輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

1、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)開題報(bào)告題目：輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別： 電子信息系 專 業(yè): 通信工程 班 級(jí): B090310 學(xué) 生: 李 莎 學(xué) 號(hào): B09031038 指導(dǎo)教師： 馮曉崗 2012年12月23日1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況 1。1課題研究背景隨著汽車工業(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)測性和

2、無法控制而成為首要因素1。有人曾經(jīng)用一句話來概括輪胎的重要性，當(dāng)一個(gè)人坐到汽車?yán)锩嬉院?這個(gè)人實(shí)際上就交給了汽車，一旦汽車行駛起來，這個(gè)人實(shí)際上就全部交給了汽車.在汽車的高速行駛過程中輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的,也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因.據(jù)統(tǒng)計(jì),在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達(dá)80%。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23.而汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，簡稱T

3、PMS）毫無疑問將是理想的工具.在客車和輕型卡車上必須安裝輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS)以便在輪胎氣壓低于規(guī)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。于是，汽車輪胎氣壓監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1。2研究意義自從人類進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，交通越來越便利，隨之而引發(fā)的交通事故也不斷地增多，其中由于輪胎問題引起事故的比例非常的高，因此人們對(duì)行駛中的輪胎壓力進(jìn)行了特別的關(guān)注.輪胎壓力影響著輪胎的壽命和汽車的使用性能。據(jù)測試，汽車在時(shí)速160公里以上行駛時(shí)發(fā)生爆胎事故，駕乘人員的死亡率為100。爆胎已于疲勞駕車、超速行駛并列為中國道路交通的三大殺手.其中,輪胎爆胎由于其不可預(yù)測性和無法控制而成為首要因素.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國高速公路

4、上發(fā)生的交通事70是由于爆胎引起的,而在美國這一比例高達(dá)80%,是各種比例最高的。 輪胎是汽車的重要組成零部件,事關(guān)出行的安全。我國目前沒有防止爆胎的相關(guān)強(qiáng)制國家標(biāo)準(zhǔn)，但是中國企業(yè)正在研發(fā)比美國更為先進(jìn)、安全的系統(tǒng),不僅能自動(dòng)監(jiān)測胎壓，而且還能對(duì)爆胎后實(shí)施安全救助。研究胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 用戶方面:給用戶帶來有效、方便、快捷的胎壓監(jiān)測方法,使用戶坐在駕駛室里面就可以隨時(shí)獲得輪胎的氣壓信息;（2） 安全方面:TPMS可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓問題，指導(dǎo)駕駛員進(jìn)行沖放氣，避免車禍的發(fā)生,保障行車安全；（3） 社會(huì)效益方面：TPMS系統(tǒng)可以很較好的保障行車安全,將來會(huì)被越來越

5、多的汽車生產(chǎn)廠家以及車主采用，社會(huì)需求也將會(huì)越來越大，經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)隨之增加；(4） 經(jīng)濟(jì)方面：TPMS可以提醒駕駛員經(jīng)常保持輪胎壓力處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，不僅可以延長輪胎的使用壽命，還可以減少油耗，節(jié)約能源,減少行車費(fèi)用，同時(shí)減輕汽車廢氣對(duì)環(huán)境的污染。隨著中國進(jìn)入WTO，中國與外國之間的汽車貿(mào)易量也會(huì)越來越大，國外一些國家,如美國已立法將TPMS作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，中國汽車要想出口到這些國家也需要遵守規(guī)定裝備TPMS。隨著TPMS成本的進(jìn)一步降低,TPMS在汽車市場上擁有量將會(huì)越來越大,特別是中國的TPMS剛剛起步，市場前景將會(huì)非常的龐大。1。3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1。3。1 國外發(fā)展?fàn)顩r 由于國外立法較

6、早，開發(fā)生產(chǎn)的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS）較為成熟。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、戴姆勒一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2002年版威達(dá)、旁蒂亞克的旗艦產(chǎn)品Bon Neville SE等4。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CLK、C、E、G、M、SL、SL

7、K、S系列，寶馬3、5、6、7、X3、XS、Z4系列,別克林蔭大道、榮御、君越5.國外已有許多廠家致力于TPMS專用傳感器、發(fā)射芯片和接收芯片研究。飛思卡爾（Freescale）、英飛凌（Infineon)、通用(GE）、微芯（Microchip)、飛利浦（Philips）等大型跨國公司也先后相應(yīng)的推出了自己的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)芯片級(jí)應(yīng)用方案。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，飛思卡爾（Freescale）、英飛凌(Infineon)、通用（GE）先后推出了自己高集成度的發(fā)射模塊或傳感器模塊.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）、

8、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)測器并內(nèi)置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。4uA；NPII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68.1。3.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r在中國，早在2003年11月24日頒布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件對(duì)安裝輪胎壓力監(jiān)測裝置做出了說明9：“車長大于6米的長途客車和旅游客車、最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于1.2噸的載貨汽車和載貨牽引

