統(tǒng)就不能夠正常工作了；只有在單個(gè)輪胎或?qū)蔷€上的兩個(gè)輪胎以及 3 個(gè)輪胎的氣壓低于其他輪胎氣壓的 30以上，才能監(jiān)測(cè)到低壓現(xiàn)象。NHTSA 在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，使用目前間接型 T

10、PMS的輪胎，在處于明顯低壓狀態(tài)時(shí)，只有 占調(diào)查總數(shù)的 50發(fā)生了報(bào)警，而直接型 TPMS 都能發(fā)出報(bào)警。1.4.2 直接式 TPMS 系統(tǒng)直接式TPMS系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎氣壓， 并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視。當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。它 主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的 TPMS發(fā)射模塊和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的 TPMS接收模塊組 成。 TPMS發(fā)射模塊包括：氣壓、溫度傳感器和信號(hào)處理單元、 RF發(fā)射器。 TPMS接收模 塊包括： RF接收器、信號(hào)處理單元、 LeD顯示器8 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1.1所示信號(hào)信號(hào)信號(hào)接信號(hào)處理發(fā)射收 Rx處理Tx（RF）

11、(RF）氣體傳感LCD顯示器圖1.1 直接式 TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖氣壓傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送給信號(hào)處 理單元 （MCU） ；信號(hào)處理單元對(duì)這些信號(hào)調(diào)制成曼切斯特編碼后，傳送給信號(hào)發(fā)射芯 片（RF發(fā)射器）；射頻發(fā)射芯片以一定的頻率 （通常為315 MHz或433 MHz） 和調(diào)制方式太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）（通常為 FSK）將信號(hào)發(fā)射出去。位于汽車駕駛臺(tái)上的信號(hào)接收芯片 （RF接收器 ）接收由 發(fā)射器發(fā)射來的射頻信號(hào)，并對(duì)其解碼后傳送給信號(hào)處理單元 （MCU） ；信號(hào)處理單元 檢查數(shù)據(jù)幀后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并與輪胎氣壓閥值進(jìn)行比較。如果出現(xiàn)異常，指

12、示 燈或液晶顯示器會(huì)顯示報(bào)警。相比于間接式 TPMS，直接式 TPMS有著很多優(yōu)點(diǎn)，如能在任意瞬時(shí)監(jiān)測(cè)到 4個(gè)輪 胎內(nèi)氣壓大小，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度都要比間接式的要高。但它有不可避免的存在著一 些弊端 9 ，比如，安裝在4個(gè)輪胎內(nèi)氣壓傳感器， 信號(hào)處理單元和發(fā)射模塊會(huì)打破輪胎 原先的動(dòng)平衡，在惡劣潮濕的環(huán)境下，輪胎內(nèi)的電池會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，使得系統(tǒng)使用 年限縮短。由上述直接式 TPMS 的優(yōu)缺點(diǎn)可知提高直接式 TPMS性能的關(guān)鍵在于： 節(jié)約功耗特別是裝在輪胎內(nèi)部的發(fā)射模塊。發(fā)射模塊在輪胎內(nèi)部，不易更換 電池。功耗的高低及電池的電量，直接關(guān)系到直接式 TPMS的壽命。 傳感器的工作性能，應(yīng)保證其在輪胎

13、內(nèi)部惡劣的環(huán)境中仍能正常工作。 無線通信的可靠性，汽車在行駛時(shí)對(duì)于無線傳輸不利，應(yīng)通過有效編碼，校 驗(yàn)等使發(fā)射與接收模塊準(zhǔn)確通信。由以上對(duì)兩種 TPMS得分析可知，直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是 TPMS 發(fā)展的主 流。1.5 論文主要工作概述本文主要講述了直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)方案及實(shí)現(xiàn)過程。根據(jù)研究內(nèi) 容，全文共分為七章。第一章 介紹了課題提出的背景，對(duì)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用、分類及發(fā)展?fàn)顩r 進(jìn)行了闡述。第二章 分析輪胎爆胎的因素及工況，提出系統(tǒng)應(yīng)測(cè)量輪胎氣壓這個(gè)參數(shù)，并得 出系統(tǒng)的報(bào)警的閥值，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。第三章 介紹本系統(tǒng) TPMS的總體設(shè)計(jì)包括總體布置、 各模塊的

14、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 輪胎模 塊安裝、主要器件的選擇。第四章 本章為系統(tǒng) TPMS的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)， 包括器件工作原理的介紹， 外圍電路 的設(shè)計(jì)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第五章 本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng) 按功能分為幾個(gè)模塊，對(duì)各模塊分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第六章 本章進(jìn)行了系統(tǒng)仿真測(cè)試。對(duì)壓力測(cè)量功能及無線通信功能等系統(tǒng)主要 功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。第七章 總結(jié)與展望太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）2 輪胎爆胎因素分析2.1 輪胎結(jié)構(gòu)分析輪胎大體可以分為有內(nèi)胎與無內(nèi)胎的兩種基本形式。 目前，轎車已廣泛使用無內(nèi) 胎輪胎，一些新型載重汽車已開始使用無內(nèi)胎輪胎，但目前的應(yīng)用

