基于單片機的胎壓監(jiān)測設(shè)計

摘要隨著時代開展和科技進步汽車已成為了人們常用的且離不開的交通工具。隨著汽車數(shù)量的增多交通事故發(fā)生的數(shù)量也越來越多，而其中汽車輪胎壓力正常與否成為重要因素。據(jù)汽車工程師學(xué)會統(tǒng)計,美國每年由于輪胎欠壓以及滲漏造成的有26萬左右起交通事故。而在中國這原因也高達有大約70％。所以,對汽車爆胎的監(jiān)測和解決方法已成為平安駕駛的重要開展方向,而其中確保輪胎有著正常適宜的胎壓是解決的這個問題的重中之重。目前成熟的汽車壓力檢測系統(tǒng)有直接式和間接式。因為直接測量方法可靠方便，所以在本文中我選用了這種方法。另外在文中對多種傳感器進行了比擬最終確定方案為使用SP12傳感器，SP12作為一種數(shù)字式汽車專用胎壓監(jiān)測傳感器具有優(yōu)良的性能。為了降低功耗，本文采用了低頻喚醒方法。所謂的低頻喚醒方法，就是在駕駛室內(nèi)用MC33690芯片構(gòu)成了低頻信號發(fā)射電路，同時我在輪胎內(nèi)部安裝了LC低頻信號接收電路，用于接收喚醒信號，從而喚醒單片機。最后，為了提供穩(wěn)定的電源用于給系統(tǒng)供電，我選用了ABLE〔愛博爾〕公司的ER2450。另外因為文中數(shù)據(jù)大多為通過無線傳輸，所以我選用NRF24L01射頻芯片進行傳輸信息。而定位問題那么是利用頻分方法結(jié)合跳頻接收方式來確定車輪位置。該監(jiān)測系統(tǒng)的使用范圍是100-400千帕,系統(tǒng)精度可以到達1.4千帕。關(guān)鍵詞:汽車胎壓監(jiān)測SP12NRF24L01AbstractWiththedevelopmentofsciencetechnologyandeconomics,carhasbeenimportantvehiclethatpeoplecannotbeenwithout.However,theincreasementoftheamountofcarsleadstomoreandmoretrafficaccidentshappened.Inthese,thepressureoftyreiskeyfactor.AccordingtoSAE(societyofautomotiveengineers),about260,000accidentsiscausedbythelackofpressureoftyre.Andinchina,about70%accidentsarecausedbytyreburst.So,preventingtyrebursthasbeenanimportantissue.Asfar,TPMSisdividedintotwokinds—directlyandindirectly.Inthispaper,Iselectthefirstoneforitsconvenience.Inaddition,compareofthreekindsofsensorsismade.Atlast,SP12ischosen.Asakindofsensorusedspeciallyincar,SP12hasagoodcharacter.Tolowerthepowerconsumption,Ichoosethemodeofawakeningbylowfrequency.MC33690isusedtotransferasignalwithalowfrequency.AndthissignalisreceivedbyaLCcircuit.Tosupportasteadypower,ER2450wasused,whichismadebyABLEcompany.Themostofinformationistransferredinthemodeofwireless.NRF24L01isusedtotransferpressure.Andwhichtyrecanbelocatedbecausethefrequencyoftransferringineverytyreisdifferent.Therangeofworkingisfrom100KPato400KPa.Theprecisionis1.4KPa.Keywords:tyrepressuremonitoringSP12NRF24L0目錄摘要IAbstractII1緒論11.1課題產(chǎn)生背景及其意義11.2國內(nèi)外開展狀況11.3擬采取的研究方法及選用技術(shù)21.4本論文的內(nèi)容簡介32TPMS分類及原理介紹42.1間接式42.1.1計算式間接42.1.2磁敏式間接42.1.3基于SAW方式52.2直接式53系統(tǒng)的總體設(shè)計73.1系統(tǒng)的需求分析73.1.1工作環(huán)境73.1.2技術(shù)分析73.1.3汽車輪胎爆胎原因分析73.2系統(tǒng)的總體設(shè)計8總體設(shè)計8檢測模塊設(shè)計9主機局部設(shè)計94元器件介紹104.1傳感器10英飛凌的SP12，SP12T,SP3010飛思卡爾的MPXY8300系列114.1.3GE的NPX系列12三種傳感器比擬124.2MCU134.3RF射頻收發(fā)芯片13模塊簡介：13模塊電氣特性144.3.3模塊引腳說明144.3.4模塊與單片機接口電路154.3.5工作模式控制164.3.6數(shù)據(jù)和控制接口164.4MC3369017特點174.4.2引腳圖184.5供電電源184.6天線184.7液晶屏194.8結(jié)論195系統(tǒng)關(guān)鍵問題的解決205.1功耗問題205.2輪胎定位問題205.3NRF24L01跳頻接收216硬件設(shè)計226.1傳感器局部電路設(shè)計226.2采樣端RF發(fā)射局部電路設(shè)計226.3低頻信號接收電路236.4顯示電路246.5低頻信號發(fā)射電路246.6主機電路257軟件設(shè)計及仿真結(jié)果267.1總體設(shè)計267.2運行LCD顯示子程序277.3射頻發(fā)射子程序287.4射頻接收子程序297.7液晶屏顯示仿真結(jié)果30總結(jié)32致謝33參考文獻34附錄351緒論1.1課題產(chǎn)生背景及其意義隨著交通運輸?shù)牟粩嚅_展，汽車數(shù)量和車速也越來越高。而伴隨著的那么是對平安嚴重考驗。而爆胎，疲勞駕駛，超速已經(jīng)成為了三大交通事故殺手。而其中以汽車爆胎的難預(yù)測和不確定性成為了司機頭疼不已的事情。據(jù)統(tǒng)計，在中國因為爆胎引發(fā)的事故比例達70%，在美國更是高達80%。因此怎么樣防止汽車爆胎原因成為了一項重要課題。據(jù)國家輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心專家研究發(fā)現(xiàn)，汽車輪胎氣壓正常與否是一項重要因素。因此汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)〔TyrePressureMonitoringSystem簡稱TPMS〕那么變成了最理想的工具。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生。所以輪胎氣壓情況檢測是必須的，而氣壓量是無法通過肉眼觀測的，而且在高速行駛時也是不實際的，TPMS可以幫助人們隨時隨地不間斷的監(jiān)測氣壓量。從經(jīng)濟性上考慮，據(jù)統(tǒng)計和試驗驗證氣壓量每下降十分之一而輪胎的壽命會縮短四分之一[1]。不僅如此，從油耗上看，汽車輪胎氣壓量下降時會使得輪胎與地面摩擦力下降，而且輪胎抓地力不牢導(dǎo)致油耗會上升。根據(jù)實驗研究氣量下降十分之一時在相同油量下汽車行駛會下降2%。同時在汽車保養(yǎng)方面，當氣壓量下降時汽車底盤下沉，懸掛系統(tǒng)也會受到損傷，時間一長造成極大的經(jīng)濟損失。不僅如此，這些損傷還會造成交通事故，造成人身平安危害。因為這些重要方面原因，各個國家先后將TPMS列為汽車必備系統(tǒng)之一。而其中美國作為先驅(qū)者始終保持著領(lǐng)先地位。1.2國內(nèi)外開展狀況美國早在2003年就通過了TRAD法案，其規(guī)定了美國所有汽車2007年起必須安裝TPMS。