間接式無線輪胎保護裝置設計畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設計（論文）說明書題 目： 間接式無線輪胎保護 裝置的設計 學院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械電子工程學生姓名：學 號： 指導教師單位： 機電工程學院 姓 名：職 稱：題目類型：¨理論研究¨實驗研究þ工程設計¨工程技術研究¨軟件開發(fā)2013年5月20日摘 要輪胎壓力檢測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring SystemTPMS)是汽車安全行駛的重要保障之一，在社會發(fā)展對汽車安全性要求更高的前提下，對輪胎壓力檢測系統(tǒng)的研究和設計具有廣泛的應用背景，而且能帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。該設計具體分析TPMS技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)

2、展前景，并對比間接式TPMS和直接有源式TPMS的優(yōu)缺點。選擇間接式TPMS作為本設計的研究方向，利用霍爾傳感器，還有溫度傳感器檢測出輪子的轉速差和輪胎的溫度等參數(shù)，然后通過無線射頻方式發(fā)射到安裝在監(jiān)視器上。監(jiān)視器實時顯示出兩輪輪速差而表現(xiàn)出輪胎差值百分比，輪子的工作情況，比如是否轉動和溫度是否達到報警值。如果出現(xiàn)任何一種超出限定范圍的情況，蜂鳴器開始報警。設計針對間接式輪胎壓力檢測系統(tǒng)技術實現(xiàn)的關鍵難點，包括系統(tǒng)預警的可靠性和準確性、傳感器檢測模塊的低功耗性等等，開展了以下工作：1） 對RF發(fā)射和接收部分進行纖細的設計，包括配對連接的匹配網(wǎng)絡、無線通訊協(xié)議已經(jīng)RF發(fā)射接收程序的編寫和調(diào)試等等

3、；2） 提出改進的基于幾個傳感器結合技術的預警算法，提高系統(tǒng)預警的正確性和高效性，避免產(chǎn)生告警信號的摟抱和誤報情況；3） 分析TPMS應用的環(huán)境，在各種復雜環(huán)境的設計層面上，分析系統(tǒng)的軟硬件設計方案。研究表明，所設計的間接式TPMS系統(tǒng)能對輪胎壓力檢測系統(tǒng)提供準確的信息。關鍵詞：TPMS；轉速測量；溫度測量；無線傳輸AbstractTire pressure monitoring system (Tire Pressure Monitoring SystemTPMS) is one of the important guarantee for safe driving, on the prem

4、ise of social development to higher vehicle safety requirements, has been widely applied in the research and design of tire pressure monitoring system, and can bring good economic benefits and social benefits. Research status and development prospects of the design of a concrete analysis of TPMS tec

5、hnology, and compared the advantages and disadvantages of indirect TPMS and direct active TPMS. Select the type of TPMS as the design direction, using embedded in the hub of the magnetic steel and installed on the frame of the Holzer sensor, and temperature sensor to detect the parameters of wheel s

6、peed difference and the temperature of the tire, and then processed by the single chip to transmit data to the installation on the monitor through wireless. Monitor the real-time display of two wheel speed difference and show the tire difference percentage, and the working conditions, such as whethe

7、r the rotation and the temperature is up to the alarm value. If there is any kind of beyond the limited scope of the situation, the buzzer alarm.Design for the key difficulty of indirect tire pressure detection system technology, including the system of early warning and the reliability and accuracy

8、 of sensor detection module, low power consumption and so on, to carry out the work:The design of RF transmitting and receiving part is slender, including matching matching network, wireless communication protocol is RF transmitting and receiving program compiling and debugging and so on connection;

9、Warning algorithm combining several sensor technology based on improved, improve the correctness and efficiency of the early-warning system, avoid to produce false positive and false alarm signal;Analysis of TPMS application environment, the design level of various complicated environment, hardware

10、and software design of analysis system.Research shows that, the indirect TPMS system designed to provide accurate information on the tire pressure detection system.Keywords: TPMS; Indirect tire pressuremeasurement; wireless transmission; Holzersensor目 錄引言11. 緒論11.1. 課題研究的目的和意義11.2. TPMS國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3.