15、尚不十分普遍。這 主要有兩個(gè)原因：一是很多司機(jī)局限于以往的經(jīng)驗(yàn)和眼前需要，不愿更換；另一是無 內(nèi)胎輪胎需要安裝在深式輪輞上，而這種深式輪輞與目前所用的輪輞不能互相替換。 因此運(yùn)輸公司為了換用無內(nèi)胎輪胎存在著投資損耗和編制問題， 從而使無內(nèi)胎輪胎在 載重汽車上的普遍使用受到了限制。 但是無內(nèi)胎輪胎在諸多方面的優(yōu)勢(shì)使它成為輪胎 的發(fā)展趨勢(shì)，相信在不久無內(nèi)胎輪胎將會(huì)在各種車輛上得到廣泛得應(yīng)用。無內(nèi)胎輪胎的結(jié)構(gòu)如圖 2.1所示10 ，由氣密層、密封膠和特殊結(jié)構(gòu)的胎圈等部分 構(gòu)成。氣密層是貼于胎里表面并延伸至胎圈底部的一層厚約 0.5 3mm的膠層，其作用 是防止壓縮空氣滲入胎體引起脫層。由于它與胎體形

16、成一體，并不像內(nèi)胎那樣受到拉 應(yīng)力，所以受傷后并不會(huì)迅速擴(kuò)大裂口， 使氣壓下降。 無內(nèi)胎輪胎胎圈底部斜度較大， 胎圈直徑較輪毅直徑小 （轎車輪胎小 1 1.5mm，載重車輪胎有時(shí)小 4mm），與輪轂邊緣 相接觸的 “密封膠”部位的曲率較輪輞邊緣曲率大，因此胎圈能與高精度的帶有金屬氣 門嘴的輪輞之間形成可靠的密封。圖 2.1 無內(nèi)胎輪胎結(jié)構(gòu)示意圖1一橡膠密封層 2 一氣密層 3 一槽紋 4 一輪輞 5 一氣門 6 一密封膠 由無內(nèi)胎輪胎結(jié)構(gòu)可知，無內(nèi)胎輪胎具有以下優(yōu)點(diǎn)： 在汽車批量生產(chǎn)中，輪胎安裝更簡單，更快捷。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 氣密性能好，輪胎受小的損傷時(shí)能自動(dòng)封閉。 減少汽車因輪胎故障在

17、路上停留時(shí)間 ( 不必更換內(nèi)胎，修理時(shí)輪胎不必從輪轂 上卸下來，修理簡單 ) 沒有內(nèi)胎和襯墊，結(jié)構(gòu)簡單，且沒有內(nèi)胎與簾布層的摩擦，提高輪胎壽命。 本文正是基于無內(nèi)胎輪胎設(shè)計(jì)的一款輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 無內(nèi)胎輪胎的良好應(yīng)用 前景也為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了保障。2.2 輪胎爆胎主要原因分析爆胎，是輪胎不能承受胎內(nèi)氣體壓力而產(chǎn)生的瞬間破裂現(xiàn)象即胎壓相對(duì)輪胎強(qiáng)度 過高。爆胎大致可分為以下三種情況：(1) 胎壓不足時(shí)，輪胎遇到異物，異物刺入胎中引起爆胎。(2) 胎壓過高，超載或高速行駛，胎內(nèi)溫度上升，胎內(nèi)氣體膨脹，引起爆胎。(3) 輪胎過渡磨損，胎壓稍高或胎溫上升，胎內(nèi)氣體膨脹，引起爆胎。(4) 胎溫過高，輪

18、胎橡膠性能變化，胎內(nèi)氣體膨脹，引起爆胎。2.2.1 輪胎胎壓過低輪胎胎壓過低的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 輪胎的氣壓低時(shí)，輪胎向里彎曲，胎面的中部負(fù)荷要小一些，而胎面的邊緣 負(fù)荷急劇增加，使材料應(yīng)力增大，這種現(xiàn)象為 “橋式效應(yīng) 。產(chǎn)生“橋式效應(yīng) 時(shí)，胎面 磨損不均勻，胎面的邊緣嚴(yán)重磨損。同時(shí)，胎面的中部幾乎保持不變。這種不均勻磨 損使輪胎壽命降低。 另外此種情況下， 輪胎滾動(dòng)時(shí)肩部產(chǎn)生的溫度比輪胎其他部分高， 由于生熱而溫度增高，更加促使胎面邊緣磨耗加速。(2) 當(dāng)輪胎充氣不足時(shí)， 輪胎的側(cè)壁也就會(huì)承受過大的壓力， 這樣可以產(chǎn)生大量 的熱量以致造成輪胎的損壞。(3) 若輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)

19、值過多時(shí)，輪胎下沉，輪胎與路面接觸面積增大，阻力 上升，摩擦增加。隨之，溫度升高，胎面橡膠變軟，輪胎強(qiáng)度下降；車輛行駛速度越 快，這些變化越明顯，爆胎也越容易發(fā)生。太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )2.2.2 輪胎胎壓過高輪胎胎壓過高的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 當(dāng)輪胎內(nèi)氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值 (過壓 )時(shí)，內(nèi)壓增加使輪胎剛性增大，相同載荷 下的變形減小，內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)增加。因此胎面膠的橡膠分子鏈長期處于高度伸張應(yīng)力 狀態(tài)下，其耐磨性顯著下降。導(dǎo)致胎面膠，特別是胎面中部磨損加速。(2) 從輪胎結(jié)構(gòu)看， 胎冠頂部簾布層處于行駛面中心部位即胎面中部， 胎內(nèi)氣壓對(duì) 輪胎的向外擴(kuò)張作用力在胎面中部達(dá)到

20、最大值。輪胎氣壓過高的情況下，輪胎簾布將 受到伸張變形，會(huì)引起輪胎彈性下降、剛性增強(qiáng)、動(dòng)載加劇、接地面積小、單位面積 負(fù)荷增大，導(dǎo)致胎冠頂部過渡磨損。(3) 輪胎氣壓過高時(shí)，增加輪胎打滑及遇到?jīng)_擊時(shí)被割傷的危險(xiǎn)。(4) 輪胎氣壓超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，輪胎彈性下降，緩沖性能下降，當(dāng)行駛中受到較大沖 擊時(shí)，輪胎承受不了過高的壓力就容易爆胎。車輛行駛速度越快，跳動(dòng)越大，輪胎受 到的沖擊也越大，爆胎就容易發(fā)生。2.3 報(bào)警閥值分析總結(jié)本章以上各節(jié)分析可知引起爆胎的因素主要有：胎壓過高(過壓 )、胎壓過低(欠壓 )及胎溫過高。欠壓和過壓對(duì)輪胎性能的影響如圖 2.2所示。圖 2.2 欠壓和過壓對(duì)輪胎性能的影響由圖