另外2004年美國國家公路平安管理局規(guī)定了TPMS在汽車胎壓低于標準值的25%-30%時向司機報警。繼美國之后，歐洲也開始著手制定其標準[2]。第一個TPMS的是由英國美達公司成功研制的。2004年，在美國博覽會上，加拿大的一家汽車輪胎設(shè)備制造廠展出了世界上第二套TPMS。2003年日本的阿爾卑斯電氣公司成功研制出了無需電池的TPMS。生命是極其可貴的。隨著外國標準的制定以及技術(shù)的開展，我國對于汽車使用的TPMS也開始制定標準。而今，隨著國家政策的投入和批準，以及人民對生命平安的重視，這項產(chǎn)業(yè)也開始蓬勃開展。我國在2000年開始TPMS系統(tǒng)的研究和引入，并于2004年步入高潮。1.3擬采取的研究方法及選用技術(shù)大局部的TPMS系統(tǒng)主要局部有：位于汽車輪胎內(nèi)部的遠程胎壓監(jiān)測模塊〔RemoteTyrePressureMonitoring〕即是使用nrf24L01和SP12組合而成的檢測模塊和安在駕駛臺上的監(jiān)視器〔LCD顯示器〕即接收器與液晶屏顯示。安裝在每個輪胎內(nèi)部的測量輪胎壓力，將測量得到的信號經(jīng)過nrf24l01調(diào)制后通過高頻無線電波〔RF〕發(fā)射出去。通常情況下一個TPMS系統(tǒng)有4個RTPM模塊。駕駛室內(nèi)的監(jiān)視器接收由nrf24l01模塊傳回的信息，并將數(shù)據(jù)在屏幕上顯示，供駕駛者加以參考。一旦汽車輪胎發(fā)生了異常情況，駕駛室內(nèi)的監(jiān)視器可以根據(jù)不同的異常情況，發(fā)出報警信號。TPMS大體分為兩種類型：間接式，它利用的是輪胎速度差，從而可以監(jiān)測輪胎狀況，但其缺點是無法對多個輪胎不正常狀態(tài)做出準確判斷且在高速下也無法做出判斷。第二種直接式TPMS，它使用壓力傳感器直接測量壓力得出數(shù)據(jù)，并通過高頻傳出信號。監(jiān)視器可以動態(tài)顯示氣壓值，并可以在不正常狀態(tài)下向駕駛員提出報警。經(jīng)實驗證明直接式要比間接式方便和精確。因此許多汽車制造廠商采用了直接式方式?，F(xiàn)在國內(nèi)各個汽車廠家也開始追隨世界潮流，在自己的汽車上安裝直接式檢測系統(tǒng)，但大多為國外成品，自主能力較差開展?jié)摿^深。本設(shè)計選用的是直接式測量方法。它以PIC16F628單片機為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片SP12和2.4GHz全雙工無線通信收發(fā)模塊nRF2401[3]。SP12在單片機控制下檢測壓力傳輸數(shù)據(jù)。并以數(shù)字量形式輸出,再經(jīng)過單片機MCU打包后通過nRF2401調(diào)制成高頻發(fā)射出去。而同時,也可以利用24l01傳輸控制信號[4]。而在接收方在接收信號后經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)整再通過液晶屏顯示。1.4本論文的內(nèi)容簡介本論文的章節(jié)安排如下：第1章：主要介紹了汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究背景和意義，分析了汽車輪胎壓力對汽車運行的影響，并介紹了國內(nèi)外TPMS開展狀況。第2章：介紹了TPMS的分類和測量原理以及對爆胎原因進行了介紹。第3章：大體介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計方案，以及該設(shè)計所需到達的要求，外界環(huán)境狀態(tài)，以及對技術(shù)要求進行了分析。第4章：詳細的介紹了文章所使用的各種芯片，以及選用芯片的標準。重點介紹了射頻芯片和低頻發(fā)射芯片和比擬了壓力傳感器的優(yōu)缺點。第5章：提出了在設(shè)計中所遇到的關(guān)鍵的兩個問題，并提出了多種解決方案，在這些方案中選擇了最為適宜的方案加以實際解決。第6章：將各局部電路圖展示，并加以詳細的說明介紹。