胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計) (1)

1、精品文檔 成績評定： 傳感器技術 課程設計 題 目 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計 摘要輪胎壓力監(jiān)測報警系統(tǒng)(Tire PressureMonitoring System)主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測。目前各國研制的輪胎氣壓報警系統(tǒng)主要分為兩種類型：一種是間接式，它通過汽車ABS(防抱制動系統(tǒng))的輪速傳感器及輪胎的力學模型，間接求出輪胎氣壓，以達到監(jiān)視輪胎氣壓的目地；另一種是直接式，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰離子電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線調制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，而監(jiān)視器隨時顯示各種輪胎氣壓，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓

2、狀況，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)就會自動報警，確保行車安全。市場研究機構Strategy Analytics的預測表明，直接系統(tǒng)技術將成為主流技術，2008年后所占份額將超過95%。因為如果要使用間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，前提是車輛必須有ABS系統(tǒng)。加上會影響輪胎轉速的因素，除了胎壓異常所導致外，行駛的路面也是主要原因，如行駛于雪地或濕滑路面時，空轉會使某一輪胎的旋轉次數(shù)大幅提高?；蛘呤钱斳囎痈咚俎D彎時，車胎的抓地力已經(jīng)無法克服過彎時的離心力，外側輪胎與內側輪胎的轉動次數(shù)便有明顯差異，這些情況便會出現(xiàn)錯誤警告信息。另外，當四條輪胎的胎壓同時下降，系統(tǒng)便失去判定的準則，警告信息自然就不會出現(xiàn)。而且

3、偵測功能僅在車輛行駛中才能發(fā)揮作用，對備胎或當車輛停滯時，便無法判斷，還會出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。關鍵詞： 胎壓監(jiān)測 壓力傳感 傳感器 TPMS 目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求22.1設計任務22.2設計要求2三、設計步驟及原理分析33.1設計方法33.2設計步驟43.3設計原理分析5四、課程設計小結與體會19五、參考文獻20.精品文檔一 、設計目的 輪胎是汽車行駛系統(tǒng)的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接影響汽車行駛的可操縱性、安全性和舒適性。目前，中國正進入家庭汽車的高速增長期，輪胎安全是汽車安全性能評價的重要指標，輪胎爆胎由于其不可預測性和不可控制而成為突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因，造成

4、巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，極大地威脅著汽車的行駛安全。恰當?shù)妮喬コ錃鈮毫κ潜ＷC汽車安全、平穩(wěn)行駛的關鍵因素。及時準確地對超過或低于輪胎壓力標準范圍的異常狀態(tài)進行報警，是減少由輪胎爆胎引發(fā)的交通事故的有效途徑。 隨著高新技術的發(fā)展和現(xiàn)代汽車不斷趨向高性能化,汽車用的輪胎也從長期的性能時代,開始進入功能化的新時期。當然，現(xiàn)代汽車的安全配置也在不斷得到完善，如安全帶、安全氣囊、防撞桿等被廣泛運用，不過這些都是屬于交通事故發(fā)生后，才能對人、車起到保護作用的被動安全裝置。然而本文研制的輪胎爆胎預警系統(tǒng)，則不同于上述的裝置，它在輪胎一出現(xiàn)危險征兆時就能夠及時發(fā)現(xiàn)并同時報警，最大限度地將事故消滅在

5、萌芽狀態(tài)，從而極大地提升了車輛高速行駛的安全性，這一優(yōu)勢在高速公路上表現(xiàn)更為明顯。二、設計任務與要求2.1設計任務汽車高速行駛中，由于輪胎的壓力不正常而造成爆胎是駕駛員難以預防的，也是突發(fā)性和惡性交通事故發(fā)生的重要原因。引起輪胎漏氣和爆胎的原因主要有：(1)輪胎工作溫度過高；(2)輪胎氣壓過大；(3)輪胎使用時間過長；(4)輪胎負荷過大；(5)汽車行駛速度過快。為使汽車能夠處于安全的駕駛狀態(tài)，駕駛者必須在行車過程中實時了解輪胎的超壓、欠壓、溫度等工作狀態(tài)，我們設計的基于單片機的汽車輪胎胎壓計具有以下的功能：(1)實時監(jiān)測輪胎的壓力情況；(2)當某個輪胎處于欠壓狀態(tài)時，相應的欠壓報警指示燈亮。當