21、2.2 可知，如果輪胎壓力超過標(biāo)準(zhǔn)的 20，輪胎應(yīng)力就會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn) 22, 這將汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使輪胎應(yīng)力一應(yīng)變狀況急劇惡化，并可能由此引發(fā)爆胎事故。圖 2.3反映了輪胎壓力對(duì)輪胎壽命的影響 4。若輪胎一直按標(biāo)準(zhǔn)胎壓行駛，則其壽命可達(dá)到最大值。這僅僅是一種理想情況，當(dāng)胎壓保持在標(biāo)準(zhǔn)值的 80 120之間，輪胎壽命保持在最大值的 90以上。當(dāng)胎壓超過這個(gè)范圍， 輪胎壽命就會(huì)大幅度減小。圖 2.3 輪胎壓力對(duì)其壽命的影響經(jīng)過分析為本文所設(shè)計(jì)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低壓報(bào)警閥值為標(biāo)準(zhǔn)胎壓的80，高壓報(bào)警閥值為標(biāo)準(zhǔn)胎壓的 120，高溫報(bào)警閥值為 85。2.4 本章小結(jié)本章介紹了輪胎的分類以及發(fā)展趨勢(shì)

22、， 著重闡述了無內(nèi)胎輪胎的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用前 景，指出了無內(nèi)胎輪胎的廣泛應(yīng)用是必然趨勢(shì)。同時(shí)，本章并對(duì)爆胎因素及工況進(jìn)行 詳細(xì)分析，得到引起爆胎的主要因素：胎壓過高、胎壓過低及胎溫過高。并且根據(jù)輪 胎壓力與輪胎性能的曲線關(guān)系、 輪胎壓力和壽命的曲線關(guān)系以及輪胎溫度對(duì)輪胎性能 的影響判斷出輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理的報(bào)警閥值。10太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )3 TPMS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)研究3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要作用是對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，報(bào) 警提醒駕駛員采取措施，屬于事前報(bào)警措施，防范于未然。本文要設(shè)計(jì)一款用于無內(nèi) 胎輪胎上的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于直接式 TPM

23、S。設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：總體方案設(shè) 計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)測(cè)試等 。直接式 TPMS系統(tǒng)分為輪胎模塊和接收?qǐng)?bào)警模塊。 輪胎模塊直接安裝在輪胎內(nèi)部， 工作環(huán)境非常惡劣。由于輪胎工作在室外溫差特別大，在 -40 125溫度范圍內(nèi)輪 胎模塊要能正常工作而且要能抗高壓，潮濕及高溫。它的體積和重量也受到了限制， 體積要能滿足在輪胎內(nèi)有限空間內(nèi)安裝，重量要盡量不引起輪胎的不平衡。所以不能 選用大的電源來供電，同時(shí)要求模塊長時(shí)間工作，在一塊鋰離子電池供電的情況下， 使用壽命要達(dá)到 3-5年，因而要減少發(fā)射模塊的功耗。輪胎模塊設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到如下要求：(1) 體積小，重量輕，便于保持輪胎的平衡。在成本允許的條

24、件下盡量采用集成 度高的芯片。(2) 功耗低、時(shí)效長，尤其是測(cè)量與發(fā)射模塊的功耗要盡可能的低，因?yàn)檩喬サ?封閉環(huán)境不便于更換電池。使用壽命要達(dá)到 4 5年。(3) 射頻收發(fā)時(shí)抗干擾和抗噪聲的效果要好，發(fā)射的有效距離要適當(dāng)。要采用軟 硬件抗干擾措施保證輪胎模塊正常工作。(4) 壓力測(cè)量的精度要達(dá)到一定要求，以便能準(zhǔn)確報(bào)警。(5) 同時(shí)要安裝簡單，更換方便。3.2 輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)上一節(jié)對(duì)輪胎爆胎機(jī)理、因素及工況的分析，提取出系統(tǒng)需測(cè)量的輪胎參數(shù) 胎內(nèi)壓力。所以輪胎模塊應(yīng)包括：壓力傳感器和無線發(fā)射模塊。傳感器用于測(cè)量胎內(nèi) 氣壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。但鑒于輪胎模塊對(duì)功耗的要求，以及發(fā)射芯片在發(fā)射

25、數(shù)據(jù)時(shí)的功 耗相對(duì)比較大，本系統(tǒng)在輪胎模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)氣壓超過報(bào)警閥值時(shí)再發(fā)射數(shù) 據(jù)，來減小輪胎模塊功耗。無線發(fā)射模塊包括發(fā)射芯片和天線，用于將處理過的輪胎 壓力值發(fā)射出去。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采 樣 壓 力 值數(shù)據(jù)編碼發(fā) 射 數(shù) 據(jù)圖 3.1 輪胎模塊設(shè)計(jì)方案3.3 接收?qǐng)?bào)警模塊設(shè)計(jì)方案接收?qǐng)?bào)警模塊用于接收數(shù)據(jù)、 數(shù)據(jù)再處理及顯示報(bào)警。 接收?qǐng)?bào)警模塊的接收數(shù)據(jù) 主要由微控制器控制接收模塊完成。數(shù)據(jù)再處理包括：輪胎 ID校驗(yàn)、 CRC數(shù)據(jù)循環(huán)冗 余碼校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)解析。通過蜂鳴器和 LED 燈進(jìn)行聲光報(bào)警， LCD 顯示輪胎標(biāo)識(shí)、氣 壓值、溫度值和輪胎狀態(tài)。接收?qǐng)?bào)警模塊具體設(shè)計(jì)方案如圖 3