第7章：大體說明了軟件設(shè)計流程，對軟件設(shè)計提供了詳細的指導(dǎo)。另外對結(jié)果進行了仿真測試。2TPMS分類及原理介紹2.1間接式所謂的間接式就是非直接接觸測量，氣壓值不是由傳感器直接給出數(shù)據(jù)的方式?，F(xiàn)在較為常用的兩種方法為計算式和磁敏式。2.1.1計算式間接間接式的大體原理就是測量輪胎轉(zhuǎn)速，當輪胎不正常時，汽車輪胎轉(zhuǎn)速會變得不正常。利用當前速度與ABS[5]速度相比擬可以得知當前輪胎壓力狀況，當輪胎漏氣或者爆胎時，車輪直徑會變小從而速度會變大，經(jīng)過測速傳感器測量到微處理器中進行處理比擬最終得知車輪的變化。方法較為簡單實用，且安裝方便。其方法框圖如圖2-1所示。但同時這種方法也具有很大的局限性和缺陷。首先當速度過大時比方大于100碼時得出的結(jié)果就會不準確。另外如果兩個輪胎發(fā)生了異常，司機也無法判斷和解決。ABSABSVSC-CPU波形處理輪胎在VSC控制范圍內(nèi)1、排除共振外的雜波2、推算輪胎彈簧常數(shù)的變化3、對氣壓低的判斷和處理液晶屏顯示LED燈報警速度傳感器圖2-1計算式間接TPMS結(jié)構(gòu)圖2.1.2磁敏式間接所謂的磁敏式方法是在車輪內(nèi)部安裝磁性組件，當輪胎發(fā)生異常時會使得磁性組件發(fā)生偏移從而改變與外界磁敏器件〔如;霍爾器件〕之間的磁場強度，利用磁敏器件測量這些變化從而得知輪胎內(nèi)部壓力狀況其框圖如圖2-2所示。利用這種方法可以無需直接接觸輪胎內(nèi)部就可以得知壓力狀況。這種方法中所用的器件都是安裝在輪胎外部所以在對器件選擇時就不需要太高要求。如對其耐溫，耐壓能力無需太高大大降低了由器件造成的本錢消耗。但同時其缺點也是顯而易見的：首先無法定量的測量內(nèi)部壓力。第二，因為輪胎氣量在不同溫度下不同行駛條件下對氣壓要求是不一樣的，比方：在夏天氣壓會比冬天得低。第三，由于汽車輪胎使用時會發(fā)生磨損外表會變薄，安裝的磁敏組件與磁性組件之間的距離會變小，需要不斷地調(diào)整標準量。顯示報警裝置霍爾裝置顯示報警裝置霍爾裝置信號處理A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動器電子控制單元磁敏組件圖2-2磁敏式間接TPMS結(jié)構(gòu)圖基于SAW方式所謂的SAW就是SurfaceAcouticWave的縮寫[6]，即使外表聲波它是在1885年英國物理學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)的。該研究說明在彈性晶體外表存在一種波動，也就是我們所說的外表聲波[7]。當外界向由晶體構(gòu)成的SAW組件發(fā)射一定的頻率的高頻電波時，SAW會接收并發(fā)回一定頻率的信號，當該組件處在不同壓力和溫度時返回的信號頻率也不同，由此可以測量輪胎內(nèi)部壓力。2.2直接式所謂的直接式就是使用壓力傳感器直接埋入輪胎檢測壓力值安裝位置[8]如圖2-3所示，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳出的方式。其中又包括機械式和電子式，這是由其傳感器的類型所決定的。當談到直接式系統(tǒng)時為了直觀的理解我們需要了解的是發(fā)射裝置的安裝情況其安裝位置也是需要我們仔細考慮的問題。目前發(fā)射裝置安裝位置主要分為兩類：第一種安裝在輪轂上，另一種安裝在氣門芯上。無論安裝在何位置都要考慮的是平衡問題。所以在汽車安裝時都會做平衡校驗。事實上安裝在氣門芯上是現(xiàn)在的主流。因為可以把發(fā)射天線用氣門芯代替。圖2-3直接式TPMS安裝圖3系統(tǒng)的總體設(shè)計3.1系統(tǒng)的需求分析工作環(huán)境TPMS的采樣端位于輪胎內(nèi)部，工作在密封的環(huán)境中。故而需要無線通信實現(xiàn)信息交換。另外由于輪胎高速旋轉(zhuǎn)，所以必須固定牢靠。另外車胎內(nèi)部空間狹小對于系統(tǒng)體積必須有著嚴格控制。而且由于被深埋入輪胎內(nèi)部取出極不方便，所以必須采用微功耗設(shè)計。