6、汽車輪胎壓力處于非正常狀態(tài)運行時，通過報警來通知駕駛員，控制輪胎爆胎發(fā)生，以達到安全駕駛的目的。2.2設計要求在汽車高速行駛過程中，輪胎中的氣壓和溫度應保持在一定的范圍之內，否則，就會對汽車的安全行駛構成威脅。氣壓過高，會使胎內簾線受力過度而變形，輪胎彈性下降，胎冠加快磨損，如受到?jīng)_擊易破裂；氣壓過低，會使胎體增大變形，造成胎側裂口，同時使輪胎接地面積增大，加快胎肩的磨損，也會導致過度摩擦生熱，使橡膠老化、簾線折斷并最終導致爆胎1。而TPMS為預防胎內壓力和溫度的急劇變化、防止發(fā)生安全事故提供了有力武器。TPMS系統(tǒng)組成如圖1所示。它是由發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊和接收天線組成，其中，顯示模

7、塊可根據(jù)整車廠家和后裝市場的不同需求決定是否提供。裝有壓力和溫度傳感器的發(fā)射模塊被安裝在輪胎內部，當輪胎氣壓和溫度過高、過低或快漏氣時，發(fā)射模塊發(fā)出的信號就通過天線被接收模塊接收到，然后由接收模塊進行信號處理，再傳給顯示模塊或汽車儀表，最后以聲光的形式警告駕駛者，從而達到主動預防事故的目的。圖1 TPMS系統(tǒng)圖三、設計步驟及原理分析3.1設計方法采用89c51主控，通過壓力、溫度傳感器將信號送入MCU再送入無線發(fā)射芯片中，再由無線接收芯片將信號無線發(fā)射。在處理模塊，無線接收芯片接受到信號后，由微處理器進行處理。將處理的結果送顯示、報警部分分別進行顯示、報警。原理原理框圖如下： 傳感器無線發(fā)射M

8、CU無線發(fā)射顯示微處理器無線接受報警無線接收 3.2設計步驟傳感器無線發(fā)射模塊由SP12、89c2051、T5754組成了傳感器無線發(fā)射模塊。SP12是集溫度、氣壓、加速度為一體的傳感器，輸出數(shù)字信號，使用方便，體積小，功耗少。顯示模塊用單片機芯片AT89C52的P0.0/AD0P0.7/AD7端口接數(shù)碼管的ah端，8位數(shù)碼管的S1S5通過AT89C52的P2.0P2.4端口來控制選通每個數(shù)碼管的位選端。在數(shù)據(jù)的顯示模塊中，我們采用的是LED動態(tài)顯示的方式。其具體的實現(xiàn)過程在上述設計思想中詳細說明。7段數(shù)碼管選用共陰連接方式，通過端口輸出編碼后的段碼，對應筆畫為“低電平“時點亮。氣壓傳感器的選

9、擇氣壓傳感器對于數(shù)字氣壓計設計的實現(xiàn)至關重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。氣壓傳感器的主要性能參數(shù)如下。·測量范圍即所能測量的大氣壓力范圍，單位為kPa。·測量精度測量結果（電流或電壓）的精度。·溫度補償范圍一般要選用具有溫度補償能力的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題。·測量的是否是絕對氣壓值絕對氣壓值對應的即是實際的氣壓值，顯然要實現(xiàn)數(shù)字氣壓計需要測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。數(shù)字氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的氣壓傳感器。經(jīng)過

10、綜合考慮，我們選用SP12來作為傳感器。SP12具有補償功能,可以對壓力,加速度,溫度,供電電壓信號進行檢測和補償,準確提供不同型號輪胎在不同環(huán)境下的正確補償值,有效地保證了測量可靠性.3.3設計原理分析單片機電路部分主要芯片介紹89C52單片機89C52單片機的40條引腳按功能來分，可以分為3部分，電源及時鐘引腳、控制引腳和輸入/輸出引腳。如下圖3-1所示：AT89C52單片機引腳圖89C52單片機引腳功能主電源及時鐘引腳此類引腳包括電源引腳Vcc、Vss、時鐘引腳XTAL1、XTAL2。（1）Vcc（40腳）：接+5V電源，為單片機芯片提供電能。（2）Vss（20腳）接地。（3）XTAL1

11、（19腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的振蕩器，可提供單片機的時鐘控制信號。（4）XTAL2（18腳）在單片機內部，接至上述振蕩器的反向輸出端?？刂埔_此類引腳包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信號，有些具有復用功能。（1）RSR/ VPD（9腳）：復位信號輸入端，高電平有效，當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（REST）。復位后應使此引腳電平保持為不高于0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此引腳可接上備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當Vcc下降

12、到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內（5±0.5V）時，VPD就向內部RAM提供備用電源。（2）ALE/PROG（30腳）：ALE為地址鎖存允許信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個LSTTL負載。（3）PSEN（29腳）：程序存儲器允許輸出控制端。此輸出為單片內訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或取常數(shù)）期間，