26、.2所示 12。接收模塊接 收 數(shù) 據(jù)輪 胎 ID 校 驗(yàn)微控制器本 車 輪 胎校 驗(yàn) 通 過駕駛員手動(dòng)復(fù)位蜂鳴器鳴叫指示燈紅燈閃爍12太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）圖 3.2 接收?qǐng)?bào)警模塊設(shè)計(jì)方案當(dāng)接受報(bào)警模塊沒有接收到數(shù)據(jù)，蜂鳴器不叫，綠燈亮。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，微控 制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，將進(jìn)行顯示和報(bào)警。當(dāng)駕駛員注意到輪胎異常時(shí)可進(jìn)行處理 并按復(fù)位按鈕，使系統(tǒng)回到未接收到數(shù)據(jù)即輪胎正常工作狀態(tài)。3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要指接收?qǐng)?bào)警模塊與人交互的界面設(shè)計(jì) 13 。當(dāng)輪胎正常工作時(shí)輪 胎模塊顯示正常工作界面，如圖 3.3所示。 LCD顯示OK，綠燈亮，蜂鳴器不叫 。圖 3.3

27、輪胎正常接時(shí)收?qǐng)?bào)警模塊工作界面當(dāng)輪胎模塊接收到輪胎溫壓數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)校驗(yàn)成功后，表示輪胎已處于異常狀態(tài)，進(jìn)入報(bào)警界面如圖 3.4 所示，紅燈閃爍，綠燈滅，蜂鳴器鳴叫。輪胎標(biāo)識(shí)13汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖 3.4 輪胎異常時(shí)接收?qǐng)?bào)警模塊報(bào)警界面3.5 器件的選擇根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要由壓力傳感器、發(fā)射芯片、接收芯片、微控制器及電源等器件組成。下面各小節(jié)詳細(xì)介紹各器件的選擇。3.5.1 微控制器的選擇本系統(tǒng)的微控制器選用的是 ATMEL 公司的AT89S53單片機(jī)，其為 MCS5 1增強(qiáng)型8位單片機(jī)。其具體性能與 MCS-51比較如表 3.1：表3.1 AT89S53 單片機(jī)與 MC-51單

28、片機(jī)比較機(jī)型MCS-51ATS89S53是否與 MCS-51產(chǎn)品兼容是是片內(nèi) Flash/KB48中斷源58定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器 /個(gè)2（16位）3（ 16位）低休閑和降壓模式無有SPI接口無有可編程監(jiān)視器（看門狗）無有雙數(shù)據(jù)指針無有由上表可看出 AT89S53與MCS-51單片機(jī)相比性能有很大的提高，如片內(nèi) Flash容 量增加到 8KB ，并且可進(jìn)行在線程序下載，便于系統(tǒng)開發(fā)。靜態(tài)頻率為033MHz ，大大拓寬了工作頻率和運(yùn)算速度，同時(shí)具有 SPI接口，方便于傳感器通信，可編程看 門狗，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。其工作性能完全符合軍品標(biāo)準(zhǔn)，在一55 125范圍內(nèi)可以正常工作，同時(shí)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，

29、可以節(jié)省電能。3.5.2 壓力傳感器的選擇14太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )傳感器是整個(gè) TPMS系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和發(fā)射是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的 決定因素。其工作環(huán)境的特殊性又為傳感器的選擇增加了難度。輪胎模塊工作在劇烈 振動(dòng)、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時(shí)檢修的工作場(chǎng)合。汽車輪胎獨(dú)特的工作環(huán)境， 決定了對(duì)輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓力傳感器的高要求：寬工作溫度區(qū)間、寬電源電壓范 圍內(nèi)較高的精度和可靠性及低功耗。本系統(tǒng)采用的是一種基于 MEMS 技術(shù)的單體壓力傳感器 14，主要包括硅集成式壓 力檢測(cè)單元、 SPI串行數(shù)據(jù)接口、模擬值比較電路及待機(jī)喚醒電路等。 MPXY8020A 滿 足輪胎模塊特

30、殊工作環(huán)境對(duì)傳感器的要求，其具體工作性能及特點(diǎn)如下：(1) 集成度較高，有利于減少輪胎模塊寶貴的空間資源和減輕輪胎模塊的質(zhì)量， 減少安裝輪胎模塊后的輪胎不平衡性。(2) 壓力檢測(cè)范圍為 0KPa 637KPa，能滿足系統(tǒng)對(duì)溫度和壓力檢測(cè)范圍的要求。(3) 采用 SSOP封裝可提供強(qiáng)大的介質(zhì)保護(hù)，體積小巧，抗干擾能力強(qiáng)。(4) 功率低、耗電量小，其能量損耗可以通過外部引腳選擇工作模式進(jìn)行控制。(5) 具有喚醒功能通過 RST弓 腳在每隔大約 52分鐘，輸出一低脈沖。 它是針對(duì)輪 胎壓力檢測(cè)環(huán)境，設(shè)置的一個(gè)功能，可以用來復(fù)位微控制器等外部設(shè)備，以防止在輪 胎環(huán)境中造成輪胎模塊不正常工作，起到類似看