綜合起來，設(shè)計的主要要求如下：體積小，系統(tǒng)的體積應(yīng)盡可能的小；微功耗，采用電池供電電量有限，所以應(yīng)做到功耗低延長工作時間；抗干擾性能要好，因為采用無線通信采取適當方法抑制干擾提高通信可靠性；發(fā)射距離要適當，應(yīng)保持在4米到8米之間，過小信號無法到達接收端技術(shù)分析本設(shè)計的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)所采用的是直接式檢測輪胎壓力的方式。它采用的是鋰電池供電，通過埋入輪胎的壓力傳感器檢測壓力，再通過無線調(diào)制發(fā)射到駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器可以監(jiān)測每個輪胎的壓力，從而司機可以及時作出調(diào)整。具體要求如下：可以實時監(jiān)測以及顯示每個輪胎的壓力情況；在氣壓過高或者欠壓時能發(fā)出報警并警告駕駛員；汽車輪胎爆胎原因分析汽車爆胎是汽車行駛時遇到的最常見的危害，而其原因也是多樣的。負荷過大，胎內(nèi)氣壓，溫度，行駛速度都是很重要的因素。所以研究汽車輪胎爆胎也成為了一項系統(tǒng)而重要的研究課題。而目前汽車所使用的子午胎〔即無內(nèi)胎〕爆胎原因更為復(fù)雜，但其中最多的也是最常見的是輪胎欠壓。目前子午胎為了提升輪胎的強度，會在外層加上一圈鋼絲。當輪胎欠壓或是漏氣時會使車體下沉，隨之溫度因輪胎摩擦加重而升高。溫度的升高會使輪胎老化加快，鋼絲變形，最終內(nèi)部斷裂。其原因如下：漏氣因外界銳器扎破輪胎導(dǎo)致氣壓迅速下降，這會使汽車迅速偏向并失去控制，在交通平安中這是一種極為危險的事；胎壓過低由于使用時間長輪胎內(nèi)部氣體量下降到一定程度，在高速行駛時，摩擦急劇加重，并在突然拐彎時輪胎壁接觸地面，從而導(dǎo)致爆胎。這種現(xiàn)象在發(fā)生交通事故時極為常見。所以為了交通平安，行駛前必須仔細檢查汽車輪胎胎壓是否氣量過低。3.2系統(tǒng)的總體設(shè)計總體設(shè)計根據(jù)功能及技術(shù)要求，系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖3-1所示SP12SP12PIC16F628ARF發(fā)射第一輪臺模塊RF接收單片機液晶屏顯示及報警SP12PIC16F628ARF發(fā)射第四輪臺模塊LF低頻發(fā)射LF喚醒電路LF喚醒電路圖3-1總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖檢測模塊設(shè)計檢測模塊功能主要是收集壓力信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過處理單元處理數(shù)據(jù)，再通過射頻無線傳輸出去。由傳感器將信息傳入微處理器中，再由微處理器對格式轉(zhuǎn)換，再進行編碼處理變成適宜調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式。具體設(shè)計如下：壓力傳感器MCU壓力傳感器MCU射頻發(fā)射電路圖3-2檢測模塊結(jié)構(gòu)圖主機局部設(shè)計主機局部包括射頻信號接收裝置，接收之后傳入MCU進行處理，從這些數(shù)據(jù)中提取各個輪胎壓力，在進行進制轉(zhuǎn)換后成為十進制數(shù)據(jù)再在液晶屏上顯示。再經(jīng)過比擬程序處理比擬大小。最終由比擬結(jié)果進行相應(yīng)的報警提示處理。接收裝置接收裝置MCU顯示及報警人機接口圖3-3主機局部結(jié)構(gòu)圖4元器件介紹本文中所使用的元器件主要分為兩局部：采樣并發(fā)射局部以及主機接收局部。其中主機局部主要有MCU，射頻芯片RF，顯示屏LCD，由于其位于駕駛室內(nèi)所以芯片性能到達商用根本即可。目前采樣發(fā)射局部有兩種安裝方式：第一種安裝在氣門芯上，第二種安裝在輪胎內(nèi)部。該局部主要包括數(shù)字壓力傳感器，MCU，鋰電池和天線等?