9、車應(yīng)安裝輪胎氣壓報(bào)警裝置” ，“有關(guān)部分機(jī)動(dòng)車應(yīng)安裝輪胎氣壓報(bào)警裝置的要求,自本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起第25個(gè)月開始對(duì)新注冊(cè)車實(shí)施” .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)公司不愿意承擔(dān)如此高的費(fèi)用10。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.因此無論前裝市場還是后裝市場，TPMS都處于尷尬的地位.但是著眼未來,國家遲早會(huì)頒布強(qiáng)制性TPMS安裝規(guī)定.尤其大型載貨汽車，安裝TPMS是非常必要的。目前中國輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)市場還處于產(chǎn)品完善和市場

10、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?，F(xiàn)在國內(nèi)有許多汽車配件商開始代理銷售國外的TPMS系統(tǒng),上海和重慶及廣東等地有公司開始投入生產(chǎn)并銷售TPMS，主要生產(chǎn)商有上海泰好電子科技有限公司、棋港電子有限公司、佛山市朗杰電子科技有限公司、深圳市瑞電通信電子有限公司等.市場主要集中在后裝市場，不過其價(jià)格決定其市場規(guī)模很小。而且,TPMS零組件主要靠進(jìn)口，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品11。大多數(shù)廠家只是買來飛思卡爾、英飛凌、通用的零組件組裝起來做成成品，屬于二次設(shè)計(jì)缺乏核心技術(shù).最近，浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工

11、業(yè)大學(xué)等高校都有學(xué)者對(duì)TPMS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行理論研究。1.3。3 TPMS發(fā)展階段及趨勢 TPMS的大規(guī)模應(yīng)用基本上在美國修改的聯(lián)邦運(yùn)輸法實(shí)施以后，因?yàn)榫哂猩詈竦募夹g(shù)積累和法律提出的時(shí)間的緊迫性,TPMS發(fā)展迅速。迄今為止，不斷有更新的方案涌出?；仡欉@幾年的TPMS技術(shù)發(fā)展道路，可以看出其發(fā)展主要可分為以下幾個(gè)階段： 第一代產(chǎn)品是通用汽車公司開始使用的間接式TPMS。這種產(chǎn)品成本低，但是由于監(jiān)測結(jié)果不精確，對(duì)車速有限制等原因，將會(huì)逐漸被直接式取代。第二代產(chǎn)品于2000年8月在美國上市，屬于直接式TPMS，基于嵌入式傳感器和UHF單向transmitter/receiver系統(tǒng)。它剛出現(xiàn)時(shí)在幾款汽

12、車上作為可選部件,最近成為市場的主宰12。第三代產(chǎn)品是在第二代產(chǎn)品基礎(chǔ)上更加集成話，小型化，基本原理相同，同屬于直接式TPMS。如傳感器MCU與發(fā)射器合而為一等。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那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊。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（例如GE準(zhǔn)備推出的NPX3）。上海交大正在開發(fā)基于SAW技術(shù)的無線、無源仰MS新方案，目前己有初樣。這將是現(xiàn)有TPMS技術(shù)

13、的新的技術(shù)革命，不僅實(shí)現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，而且將擁有中國人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。2. 本課題研究的主要內(nèi)容和采用的研究方案、研究方法2.1本課題研究的主要內(nèi)容 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：將通過在輪胎內(nèi)部安裝的壓力和溫度傳感器,中央控制單元對(duì)輪胎內(nèi)部的溫度、壓力值進(jìn)行采集、處理后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內(nèi)部的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器對(duì)輪胎的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)輪胎的狀態(tài)異常，則通過聲光報(bào)警提示駕駛員進(jìn)行處理。針對(duì)上述系統(tǒng)功能，本課題的主要研究內(nèi)容如下：（1） 分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、綜合分析國內(nèi)汽車各方面綜合因素，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案。(2) 系

14、統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),射頻天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化和匹配網(wǎng)絡(luò)。(3) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì).（4） 全文總結(jié)。2。2本課題采用的研究方案2。2。1總體設(shè)計(jì)及主要元器件選擇a。 輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)組成 TPMS由兩大模塊：遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)視模塊(Remote Tire Pressure Monitoring簡稱RTPM)和中央監(jiān)視器組成，如圖1所示.RTPM模塊直接安裝在無內(nèi)胎輪胎鋼轂上，測量輪胎壓力和溫度，并將測量得到的信號(hào)通過高頻無線電波（RF)發(fā)射出去.一個(gè)TPMS系統(tǒng)通常有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。

15、特別在異常時(shí)報(bào)警提醒駕駛者采取必要的措施. 圖1 TPMS系統(tǒng)組成2。2。2硬件電路設(shè)計(jì)a。 RTPM模塊RTPM模塊由壓力/溫度傳感器、微處理器和RF射頻發(fā)射電路組成如圖2所示.微處理器進(jìn)行壓力、溫度的測量以及RF發(fā)射控制和電源管理；RF射頻發(fā)射電路將檢測到的壓力、溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去。壓力傳感器微處理器RF發(fā)射電路溫度傳感器顯示報(bào)警溫度傳感器圖2 RTPM模塊原理圖b. 中央監(jiān)視器模塊位于汽車駕駛室內(nèi)的中央監(jiān)視器模塊，主要完成信息的接收、數(shù)據(jù)的區(qū)分處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能.因?yàn)橹醒氡O(jiān)視器的供電來自汽車內(nèi)部自供電，所以接收端可以不考慮功耗問題。中央監(jiān)視器模塊是設(shè)計(jì)輪胎壓力監(jiān)