31、門狗的作用。(6) 傳感器的工作環(huán)境比較惡劣， 在不同溫度和不同信號(hào)供電電壓等情況下測(cè)量 結(jié)果會(huì)產(chǎn)生漂移。 MPXY8020A 具有校準(zhǔn)功能 。可以對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)。 由以上分析可知 MPXY8020A 滿足本系統(tǒng)的測(cè)量要求。3.5.3 發(fā)射芯片的選擇TPMS的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為 315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為 433.92MHz，韓國為 448MHz， 已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為 868MHz。目前國內(nèi)尚無此標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)無線電頻率分配，本 系統(tǒng)選擇符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)又與國內(nèi)已分配的無線電頻率不沖突的 433.92MHz 作為發(fā)射頻 率。另外對(duì)發(fā)射功率也有要求，發(fā)射功率不能超過 10dBm，否則要接受無

32、線電管制。 數(shù)字調(diào)制方式有三種基本方式，分別是幅移鍵控 (ASK) 、相移鍵控 (PSK)和頻移鍵控 (FSK)。其中 FSK抗干擾性較好。因此，本系統(tǒng)應(yīng)選具有 FSK調(diào)制功能的無線發(fā)射芯片 作為輪胎模塊的發(fā)射芯片。經(jīng)過以上分析本系統(tǒng)采用 MC33493作為輪胎模塊的無線發(fā)射芯片。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3.5.4 接收芯片的選擇MC33594是MOTOROLA 一款用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹山邮掌?，具?FSK解調(diào)、 識(shí)別字和音頻檢測(cè)等功能。其工作頻帶為 315MHz 和434MHz；數(shù)據(jù)速率為 1 10.6kbaud（即110.6kb/s）；RF靈敏度為一 105dBm；中頻帶寬 500KHz 。

33、MC33594最快 喚醒時(shí)間為 lms。根據(jù)以上所述 MC33594的特性可知其可與 MC33493配套使用， 作為本系統(tǒng)的接收 器，同時(shí)其喚醒時(shí)間、靈敏度及帶寬也滿足本系統(tǒng)要求。所以本系統(tǒng)在接收?qǐng)?bào)警模塊 中選擇 MC33594作為接收芯片。3.5.5 輪胎模塊供電電池的選擇輪胎模塊的電源直接關(guān)系到輪胎模塊的壽命，甚至整個(gè)系統(tǒng)的壽命和可行性。由 于輪胎模塊是安裝在輪胎內(nèi)部，無法利用汽車電源，只能采用電池供電。輪胎模塊工 作條件非常惡劣，既要耐高低溫，還要能抗擊震動(dòng)、離心力作用、高氣壓和潮濕等。 這就對(duì)選作輪胎模塊的電源的電提出了更高的要求。準(zhǔn)軍工級(jí)類產(chǎn)品才能達(dá)到要求。目前工業(yè)用電池主要有三類：

34、鋰亞電池、鋰錳電池及鋰氟電池。三種電池的特性 比較如表 3.2表3.2 鋰亞電池、鋰錳電池及鋰氟電池特性比較品種空載電壓負(fù)載電壓放電電壓自放電特性高溫特性能量體積比瞬間放電脈沖價(jià)格及廠家鋰亞3.6V3.4V平穩(wěn)極低都好最高小適中鋰錳3.0V2.8V傾斜低低溫放電快高較大低價(jià)鋰氟3.0V2.8V傾斜小低較好高較大價(jià)高從表 3.2可以看出鋰亞電池各項(xiàng)性能優(yōu)越， 具有輸出電壓平穩(wěn)、 自放電低能量、 體 積比高等優(yōu)點(diǎn)。滿足 TPMS對(duì)電池的要求。16太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）3.6 本章小結(jié)本章首先進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)包括：任務(wù)分析，輪胎模塊方案設(shè)計(jì)，接收?qǐng)?bào)警模塊 方案設(shè)計(jì)。并確定了系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

35、、人機(jī)界面、輪胎模塊安裝方式及主要元器件 選擇。17汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4 TPMS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 電源模塊設(shè)計(jì)4.1.1 發(fā)射電源模塊的設(shè)計(jì)市場(chǎng)上鋰亞電池的輸出電壓為 3.6V 可以直接為輪胎模塊的 RF發(fā)射芯片的供電，但 輪胎模塊的微控制器的供電電壓為 5V 。這就需要一電壓變換電路使電池可以為微控制 器供電。本系統(tǒng)采用的是一具有充電泵的升壓式 PWM 型DC/DC變換器集成電路芯片 TPS6011016。它的輸入電壓范圍為 2.7V5.4V，輸出電壓為 5（14）V 。外部僅需 4 個(gè)元器件便可構(gòu)成一完整的低噪聲 DC/DC 變換器應(yīng)用電路。 輪胎電源模塊的具體電路設(shè)計(jì)如圖 4.1

36、：圖 4.1 輪胎電源模塊電路圖4.1.2 接收電源模塊的設(shè)計(jì)接收?qǐng)?bào)警模塊是安裝在駕駛室內(nèi)的， 可以利用汽車電源供電。 但絕大多數(shù)汽車電 源電壓為 12V，并且電壓波動(dòng)范圍大，干擾大。 而接收?qǐng)?bào)警模塊需要的是 5v穩(wěn)定電源， 必需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓。本設(shè)計(jì)中采用線性三端穩(wěn)壓器件來完成這一功能。線性三 端穩(wěn)壓器件具有使用方便、調(diào)整率高、波紋抑制大優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中具體選用 LM7805CT 型號(hào)線性三端穩(wěn)壓器。它的輸入電壓為 725V，輸出為 5v，滿足本系統(tǒng)需要。設(shè)計(jì)電 路如下圖 4.2:18太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）圖 4.2 電源模塊原理電路圖4.2 輪胎模塊硬件電路設(shè)計(jì)輪胎模塊是本系統(tǒng)的