11、TPMS發(fā)展趨勢42. 間接式無線輪胎保護裝置系統(tǒng)的方案設計52.1. 系統(tǒng)設計要求52.2. 系統(tǒng)設計方案選擇62.2.1. TPMS實現(xiàn)方式選擇62.2.2. 系統(tǒng)控制芯片選擇72.2.3. 溫度測量傳感器的選擇82.2.4. 轉速測量傳感器的選擇93. 電路設計和原理103.1. 單片機最小系統(tǒng)103.1.1. STC89C52單片機簡介103.1.2. 晶振電路143.1.3. 復位電路153.2. LCD1602顯示模塊163.2.1. 液晶顯示LCD1602163.2.2. LCD1602應用電路圖如下圖所示。193.3. 溫度測量模塊193.3.1. DS18B20芯片介紹193

12、.3.2. DS18B20溫度測量電路圖213.4. 轉速測量模塊213.4.1. 霍爾傳感器a3144213.4.2. 轉速與時速的轉換243.4.3. 轉速測量電路設計243.5. 無線模塊243.5.1. 無線模塊的選擇243.5.2. 射頻收發(fā)一體模塊24L01263.5.3. 無線模塊與單片機的連接電路283.6. 系統(tǒng)整體設計284. 系統(tǒng)軟件設計304.1. 系統(tǒng)軟件設計之發(fā)射模塊流程圖304.2. 系統(tǒng)軟件設計之接收模塊流程圖314.3. LCD1602軟件設計314.4. DS18B20軟件設計325. PCB板的制作325.1. 原理圖、PCB的繪制325.2. 電路板到印

13、制和焊接346. 調(diào)試與性能分析347. 結論36謝 辭37參考文獻38附 錄39發(fā)射模塊程序39接收模塊程序50引言汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測，并對輪胎異常情況進行報警的預警系統(tǒng)。TPMS系統(tǒng)可分為間接式和直接式兩種。間接式是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較車輪之間的轉速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。當輪胎壓力降低時，車輛的重量會使輪胎直徑變小，這就會導致車速發(fā)生變化，這種變化即可用于觸發(fā)警報系統(tǒng)來向司機發(fā)出警告該設計具體分析TPMS技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并對比間接式TPMS和直接有源式TPMS的優(yōu)缺點。選擇間接式TPMS作為本設計的研究方向，

14、利用鑲嵌在輪轂上的磁鋼與安裝在車架上的霍爾傳感器，還有溫度傳感器檢測出輪子的轉速差和輪胎的溫度等參數(shù)，然后經(jīng)單片機處理后將數(shù)據(jù)通過無線射頻方式發(fā)射到監(jiān)視器上。監(jiān)視器實時顯示出兩輪輪速差而表現(xiàn)出輪胎差值百分比，還有各輪工作情況，比如是否轉動和溫度是否達到報警值。如果出現(xiàn)任何一種超出限定范圍的情況，蜂鳴器開始報警。1. 緒論1.1. 課題研究的目的和意義本設計是以無線通信系統(tǒng)對輪胎壓力的監(jiān)測為題目進行一系列的研究，主要采用間接式胎壓監(jiān)測方式，霍爾傳感器和溫度傳感器以及無線通訊設備來設計一個輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用來防止爆胎引起的危險，確保行車安全同時也可以使輪胎的使用壽命延長。隨著社會的發(fā)展，如今我們

15、無論是經(jīng)濟上還是科學技術上都有了很大的進步，人們的生活水平都有了很大的提高，人們對于舒適的生活也就要求的越來越高，對于家居或者是外出的要求在方便、快捷、安全等方面的要求也越來越關注。尤其是外出方面，人們對汽車的安全系統(tǒng)特別的關心和關注，要求也越來越高。如今，人們的生活、學習、經(jīng)濟以及社會的經(jīng)濟發(fā)展、國民經(jīng)濟命脈等重擔都與公路交通有著緊密的聯(lián)系。隨著人們生活水平的提高，汽車也就走進了千家萬戶，由此，人們最關心的問題也就是汽車的方便、輕巧、舒適、安全等問題。尤其是汽車的安全系統(tǒng)是人們最為關注的問題。汽車的增多也代表著交通事故的增多，交通事故的發(fā)生不僅造成了每家每戶的很大損失，同時也是社會的損失。交