13、每個機器周期均PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不會出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅動8個LSTTL負載。（4）EA/VPP（31腳）：EA功能為內外程序存儲器選擇控制端。當EA端保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。輸入/輸出引腳此類引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。（1）P0（P0.0P0.7）是一個8位三態(tài)雙向I/O口，在不訪積壓處部存儲器時，做通用I/O口使用，用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，當訪問外部存儲器時，此口為地址總路線低8位及數(shù)據(jù)總路線分時復用口，可帶

14、8個LSTTL負載。（2）P1（P1.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口（作為輸入時，口鎖存器置1），帶有內部上拉電阻，可帶4個LSTTL負載。（3）P2（P2.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口，與地址總路線高8位復用，可驅動4個LSTTL負載。（4）P3口功能表，如下表1.1所示：P3口各個位的第二功能P3口的位第二功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)射口P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0計數(shù)器0計數(shù)輸入P3.5T1計數(shù)器1計數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫信號P3.7RD外部RAM讀信號表1.1 P3口功能表AT89C205

15、1AT89C2051是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀Flash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ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大AT89C2051單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。    AT89C2051是一個功能強大的單片機，但它只有20個引腳，15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器,兩個全雙向串行

16、通信口，一個模擬比較放大器。    同時AT89C2051的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內RAM將被凍結，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復位方可繼續(xù)運行。  主要功能特性：   · 兼容MCS51指令系統(tǒng)· 2k可反復擦寫(>1000次）Flash ROM   · 15個雙向I/O口· 6個中斷源  

17、· 兩個16位可編程定時/計數(shù)器· 2.7-6.V的寬工作電壓范圍   · 時鐘頻率0-24MHz· 128x8bit內部RAM   · 兩個外部中斷源· 兩個串行中斷   · 可直接驅動LED· 兩級加密位   · 低功耗睡眠功能· 內置一個模擬比較放大器   · 可編程UARL通道· 軟件設置睡眠和喚醒功能氣壓傳感器SP12 SP12是一種硅壓阻式壓力傳感器，它采用高精密半

18、導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路，其測量精度可達0.01一0.03%FS。由于傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，在不同溫度和不同信號供電電壓等等的情況下會出現(xiàn)漂移，而SP12設有補償功能，可以對壓力、加速度、溫度、供電電壓等信號進行檢和補償，準確提供不同型號輪胎在不同環(huán)境時的正確補償值，有效地保證了測量可靠性。 SP12有14個引腳，其中NCS為片選端，低電平有效，當把NCS拉低后，就選中了芯片，它就可以工作了;SDI、SDO和SCLK三個引腳，組成了SPI口，通過此口可以向傳感器傳送指令，測量后數(shù)據(jù)也是通過這個口輸出的;SP12還可以提供兩路輸出，分別是WAKEUP和RESET,它們

19、可以為單片機提供中斷或者喚醒信號，每一路輸出都可以在一定時間間隔之后送出一個脈沖，都是低電平有效，WAKEUP引腳標準的輸出周期為6ms，RESET引腳標準的輸出周期為51分鐘。 SP12傳感器測量壓力所需要的時間是6ms，分辨率是 1.37KPa/1sb，測量出來的數(shù)據(jù)與實際壓力的換算公式為 P=Rx1.37+100其中R表示通過讀數(shù)指令讀出的寄存器的值，乘上系數(shù)1.37再加上100就是實際的壓力值，單位是KPa，當R值為0的時候，P等于100，此時證明輪胎壓力為一個標準大氣壓。SP12測量溫度所需時間是1.sms，測量分辨率是1“C/lsb，但是所測得溫度與實際溫度有一定的偏差，對溫度誤差

20、進行補償?shù)墓綖橹?T=-0.92+0.004*Tsp12+0.0002*Tsp12;其中Tsp12是SP12所測量到的溫度，T是補償系數(shù)。 Sp12引腳圖 傳感模塊電路圖設計電路時，TEST、VSS、NC、DIGIN引腳都需要接地，電源引腳VDD接到電源VCC上面，然后在VDD和地之間接一電容C7，這樣電容可以起到濾波的作用，把電源中不穩(wěn)定的毛刺消除掉。射頻發(fā)射部分T5754T5754是ATMEL公司推出的采用PLL(鎖相環(huán))結構的單片甚高頻UHF ASE/FSK發(fā)射器，是專門滿足低成本數(shù)據(jù)通訊的要求而開發(fā)的。其數(shù)據(jù)傳輸速率可達32kBaud，發(fā)射頻率范圍是429MHz一439MHz。當工作