37、重要部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。硬件設(shè)計(jì)是 輪胎模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)及關(guān)鍵。由于輪胎模塊安裝在輪胎內(nèi)部，這就對(duì)其硬件的體積、 重量、自我防護(hù)、功耗、可靠性以及電磁兼容性等方面都有很高的要求。發(fā)射模塊 硬件設(shè)計(jì)輪胎模塊硬件設(shè)計(jì)電池模塊硬件設(shè)計(jì)傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)圖 4.3 輪胎模塊硬件結(jié)構(gòu)圖4.2.1 壓力傳感器監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)19汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本系統(tǒng)采用的是 Freescal的針對(duì)輪胎環(huán)境設(shè)計(jì)的溫度壓力集成傳感器 MPXY8020A 17 ，如圖 4.4。圖 4.4 壓力集成傳感器 MPXY8020A氣壓信號(hào)的采集需兩步完成：首先是電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后電容放大器 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

38、電容放大器帶有溫度補(bǔ)償電路， 并且偏移量可調(diào)， 可通過 EEPROM 寄存器中的校準(zhǔn)值進(jìn)行校準(zhǔn)。氣壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)由電壓比較器完成，其把測(cè)量的電壓值 與 D/A 寄存器內(nèi)的 8 位極限值進(jìn)行比較，在 OUT 引腳輸出比較后的結(jié)果。如果采樣 電壓大于 D/A 寄存器內(nèi)的極限值，則 OUT 引腳輸出高電平，反之，輸出低電平。4.2.2 發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的無線發(fā)射芯片采用的是 MC3349318 。它內(nèi)部包含有發(fā)射功率放大器， 晶 體振蕩器，壓控振蕩器， PFD(鑒相鑒頻器 )和電源電路等部分。該芯片還集成了由壓 控振蕩器 (VCO) 、分頻器和相位檢波器等組成的鎖相環(huán) (PLL) 合成器。4.3

39、 接收?qǐng)?bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)接收?qǐng)?bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括：電源模塊的電路 設(shè)計(jì)、接收模塊電路設(shè)計(jì)以及報(bào)警顯示模塊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)圖如圖 4.5 所示。20太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）圖4.5 接收?qǐng)?bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)4.3.1 接收電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)接收芯片采用的是與發(fā)射芯片 MC33493配套的 MC33594。MC33594是 個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹山邮掌鳎酒?660KHz中頻帶通濾波器、完全集成的 VCO 、可消除鏡像的混頻器和完整結(jié)構(gòu)的 SPI接口。并有內(nèi)部和外部選通端，只需很 少的外部元器件就可構(gòu)成應(yīng)用電路。圖中DSl為紅色 LED燈，當(dāng)有輪胎出現(xiàn)異常時(shí)閃爍， 用單

40、片機(jī) P2.2引腳對(duì)其控制DS3為綠色 LED燈，當(dāng)輪胎正常時(shí)亮，異常時(shí)滅，用單片機(jī) P2.0引腳對(duì)其控制。 LCD 模塊數(shù)據(jù)線與 P0口相接，用于單片機(jī)向其傳輸數(shù)據(jù)。具體應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如下圖 4.6所示圖 4.6 MC33594 應(yīng)用電路 圖中C8和R7的值決定選通振蕩器的周期， 取C8，R7值分別為 68nF和470千歐保證 選通振蕩器周期為 3.8ms。 C19為FSK調(diào)制低通濾波電容 ，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)速率的取值范 圍如下表 4.1所示：表 4.1 數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇符號(hào)數(shù)據(jù)速率對(duì)應(yīng)電容值單位1.22.44.89.6KBd/s21C19100+10%47+10%22+10%12/10+10%n

41、F汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)22太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）C12、C13和C10為電源的去耦電容取值大小分別為 100nF、100pF和lnF。C18為晶 體DC去耦電容取值為 10nF。以上元器件參數(shù)取值參考 MC33594數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型應(yīng) 用。本系統(tǒng)的無線通信頻率為 434MHz，晶振 Y2應(yīng)取13.580625MHz。晶體負(fù)載電容 C20 應(yīng)取12pF。SCLK 、MOSI，MISO及RESETB引腳均接至單片機(jī) I/O引腳，以便單片機(jī) 對(duì)其控制，并通過 SPI接口與其通信。4.3.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)接收?qǐng)?bào)警模塊用兩個(gè) LED 燈和一個(gè)蜂鳴器來發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。用一個(gè)綠色的 LED

42、燈的常亮表示輪胎正常工作， 壓力無異常。當(dāng)輪胎溫度或氣壓出現(xiàn)異常時(shí)紅燈亮， 蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲音，來提醒駕駛員注意。同時(shí) LCD 將顯示異常輪胎的編號(hào)及其壓力 溫度值。整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)由單片機(jī)控制兩個(gè) LED燈、一個(gè)蜂鳴器及一個(gè) LCD構(gòu)成。 LED燈用 于光報(bào)警當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常綠色 LED燈滅，紅燈閃爍。蜂鳴器用于聲報(bào)警，輪胎出現(xiàn)異 常時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴，正常時(shí)則不發(fā)出聲音。 LCD 則用于顯示異常的輪胎編號(hào)和其壓 力值。具體電路如下圖 4.7所示。4.4 本章小結(jié)23汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 采用模塊化的設(shè)計(jì)方法即把系統(tǒng)按功能分為幾 大模塊，分別對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。本章包括輪胎