16、視系統(tǒng)的核心部分,由RF接收電路、微處理器、計(jì)算機(jī)顯示報(bào)警裝置等組成，如圖3所示。RF接收電路接收RTPM模塊發(fā)射的壓力、溫度數(shù)據(jù)信號(hào),識(shí)別變換處理后送到計(jì)算機(jī)顯示或報(bào)警. 計(jì)算機(jī)顯示報(bào)警微處理器RF接收電路串口通信 圖3 中央監(jiān)視器模塊原理圖c。 器件選擇 輪胎模塊由傳感器、微處理器、發(fā)射芯片、電池和天線組成.因?yàn)榇四K要嵌入到輪胎內(nèi),所以模塊的超小型和節(jié)電設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問題。 傳感器：輪胎在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，其內(nèi)部的壓力和離心力非常大，溫度也非常高，環(huán)境相當(dāng)惡劣，足以使其中的傳感器件不能正常工作,所以對(duì)放入其中的傳感器件有相當(dāng)高的要求。首先，它的質(zhì)量要非常輕；其次,要能夠在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作；

17、再次，輪胎中沒有供電設(shè)備，所以要求其功耗很低13. 發(fā)射芯片：由于本方案所設(shè)計(jì)的輪胎模塊放置在汽車輪胎中，難以通過有線連接傳送數(shù)據(jù)，只能通過無線傳送數(shù)據(jù),所以發(fā)射模塊采用短距離無線高頻發(fā)射技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)的分析和處理以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)射。 單片機(jī)連接傳感器能定期檢查氣壓和溫度數(shù)據(jù),為降低功耗，單片機(jī)可在完成發(fā)送信號(hào)后，馬上進(jìn)入休眠狀態(tài)，由外部的中斷源將其喚醒單片機(jī)連接發(fā)射器,利用單片機(jī)中的鎖相環(huán)（PLL）將較低頻率轉(zhuǎn)換為較高頻率,實(shí)現(xiàn)短距離高頻無線發(fā)射14-15。2。2.3 軟件設(shè)計(jì) TPMS系統(tǒng)的軟件主要由兩個(gè)模塊組成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序

18、用于檢測、處理、發(fā)送胎壓、溫度和輪胎標(biāo)識(shí)信息，接收通信子程序完成數(shù)據(jù)接收和串行通信.RTPM流程框圖如圖4所示。是否禁止中斷采樣胎溫t否t<40否是是p、t與上一次采樣值相同？數(shù)據(jù)處理發(fā)送數(shù)據(jù)幀開中斷休眠采樣胎壓pi=i+1i<10？看門狗喚醒圖4 RTPM子程序流程框圖接收通信子程序用于接收、處理（顯示和報(bào)警)輪胎壓力和溫度的射頻信息，包括初始化、射頻中斷服務(wù)、定時(shí)器中斷服務(wù)和串行中斷服務(wù)。流程圖如圖5所示。初始化啟動(dòng)射頻接收器和定時(shí)器開始送去顯示或報(bào)警接收數(shù)據(jù)返回圖5 接收通信子程序流程圖3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：傳感器的選取,無線數(shù)據(jù)傳輸。難點(diǎn)：低功耗發(fā)射，PCB環(huán)形

19、元件的設(shè)計(jì)。4。 前期已開展工作搜集輪胎壓力監(jiān)測的相關(guān)文獻(xiàn)，仔細(xì)研讀，了解其基本框架。搜集有關(guān)TPMS與RF發(fā)射與接收的相關(guān)內(nèi)容。熟練掌握單片機(jī)的應(yīng)用.5。 本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃完成課題研究及設(shè)計(jì)的進(jìn)度計(jì)劃初步擬定如下：(1) 1718周,前期準(zhǔn)備工作，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所需資料的收集； （2） 1819周,完成開題報(bào)告的撰寫并進(jìn)行開題答辯；（3） 19新學(xué)期第3周，完成輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)；（4） 45周，撰寫中期報(bào)告，進(jìn)行中期答辯；(5) 611周,系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)所有編程，達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求；（6） 12-13周,撰寫設(shè)計(jì)說明書，定稿、打印、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 參考文獻(xiàn)1 宋偉。美國汽車安全標(biāo)準(zhǔn)新要求安裝輪胎壓力監(jiān)測器J.輕型汽車技術(shù),2002，6：78-79。2 羅小青。高速公路上的爆胎原因及預(yù)防措施J.公路與汽運(yùn),2001，2：17-18.3 桑永福。淺析影響汽車輪胎爆胎的因素J.江蘇交通,2002,4:3637.4 Kowalewski