16、通事故造的最主要的原因有兩個，一個是由于很多的人為的事故，有些人的開車技術不好或者是在迷糊、飲酒、瞌睡的狀態(tài)下駕車，導致交通事故發(fā)生；另一個是因為汽車爆胎，造成人員傷亡已經(jīng)社會損失。據(jù)統(tǒng)計, 在國內(nèi)高速公路上, 由爆胎引發(fā)的交通事故占事故總數(shù)的70 %，在美國, 這一比例更高達 80 % 。如今如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題,防止爆胎的關鍵就在于要保持標準的輪胎容限值和溫度，通過無線通信壓力傳感器對汽車輪胎進行檢測，使人們在輪胎出現(xiàn)危機的時候能夠及時的知道并且及時的預防或者是補救，避免傷亡和損失。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) ( tire pressure monitoring system

17、, TPMS)就是用于在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測, 對輪胎漏氣和低氣壓進行報警, 以保障行車安全。TPMS的作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓和溫度進行自動的實時監(jiān)測并將信息實時的反映在監(jiān)測器上！對輪胎的壓差容值，輪胎工作情況，輪胎溫度進行顯示和預警，確保行車安全。TPMS系統(tǒng)為汽車行業(yè)做出很大的貢獻，方便司機監(jiān)測并且減少很多交通事故的發(fā)生。安裝TPMS可以有效地防止汽車因為輪胎胎壓不正常而引發(fā)的爆胎或者其他交通事故。汽車在輪胎缺氣的情況下行駛耗油量將大大地增加；假如兩輪的胎壓不穩(wěn)定會使兩輪的轉速不同步，除了耗油增多外更加容易引起交通事故。安裝了TPMS的好處很多，例如，TPMS可

18、以是車輛保持在最佳的工作狀態(tài)，避免了車輛的元件遭遇非正常的磨損。正因為TPMS對于汽車安全性上至關重要，所以在1996年的時候，美國就頒布了實施有關TPMS的法規(guī)了。在我國2003年初，上海大眾開始了TPMS的研發(fā)計劃，并開始了制定工作，不過我國目前還沒有正式的實施TPMS。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的社會效益包括兩方面：（1）大大減少因交通事故引起的人身傷亡和經(jīng)濟損失。輪胎安全對汽車安全行駛的影響極大，在輪胎出現(xiàn)故障或異常時通過輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)-TPMS及時地對駕駛員進行預警，可以提高輪胎的安全性能，進而可以有效地降低汽車行駛，特別是高速行駛時發(fā)生交通

19、事故的可能性。（2）減少因丟棄報廢輪胎和尾氣排放引起的環(huán)保問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織最新統(tǒng)計結果，目前全世界每天有超過500萬條廢輪胎被丟棄。由于廢舊輪胎回收和處理上的困難，目前全球已有數(shù)以億萬計的輪胎等待處理，成為了環(huán)保的一大頑疾。另外，機動車尾氣排放是當前城市空氣污染的主要來源之一，如何提高燃油的經(jīng)濟性，降低尾氣污染，是人們密切關注的問題。實驗證明，輪胎壓力和汽車的燃油經(jīng)濟性有著密切的關系。行駛相同的距離，輪胎壓力過低時將要消耗更多的燃油，同時也排放出更多的尾氣。通過使用輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)及時的發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓的異常，就可以有效的解決因輪胎壓力異常引起的輪胎過度磨損和燃油過度消耗的問題。輪胎壓力監(jiān)測系

20、統(tǒng)蘊含著巨大的經(jīng)濟效益。目前，世界汽車市場正在穩(wěn)步擴大，這種狀況在中國更加明顯，因為隨著中國經(jīng)濟的增長和汽車整體價格的下降，將會有越來越多的中國消費者具有購買汽車的能力和愿望。另一方面，隨著因輪胎壓力問題引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越來越多的廠家開始重視輪胎壓力監(jiān)測問題，目前已經(jīng)有國家出臺法律規(guī)定要求在汽車中配置輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。可以預見，在不久的將來，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)將會和ABS、安全氣囊一樣成為汽車的標準配置。巨大的需求將會產(chǎn)生巨大的市場，許多與輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)相關的企業(yè)將會出現(xiàn)，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。1.2. TPMS國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對輪胎爆胎進行預警是保障汽車安全行駛的