43、模塊和接收?qǐng)?bào)警模塊的硬件設(shè)計(jì)。兩 個(gè)模塊均屬于單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)及外圍器件組成。通過單片機(jī)對(duì)外圍器件的控制 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據(jù)外圍器件可將這兩個(gè)模塊再細(xì)分為幾個(gè)小模塊，再對(duì)各小模塊進(jìn) 行電路設(shè)計(jì)，即采用模塊化設(shè)計(jì)方法。其中輪胎模塊硬件設(shè)計(jì)部分詳細(xì)闡述了：電源 部分的電路設(shè)計(jì)、 傳感器模塊外圍電路設(shè)計(jì)、 發(fā)射芯片外圍電路設(shè)計(jì)及發(fā)射天線設(shè)計(jì)， 最后對(duì) PCB板設(shè)計(jì)中的走線原則，抗干擾措施進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)出 PCB板。接收?qǐng)?bào)警模 塊的硬件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要分為：電源模塊電路設(shè)計(jì)、顯示及聲 光報(bào)警電路設(shè)計(jì)、接收芯片外圍電路設(shè)計(jì)。24太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）25汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)

44、系統(tǒng)5 TPMS系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)研究5.1 輪胎模塊軟件設(shè)計(jì)輪胎模塊要完成的功能主要有： 對(duì)各芯片的初始化， 壓力、溫度與極限報(bào)警閥值 的比較，當(dāng)壓力超過極限報(bào)警閥值時(shí)對(duì)壓力進(jìn)行精確采樣、 生成數(shù)據(jù)幀、 發(fā)射數(shù)據(jù)幀。 輪胎模塊軟件序流程圖如圖 5.1所示19 。26太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）輪胎模塊首先進(jìn)行初始化圖，5.再1 進(jìn)輪行胎模壓塊力程閥序值流比程圖較。若壓力超過正常范圍，則延時(shí)10ms，重新進(jìn)行檢測(cè)用于控制檢測(cè)次數(shù)的變量 i加1。重復(fù)檢測(cè) 3次，若3次壓力值均異 常。則在對(duì)壓力進(jìn)行精確采樣，生成數(shù)據(jù)幀，發(fā)射數(shù)據(jù)幀。連續(xù)重復(fù)檢測(cè)可提高報(bào)警 得準(zhǔn)確性，防止誤報(bào)警。5.2 接收?qǐng)?bào)警模塊

45、軟件設(shè)計(jì)5.2.1 主控程序主控程序就是主函數(shù)，通過調(diào)用各子模塊完成系統(tǒng)的工作。接收?qǐng)?bào)警模塊要完成 的主要功能為：各芯片的初始化，配置接收器 MC33594、接收數(shù)據(jù)及聲光報(bào)警。5.2.2 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用 Keil C51語言編寫，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括測(cè)量函數(shù)，中 斷子程序，控制函數(shù)。主程序流程圖如圖 5.2 所示19 。圖 5.2 主程序流程圖27汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)定 T0為定時(shí)器，基本定時(shí)時(shí)間為 50 ms，T1為計(jì)數(shù)器。 IE=0x8a，TMOD=0x51 。 當(dāng) P3.2口為低電平時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志位 flag 變?yōu)?0，開始測(cè)量，利用中斷，每當(dāng)定時(shí)滿 500

46、ms 時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成測(cè)量，狀態(tài)標(biāo)志位 flag 變?yōu)?1，讀取計(jì)數(shù)值，以計(jì)算頻 率，并通過頻率求得壓力。當(dāng) P3.2口為高電平時(shí)，進(jìn)入依據(jù)測(cè)量所得壓力值而進(jìn)行的 對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)象的控制階段。以下給出測(cè)量函數(shù)的程序代碼和T0中斷子程序 20：/ 測(cè)量函數(shù)Void measure()Controll=0xff; / 關(guān)閉控制端口IE=0x8a; / 啟動(dòng) T0,T1TMOD=0x51; / 設(shè)定工作方式TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;/ 基本定時(shí)時(shí)間TH1=0， TL1=0；/ 計(jì)算器歸零TR0=1，TR1=1;/啟動(dòng) T0，T1/

47、T0中斷子程序Void Timer0() interrupt1 TH0= ( 65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;If(+times=10) / times=0; / flag=1; / TR1=0，TR0=0;/DPL=TL1 ;DPH=TH1;Count=DPTR; / freq=2*count; / Pressure=freq-1000 ; /達(dá)到500ms重新計(jì)數(shù)完成測(cè)量關(guān)閉定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 T1,T0計(jì)數(shù)量放入 count 變量求得頻率求得壓力28太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）5.2.3 配置接收芯片當(dāng)寫寄存器是即由 MCU 通過 SPI

48、接口輸出配置值都 MC3359421，硬配置 MCU 位主機(jī)， MC33594 為從機(jī)可以通過查詢 SPIF 位，來查看一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是否發(fā)亮若發(fā) 完將下一字節(jié)數(shù)據(jù)賦給 SPDR，以便發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。 寫MC33594 配置寄存器的程 序流程圖如下圖 5.3 所示：29汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖 5.3 寫 MC33594 配置寄存器的程序流程圖5.3 聲光報(bào)警軟件設(shè)計(jì)當(dāng)接收?qǐng)?bào)警模塊接收到數(shù)據(jù)并校驗(yàn)成功后，要進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒駕駛員注意。 根據(jù)硬件可知 P22控制紅燈，P21控制蜂鳴器。報(bào)警時(shí)，應(yīng)交替賦值 “1、”“0給”P22 使紅燈閃爍，同時(shí) P21 清零，使得蜂鳴器鳴叫。5.4 本章小結(jié)本章