21、電流9mA時輸出功率僅為7.5dBm，電源電壓為2.0v一4.0v，采用TSSOP8L封裝，體積小。單端天線輸出，可以通過CLK引腳給微控制器提供時鐘。在ANT1和ANT2上面具有ESD保護功能。 T5754引腳圖引腳1：CLK 時鐘信號輸出，為微控制器提供時鐘信號，輸出頻率為fXTAL/4;引腳2：PAENABLE，功率放大器開關，用于ASK調制;引腳3、4:ANT1和ANT2分別為天線輸出極的集電極(OC)和發(fā)射機;引腳5：XTAL，外接晶振;引腳6：VS，電源電壓;引腳7：GND，接地;引腳8：ENABLE，使能控制輸入。 T5754內部結構框圖T5754內部結構框如圖4.6所示，芯片內

22、包含射頻功率放大器(PA)，晶體振蕩器(XTO)、壓控振蕩器(VCO)、相頻檢波器(PFD)、分頻器、充電泵(CP)等電路，鎖相環(huán)(PLL)合成器由壓控振蕩器、分頻器、相頻檢波器、充電泵和回路濾波器組成。壓控振蕩器被鎖定在32*fXTAL，頻率為433.92MHz的發(fā)射器需要一個13.56MHz的晶體振蕩器。鎖相環(huán)和壓控振蕩器所有外圍器件都是集成的。XTO是一個串聯(lián)諧振的振蕩器，外部元件只需要一個電容和一個晶振串聯(lián)到地即可。在鎖相環(huán)被鎖定和時鐘輸出穩(wěn)定之前，晶體振蕩器和鎖相環(huán)需要小于3ms的穩(wěn)定時間。而在CLK提供給微控制器時鐘信號并且射頻功率放大器被接通前，必須有一段不小于lms的等待時間。

23、射頻功率放大器是集電極開路的輸出，傳送的是電流脈沖，而這個電流幾乎完全取決于負載阻抗。因此發(fā)射輸出功率是由負載阻抗來控制的。這種輸出匹配方式使得發(fā)射器方便的匹配到任何天線或者500的負載。當用3v供電時，在433.92MHz的最佳負載阻抗是Z=(l6+j223)o，此時可以得到最佳的效率。當ENABLA端和 PA_ENABLE端都為低電平時，電路處于待機狀態(tài)，此時電流消耗很小(350nA)，因此一個鋰電池可以提供好幾年的電源。射頻接受部分T5743T5743是一個多片鎖相環(huán)接受芯片，SO20封裝，是專門為滿足低成本RF數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求而開發(fā)出來的。傳輸曼徹斯特或者雙相位編碼，速率可達1KBa

24、ud一10KBaud。它被廣泛應用在遙測、安全技術、無鍵輸入系統(tǒng)等領域，支持ASK和FSK兩種模式，接受頻率從300MHz一45oMHz。T5743特點:(l)支持300kHz和6O0kHz接收帶寬;(2)IC狀態(tài)指示、睡眠、工作三種模式;(3)可編程的數(shù)字噪聲抑制功能;(4)低速率數(shù)據(jù)傳輸時靈敏度高;(5)使用單端天線輸入。接收器T5743的引腳圖如下圖所示：引腳1：SENS，靈敏度控制電阻;引腳2：ICACTIVE，IC狀態(tài)指示，低電平為睡眠模式，高電平為激活模引腳14：XTAL，接晶振;引腳17：DATA_CLK，數(shù)據(jù)串的位時鐘;引腳19：方式選擇;引腳20：DATA，數(shù)據(jù)輸出或設置輸入。射頻接收部分電路圖如下：上位機電源汽車中電源一般為12v的直流電，而胎壓監(jiān)測系統(tǒng)上位機VDD需要5v的電源，因此就要實現(xiàn)一個12v到5v的電壓轉換，采用穩(wěn)壓管7805就可以實現(xiàn)，穩(wěn)壓電路如圖4.17所示，其中J3是一個接頭，把12v電源直接與之相連即可。IN5718可以防止電源正負極接反，它只有在接法正確的時候才可以導通。電容CPI、CP3、CP4和CPS，可以濾出電源轉換過程中出現(xiàn)的毛刺，使輸出盡可能的穩(wěn)定。電壓轉換電路如下圖：穩(wěn)壓電路硬件電路圖：下位機下位機原理圖上位機上位機原理圖四、課程設計小結與體會經(jīng)過為期一周的實訓，我在不斷的學習與查閱資料中獲得了許多的體會