21、關鍵所在，已成為汽車行業(yè)研究的熱點問題。另外，國外強制法令的出臺，也促進了TPMS相關技術的迅速發(fā)展，在這方面，美國、日本、德國、法國、英國在近幾年都取得了突破性的進展，形成了性能和功能完善的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品，并達到了一定的規(guī)模。近年發(fā)布的世界新車資料來看，林肯大陸、奔馳、寶馬、奧迪、大眾等中高檔車均安裝了輪胎壓力監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測汽車行駛過程中輪胎氣壓，車內(nèi)主控機板顯示模塊實時顯示輪胎氣壓狀態(tài)。針對直接有源式TPMS，國外一些半導體廠商以自身的芯片為核心提供TPMS解決方案，比如Infineon、GE、Freescale等。在檢測傳感器方面，隨著TPMS產(chǎn)品市場對IC高整合度和高可靠性的

22、要求，目前應用比較成熟的有將測量傳感器與微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)合二為一的智能傳感器，諸如飛思卡爾等部分廠家還在最近成功推出集檢測傳感器、MCU、無線射頻發(fā)射(Radio Freqency，RF)芯片于一體的智能檢測傳感器模塊。此外，米其林集團、固特異輪胎橡膠公司已開發(fā)出在輪胎制造時的成形工序中，將壓力、溫度監(jiān)測和信號發(fā)射裝置埋入輪胎胎壁內(nèi)，讓它在輪胎的整個壽命期間(一般為l7年)發(fā)揮作用，而作為信號接收裝置則做成如手機樣的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車時插裝在車上，下車后隨身攜帶。 據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會相關市場調(diào)查表明，國內(nèi)輪胎爆胎預警系統(tǒng)的相關產(chǎn)品

23、已有推出，但大多技術性能不甚完善或系統(tǒng)簡易，產(chǎn)品也沒有形成一定的規(guī)模，存在以下缺點：（1）系統(tǒng)工作壽命短；（2）系統(tǒng)在低溫或高溫環(huán)境下穩(wěn)定性不夠；（3）工作可靠性較差；（4）檢測精度不夠。而性能可靠、功能完善、技術成熟并且形成規(guī)模的產(chǎn)品均是一些國外知名公司(如美國李爾、西門子VDO、英國施奈德、德國貝魯)的品牌產(chǎn)品，但價格較為昂貴。此外，TPMS系統(tǒng)中的輪胎檢測傳感器核心器件的研制和生產(chǎn)跟國外相比差距還很大，現(xiàn)在主要的是由國外一些公司諸如Freescale、英飛凌等提高供，研制出性能可靠、功能完善并且價格能為當前多數(shù)國內(nèi)消費者所接受的輪胎爆胎預警技術產(chǎn)品很有必要。另外，國內(nèi)相關研究機構正在加緊

24、無源TPMS的研究，力求擁有自己的知識產(chǎn)權，據(jù)報道，最近由吉利公司推出的爆胎監(jiān)測與安全控制系統(tǒng)(BlowOut Monitoring and Brake System，BMBS)已經(jīng)超越了美國“TPMS”標準，它采用的是人工智能主動介入技術，在輪胎突發(fā)爆胎時自動接管車輛，代替駕駛員實施行車制動，從而達到降低或者化解爆胎風險的目的，與此同時，對于沒有安裝ABS的車輛，BMBS系統(tǒng)在遭遇爆胎后將自動實施“連續(xù)點制動”模擬ABS功能，使車輪不會發(fā)生抱死滑移現(xiàn)象，有效確保了行車制動的安全性。TPMS經(jīng)歷了由早期的機械式、納米材料式和磁敏檢測法，逐步過渡到間接式TPMS和直接有源式TPMS，而間接式TP

25、MS成本低(利用車載ABS即可實現(xiàn))，后期維護方便，也成為一種比較流行的趨勢。同時輪胎爆胎預警裝置系統(tǒng)作為一項新技術，能夠為整車提供輪胎壓力和溫度等狀態(tài)信息，必將成為汽車整車控制系統(tǒng)單元的一部分，同時，它對汽車電子信息共享的研究也具有重要意義。TPMS傳感器模塊技術將向發(fā)射模塊高度集成化、無線無源方向發(fā)展，未來的應用方向還將包含利用運動的機械能自供電的四合一模塊，屆時，胎壓監(jiān)測發(fā)射系統(tǒng)只有一個模塊和一個天線組成，開發(fā)人員的二次設計將變得十分簡便，產(chǎn)品安全性、可靠性、穩(wěn)定性也會有進一步的提高。另外，融合射頻識別(Radio Freqency Identification，RFID)技術進行智能輪