49、詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)， 采用模塊化的設(shè)計(jì)方法即把系統(tǒng)按功能對(duì) 各模塊分別設(shè)計(jì)。本章包括輪胎模塊和接收?qǐng)?bào)警模塊的軟件設(shè)計(jì)，即采用模塊化設(shè)計(jì) 方法。其中輪胎模塊軟件設(shè)計(jì)部分詳細(xì)闡述了：輪胎模塊初始化程序設(shè)計(jì)、閥值比較 及輪胎工作狀態(tài)判斷程序設(shè)計(jì)、獲取壓力精確采樣值程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)幀生成程序設(shè)計(jì) 及發(fā)射數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)。接收?qǐng)?bào)警模塊的硬件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要分 為：主控程序設(shè)計(jì)、接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示報(bào)警程序設(shè)計(jì)。30太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）31汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)6 TPMS 系統(tǒng)的仿真測(cè)試6.1 硬件仿真測(cè)試6.1.1 微控制器模塊調(diào)試微控制器是電路板的核心器件， 首

50、先要保證其能正常工作。 本節(jié)從電源管理電路、 時(shí)鐘電路、復(fù)位電路對(duì)微控制器模塊進(jìn)行調(diào)試。(1) 首先確保 LMlll7.3.3 芯片和LMlll7.1.8 芯片周圍的四個(gè)鉭電容正負(fù)極沒有接反 后，給中央接收處理模塊提供 5V電源，用萬用表測(cè)量這兩個(gè)芯片的輸出端 Vo。電壓應(yīng) 分別為 3.3V和1.8V左右。用示波器觀察這兩個(gè)電源輸出端的紋波。紋波太大會(huì)導(dǎo)致系 統(tǒng)不能正常工作，一般其峰峰值不超過 100mV。本模塊電源輸出紋波峰峰值在 80mV 左右，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。(2) LPC2103使用外部 11.0592MHz的晶振，用示波器測(cè)量晶振兩端，看到示波器 上顯示頻率為 11.0592

51、M的正弦波，表明晶振已起振。(3) 復(fù)位電路需要通過小燈閃爍程序來調(diào)試。將小燈閃爍的程序下載到電路板上 運(yùn)行，小燈正常閃爍。短接復(fù)位電路上的跳線 JP2，小燈不亮，斷開 JP2，小燈重新閃 爍，表明復(fù)位電路已經(jīng)起作用。根據(jù) LPC2103的手冊(cè)，除 reset復(fù)位引腳之外， P0.14對(duì) 復(fù)位也有影響。系統(tǒng) P0.14復(fù)位后，管腳上立即出現(xiàn)的低電平被看作是一個(gè)啟動(dòng) ISP命 令處理器的外部硬件請(qǐng)求。由于復(fù)位后， LPC2103的 I/O管腳電平處于不確定狀態(tài)，為 了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠復(fù)位，需在 P0.14引腳上接上拉電阻，以保證該引腳始終保持高電平， 防止復(fù)位后系統(tǒng)進(jìn)入 ISP狀態(tài)。6.1.2 天線

52、電路的分析及仿真天線接入端圖 6.1 天線結(jié)構(gòu)圖32太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）圖 6.2 天線仿真圖圖 6.3 最終的仿真結(jié)果6.1.3 無線收發(fā)模塊調(diào)試LPC2103通過 SPI接口與無線收發(fā)器 MC33696通信，該模塊的調(diào)試過程為：設(shè)定 LPC2103為SPI接El主器件，配置 MC33696的CONFIGI寄存器為 0x5A 22。 LPC2103通 過SPI接口讀取該寄存器值，并通過串口調(diào)試助手觀察讀取值與配置值是否一致。下 載程序到電路板，運(yùn)行程序，串 1:3調(diào)試助手輸出 0x5A 。6.1.4 顯示屏模塊的調(diào)試串口模塊調(diào)試通過串口調(diào)試助手來實(shí)現(xiàn)。初始化串口時(shí)，設(shè)定波特率為9

53、600bps，發(fā)送數(shù)據(jù)字符的格式選擇為 8位字符長度、 1位停止位和不使用校驗(yàn)，調(diào)用發(fā)送函數(shù) UARTOWrite0發(fā)送字符數(shù)據(jù) FF FE OF認(rèn)1 B2 C3 D4 M06 P00 T53 VA7 Z52 X7D K00 。 打開PC機(jī)串口調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)。6.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)采用編程軟件是針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)編程的 KeilC 軟件23，具有軟件編輯功能、 軟件調(diào)試及仿真功能， 為系統(tǒng)軟件的編譯、 調(diào)試及仿真提供了工具。 圖6.4顯示的是接 收?qǐng)?bào)警模塊軟件調(diào)試的界面。33汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖 6.4 接收?qǐng)?bào)警模塊軟件調(diào)試界面由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，接收?qǐng)?bào)警功能正常，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。6.2.1

54、 壓力測(cè)試功能測(cè)試方案 24: 用摩托車內(nèi)胎模擬汽車輪胎環(huán)境，將發(fā)射模塊裝入內(nèi)胎后，通過專 用膠水修補(bǔ)再次保證輪胎密封，使用可顯示充氣壓力充氣機(jī)充氣。將氣壓按輪胎模塊 壓力編碼公式進(jìn)行編碼，設(shè)為 X。用飛線在輪胎模塊連接蜂鳴器。編程完成：當(dāng)輪胎 模塊所測(cè)壓力大于 X+5蜂鳴器響一聲保持 1s,當(dāng)輪胎模塊所測(cè)壓力大于 X-5 小于 X+5， 測(cè)壓精度在 3%以內(nèi)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。6.2.2 報(bào)警顯示功能測(cè)試原理：輪胎模塊發(fā)射一組數(shù)據(jù)信息， 觀察接收模塊是否顯示正確的數(shù)據(jù)內(nèi)容， 即 0和 1的數(shù)字信息，并進(jìn)行聲光報(bào)警。34太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ）6.3 本章小結(jié)本章首先根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)測(cè)試方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，然后又利用 KeilC 和