26、胎的研究也是發(fā)展趨勢，比如美國固特異輪胎橡膠公司和西門子VDO汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標識輪胎的功能，也就是說，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄，此外，西門子VDO的智能輪胎系統(tǒng)使用壓電元件來代替電池，通過輪胎的旋轉為系統(tǒng)供能。國內(nèi)上海交通大學也開始基于聲表波(Surface Acoustic Wave簡稱SAW)技術的TPMS開發(fā)研究，這種能同時測量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的SAW傳感器，不僅可實現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，并且將擁有中

27、國人自主的知識產(chǎn)權?；诼暠砻娌夹g的輪胎傳感器還處于試驗階段。其主要優(yōu)點是傳感器部分不需要電池供電(無源TPMS)，而且質(zhì)量較小，目前國際上已經(jīng)開發(fā)出的實驗傳感器樣品只有5g左右，同時可在高溫等惡劣環(huán)境下工作。另外，TPMS系統(tǒng)與汽車整車控制系統(tǒng)的電控單元的整合，即通過車身數(shù)據(jù)總線CAN總線或者LIN總線并入車載控制網(wǎng)絡中，也是一種發(fā)展趨勢。1.3. TPMS發(fā)展趨勢汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)，將是一個具有極強生命力的主題。因此，TPMS將成為汽車安全保障系統(tǒng)之一。而TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無線化和無源化方向發(fā)展。隨著TPMS產(chǎn)品市場對IC高整

28、合度和高可靠性的要求，在未來幾年內(nèi)將會開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊，屆時胎壓遙測模塊只由一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設計變得十分簡便。TPMS系統(tǒng)發(fā)展的進一步發(fā)展有可能會是智能輪胎。保持標準的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。而TPMS汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)毫無疑問將是理想的工具。美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實現(xiàn)汽車全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需要量與日俱增，美國的人工每小時起碼7.5元美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉向中國。今后幾年內(nèi)中國必將成為TPMS的生產(chǎn)大

29、國。人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進國家同步，我國關于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會出臺。因此，目前我們國內(nèi)己有數(shù)百家設計公司、生產(chǎn)廠家開始開發(fā)、設計、生產(chǎn)TPMS。目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是間接式TPMS，它通過汽車ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監(jiān)測胎壓的目的，可是供電方便，其缺點是精度較低。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當輪胎氣壓太低、滲漏

30、、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報警。缺點是需要使用獨立的電池供電系統(tǒng)并要將整個模塊或者模塊的一部分置于輪胎的內(nèi)部，容易在車輪高速轉動的情況下引發(fā)不正常的外力作用，設置不正確的情況下可能會加速輪轂的損壞，維護不方便且價格較高。中國TPMS的前裝和后裝市場己經(jīng)啟動，預見前裝市場（汽車生產(chǎn)廠家原裝）將比后裝市場（汽車購買后安裝）跑得更快, TPMS產(chǎn)品技術TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成：收集信息的發(fā)射模塊和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器。今后幾年內(nèi)中國必將成為TPMS的生產(chǎn)大國。除此之外中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨勢。汽車安全產(chǎn)品將成為中國生機勃勃

31、的新興市場熱點。2. 間接式無線輪胎保護裝置系統(tǒng)的方案設計TPMS主要用于汽車行使時實時對輪胎壓力（通過檢測輪速差）、溫度進行自動監(jiān)測，對各種異常情況(如輪胎漏氣、過低或過高氣壓、過高溫度)進行預警以保障行車安全。一般包括輪胎檢測部分、無線數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理以及顯示警告部分。本設計主要介紹TPMS的原理和具體方案以及系統(tǒng)是如何工作的。2.1. 系統(tǒng)設計要求胎壓、溫度預警系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測汽車輪胎的工作狀態(tài)，對輪胎壓力異常及時給予提示，并結合輪胎溫度對可能出現(xiàn)的爆胎事故進行預警，加強汽車高速行駛的行車安全。系統(tǒng)在汽車行駛狀態(tài)下通過霍爾傳感器實時測量輪子轉速，通過計算轉速差間接表現(xiàn)出輪子間的

32、胎壓差值，并通過無線傳輸傳給顯示模塊把數(shù)據(jù)顯示出來，當胎壓差值超過一定程度的時候，會引發(fā)蜂鳴器報警。主機模塊還把溫度很輪子工作情況發(fā)送給從機，通過從機的燈顯示出來，讓駕駛員直觀了解各輪胎的實時狀態(tài)，出現(xiàn)異常包括輪胎漏氣、異常升溫、傳感器模塊電源不足等)則發(fā)出報警信號。此外，在汽車輪胎的使用過程中，輪胎胎面會逐漸被磨耗。但由于各車輪受力不同，輪胎在路面的滑動量不同，以及受拱型路面的影響，使汽車的前后輪、左右輪的磨損速度不同。有的輪胎磨損重，有的磨損輕，甚至還會出現(xiàn)輪胎的單邊磨損不均勻。為了延長輪胎的使用壽命，定期對輪胎進行換位，這是汽車輪胎保養(yǎng)的有效方法。輪胎的維護換位能夠提高輪胎行駛里程、平衡

33、胎體疲勞強度和磨損。因此，研制的系統(tǒng)必須具有輪胎換位后的重新定位功能。 系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。溫度傳感器霍爾傳感器信號處理電路MCU發(fā)送模塊電源電路接收模塊MCU報警電路顯示電路電源電路圖2-1 系統(tǒng)工作原理框圖2.2. 系統(tǒng)設計方案選擇胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）是汽車電子系統(tǒng)中非常重要的一個部分，它的主要功能是監(jiān)控汽車輪胎壓力的異常情況并及時通知駕車人，安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地避免由于輪胎壓力過低引起的交通事故。2.2.1. TPMS實現(xiàn)方式選擇傳統(tǒng)的TPMS系統(tǒng)，根據(jù)其獲取輪胎壓力和溫度的方法分類，可分為兩大類：第一類是間接式，第二類是直接式。系統(tǒng)可以使用間接式或者是直接式來完成，因

34、此提出了直接式和間接式兩種方案。TPMS系統(tǒng)的直接式，又稱PSB，通過在每一個輪胎里都安裝一個壓力傳感器，可以直接測試汽車輪胎的氣壓，然后再利用無線發(fā)射器將輪胎壓力的內(nèi)部信息發(fā)射到中央接收器的系統(tǒng)，然后再通過無線通信系統(tǒng)對輪胎內(nèi)部壓力的數(shù)據(jù)進行顯示，如果輪胎壓力過低或者是輪胎漏氣，系統(tǒng)就會自動的報警，使司機能夠在發(fā)生爆胎之前制止事故的發(fā)生，由于直接式輪胎壓力檢測系統(tǒng)傳感器必須裝于高速行駛的輪胎之中，因此需要通過無線通信技術實現(xiàn)壓力監(jiān)測。直接有源式TPMS根據(jù)輪胎模塊有無電池供電又可以分為主動式和被動式，主動式TPMS有電池供電，而被動式TPMS，則用一個中央收發(fā)器代替直接有源式TPMS中的中央

35、接收器，安裝在輪胎中的轉發(fā)器(Transponder)代替發(fā)射器，接收來自中央收發(fā)器的信號，同時使用這個信號的能量來發(fā)射一個反饋信號到中央收發(fā)器。被動式TPMS雖然不需要電池供電，但也涉及到模塊的取能問題，在目前沒有更好的解決方案。TPMS系統(tǒng)的間接式，又稱為WSB，這種系統(tǒng)的工作原理是通過汽車的ABS系統(tǒng)的輪速傳感器對輪胎之間的輪速進行比較以達到對輪胎壓力的監(jiān)測。ABS系統(tǒng)的檢測主要是依據(jù)輪速傳感器來檢測車輪有沒有抱死，然后系統(tǒng)決定是否啟動防抱死系統(tǒng)，如果輪胎的壓力降低，車輛的重量就會導致輪胎的直徑變小，從而導致測速發(fā)生變化以至于發(fā)生了交通事故。在ABS系統(tǒng)是如果發(fā)生輪胎壓力減小的時候可以觸

36、發(fā)報警系統(tǒng)，使司機提高警惕然后處理汽車的輪胎壓力的問題。上海通用別克轎車安裝的即是這種間接式TPMS，即當汽車行駛時，輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)接收4個車輪轉速傳感器的車輪轉速信號，進行綜合分析，當某一個輪胎的氣壓太高或不足時，輪胎的直徑就會變大或變小，車輪的轉速也發(fā)生相應變化。采用的方式是兩兩進行比較，比如前面兩輪或者后面兩輪，就直接比較兩輪的轉速差來反應出胎壓的差值大小，就可以提高精度，最主要的是減低了當預警出現(xiàn)時檢索的范圍，減少工作量增加效率。成本較低的同時維護方便。直接式預警系統(tǒng)為了實時測得胎壓和胎溫是直接使用壓力傳感器探測輪胎的壓強值，溫度傳感器探測溫度值，檢測傳感器須安裝在汽車輪胎內(nèi)部，工作

37、在密閉的環(huán)境中，通過無線發(fā)射模塊傳給接收模塊。對有內(nèi)胎的輪胎，傳感器模塊安裝在內(nèi)胎外面的墊胎上或嵌入墊胎中；而間接式是探測兩輪的轉速差而間接表現(xiàn)兩輪胎壓的差值，當差值達到一定程度后進行報警。測輪速的傳感器卻可以安裝在輪胎外的輪轂和車架上，便于后期維護，溫度傳感器作為輔助功能，能對系統(tǒng)溫度進行一個實時的監(jiān)測。這兩種胎壓監(jiān)測裝置各有優(yōu)劣。直接式胎壓監(jiān)測裝置可以提供更高級的功能，隨時測定每個輪胎內(nèi)部的實際瞬壓，很容易確定故障輪胎,可是造價高以及后期維護不方便。間接系統(tǒng)造價相對較低，已經(jīng)裝備了4輪ABS（每個輪胎裝備1個輪速傳感器）的汽車只需對軟件進行升級，TPMS的直接式與間接式的比較如表2.1所示

38、。表2.1 TPMS的直接式與間接式的比較直接式TPMS間接式TPMS測量方式直接測量間接測量物理參數(shù)壓力、溫度輪子轉速關鍵硬件構成傳感器、中央處理器ABS系統(tǒng)、中央處理器壓力測量精度±0.1Pa30%溫度測量精度±2無成本需要附加成本，較高基于ABS系統(tǒng)，較低綜合論述，直接式雖然有其優(yōu)越性，可是其技術過于復雜和后期維護不方便，技術耗費太高，相比間接式的簡易方便，可能間接式更能讓普通老百姓所接受。所以本設計研究的方向為間接式胎壓測控預警系統(tǒng)。本設計中凡是沒有明確說明的，所提到的TPMS均是指間接式TPMS。2.2.2. 系統(tǒng)控制芯片選擇單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大

39、規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處 理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷 系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬 多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算 機系統(tǒng)。 單片機也被稱為 微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母 的縮寫 MCU 表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi) 僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中

40、。目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的8位單片機和高性能的32位單片機，結合本設計各方面因素，8位單片機對于本設計已經(jīng)是綽綽有余了。應用最廣的8位單片機是intel的51系列單片機。51系列單片機的特點是：硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，世界有許多芯片公司都買了51的芯片核心專利技術，并在其基礎上擴充其性能，使得芯片的運行速度變得更快，性價比更高。 AVR 單片機是atmel公司推出較新的單片機，它的顯著特點是：高性能，低功耗，高速度，指令單周期為主，但價格方面比51單片機要高。有專門的I/O方向寄存器。雖然有較強的驅(qū)動電壓，但I/O口使用不比51單片機方

41、便。PIC單片機系列是美國微芯公司的產(chǎn)品，也是市面上增長最快的單片機之一，屬精簡指令集單片機，其特點是：高速度，高性能，但在價格方面比51單片機要高，也有專門的,I/O方向寄存器，I/O 口使用不比 51單片機方便。綜合以上各種單片機的基本性能及本設計的滿足需要,我們將選擇 51 系列單片機.  本設計中選用是51系列的STC89C52，它是低電壓，低功耗，高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，2個I/O口線, 3個16位定時/計數(shù)器，片內(nèi)振蕩器及時鐘

42、電路，并與 MCS-51系列單片機兼容。在設計中，單片機起著連接硬件電路、程序運行及存儲數(shù)據(jù)的任務，STC89C52單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 2.2.3. 溫度測量傳感器的選擇測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展主要大體經(jīng)過了三個階段：1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)：2.模擬集成溫度傳感器/控制器；3.智能溫度傳感器。 模擬集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量及模擬信號輸出功能

43、的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關和可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器(例如TC652/653) 中還包含了A/D轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主

44、要區(qū)別。 智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。本設計使用的是屬于智能傳感器的DS18B20。

45、60;DS18B20內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路，輸出信號可以直接和單片機的I/O連接而無需其他a/d轉換芯片進行轉換，簡化電路的同時增強了穩(wěn)定性和準確性。并且支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測量，對本 設計中需要測量多個溫度提供了簡化條件，節(jié)省了單片機I/O的同時增強了可靠性。2.2.4. 轉速測量傳感器的選擇轉速是本設計一個重要物理量，如何準確、快速而又方便地測量電機轉速，極為重要。目前國內(nèi)外常用的轉速測量方法有離心式轉速表測速法、測速發(fā)電機測速法、閃光測速法、霍爾元件測速法。 (1) 離心式轉速表測速

46、法 離心式轉速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉速。測轉速時，轉速表的端頭要插入電機轉軸的中心孔內(nèi)，插入前，應注意清除中心孔中的油污，并使轉速表的軸與電機的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，并影響準確讀數(shù)，而且轉速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程，還要將轉速表取出停轉后再改變量程。 (2) 測速發(fā)電機測速法 測速發(fā)電機測轉速時，測速發(fā)電機連接到被測電機的軸端，將被測電機的機械轉速變換為電壓信號輸出E=CeFn，在輸出端接一個刻度以轉速為單位的電壓表，即可讀出轉速。(3) 閃光測速法 閃光測速法是利用可調(diào)脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到

47、電機轉動部分(可在電機端軸上粘貼一張標記紙片)，當調(diào)整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動時，此時脈沖的頻率是與電機轉動的轉速是同步的。若脈沖頻率為f，則電機的轉速為n=60f(rmin) 。 (4) 霍爾元件測速法 霍爾元件測速法是利用霍爾開關元件測轉速的?；魻栭_關元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。輸出電平與TTL電平兼容，在電機轉軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開關固定在小磁鋼附近，當電機轉動時，每當一個小磁鋼轉過霍爾開關，霍爾開關便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉體的轉速。 在這四種測速方法中，離心式轉速表測速法

48、和測速發(fā)電機測速法所用的都是現(xiàn)成的測速儀表，容易得到。但轉速表或測速機都要與電機同軸連接，一方面增加了電機機組安裝難度，另一方面有些微電機功率很小，轉速表或測速機消耗的功率占了微電機大部分，更有甚者微電機甚至拖不動這些儀表，所以對微特電機的測速，這二種方法不適用?；魻栐y速法是在轉軸上裝一個很輕巧的傳感器，將電機的轉動信號通過磁(霍爾元件)轉換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數(shù)來測速。閃光測速法目前實際應用不廣泛，主要是光源的問題。本設計選用的是其中的霍爾元件測速法。3. 電路設計和原理3.1. 單片機最小系統(tǒng)3.1.1. STC89C52單片機簡介STC89C52是一個低電壓，高性能CMO

49、S 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-52指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案STC89C52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反

50、復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。8052單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，圖31為單片機8051內(nèi)部結構。現(xiàn)在我們分別加以說明：圖3-1 單片機8052的內(nèi)部結構1 中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8052內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)

51、一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。3 程序存儲器(ROM)：8052共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。4 定時/計數(shù)器(ROM)：8052有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。5 并行輸入輸出(I/O)口：8052共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。6 全雙工串行口：8052內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步

52、通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。7 中斷系統(tǒng)：8052具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。8 時鐘電路：8052內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8052單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-52系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片

53、機則采用普林斯頓結構。下圖3-2是MCS-52系列單片機的內(nèi)部結構示意圖。圖3-2 MCS-52系列單片機的內(nèi)部結構MCS-52系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。圖2-3為MCS-52系列單片機的引腳圖，現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： 圖3-3 單片機的引腳圖l VCC：供電電壓， l GND：接地斷;l P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義

54、為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 l P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 l P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸

55、入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 l P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些

56、特殊功能口。 P3口管腳備選功能： l P3.0 RXD（串行輸入口） l P3.1 TXD（串行輸出口） l P3.2 /INT0（外部中斷0）l P3.3 /INT1（外部中斷1） l P3.4 T0（記時器0外部輸入） l P3.5 T1（記時器1外部輸入） l P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） l P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） l P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 l RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。當8052通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化

57、后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8052的初始態(tài)。8052的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 l ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX， MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 l PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 l EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存