，F(xiàn)在大多數(shù)汽車輪胎采用的是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，安裝固定是容易的。但汽車行駛時輪胎內(nèi)部壓力溫度變化劇烈所以該局部元件按照軍用級選用。4.1傳感器目前由于數(shù)字式的傳感器體積小，功耗低，性價比高，使用方便的各方面優(yōu)越性能逐漸取代了傳統(tǒng)的無源傳感器。對于汽車胎壓檢測傳感器世界上著名的有：英飛凌公司的SP12系列，飛思卡爾MPXY8300系列，GE的NPX1和NPX2。英飛凌的SP12，SP12T,SP30SP12是德國英飛凌公司面向TPMS研發(fā)的重要元件。它是一種壓電電阻式傳感器適用范圍可達100-400kpa，自帶有一個數(shù)字串行通訊口，可以方便的應(yīng)用在單片機系統(tǒng)中以適應(yīng)多種復(fù)雜的任務(wù)要求。SP12有14腳的精簡封裝，應(yīng)用時無需其他外部器件。其精度為1.37Kpa/lsb[9]。另外SP12T與SP12所使用的電池電壓和溫度測量規(guī)格是相同的，但是未來更適用于重型車輛的要求，SP30是將傳感器與MCU封裝在一起，這也是今后英飛凌公司的重點開展方向。具體介紹如下:1.推薦工作環(huán)境如表4-1所示2.測量性能需要注意的是對于一個數(shù)字式傳感器的測量精度影響最大的是其所處環(huán)境的溫度,另外需要理解的是SP12不僅僅只是壓力測量傳感器事實上它是一個集壓力，溫度，加速度，電壓測量于一體的四合一傳感器。表4-1工作環(huán)境表使用指標最小值min最大值max單位溫度范圍-40+125℃測量進行所需電壓2.13.6V測量未進行時電壓1.85.5V壓力輸入100450Kpa注：以上壓力均為絕對值,只有電壓在測量電壓范圍內(nèi)時，測量的精度才會在說明范圍內(nèi)。3.綜上所述SP12傳感器有以下特點：檢測精度方面：因為SP12采用的是精度較高的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片構(gòu)成的惠斯通電橋作為力電變換測量電路的，所以其測量精度非常高〔0.01%-0.03%FS〕；可靠性方面：SP12具有誤差補償功能，可對壓力電源電壓信號的檢測和補償。準確的給出不同種類的輪胎在不同壓力情況下的正確補償值，從而可以有效的保證了結(jié)果的可靠性；低功耗方面：SP12可以優(yōu)先喚醒瞬態(tài)操作模式，當工作在此狀態(tài)時功率消耗，僅為0.6微安秒，最大所需電流為6mA,大大的降低了功耗，延長了電池的使用壽命。飛思卡爾的MPXY8300系列MPXY8300系列是專用于檢測汽車輪胎各個參數(shù)以及行駛狀態(tài)的傳感器，在該傳感器內(nèi)包含了壓力，溫度等參數(shù)的測量電路，另外包含了MCU和射頻輸出[10]。其管腳圖如圖4-2所示。MPXY8300特點如下:MPXY8300測量時將由傳感器測出的值經(jīng)過內(nèi)部4通道，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。8位MCU：S08內(nèi)核帶SIM，中斷和調(diào)試/監(jiān)視器，512RAM，8KFLASH,32字節(jié)，低功耗，參數(shù)存放器。圖4-2MPXY8300引腳圖內(nèi)部具有315/434MHZRF發(fā)射器，無需外加。差分輸入LF探測器/解碼器GE的NPX系列GE一直致力于傳感器的開發(fā)和研究[11]，其中NPX1集成了硅壓力傳感器，溫度傳感器，電壓傳感器和低功耗的8位RISC微處理器，以及一個低頻喚醒輸入級有了這些就可以方便使用者選擇型號類型，從而降低本錢，節(jié)省開支，節(jié)約資源。其性能和根本參數(shù)如下：高集成度:壓力、溫度、電壓三種參數(shù)傳感以及MCU集于一體；數(shù)字式的壓力、溫度以及電壓量的補償和修正；電源管理：最小化功耗，極低的待機靜態(tài)電流，進一步節(jié)省能耗；多種喚醒方式：內(nèi)部時鐘喚醒;低頻信號喚醒；外部觸發(fā)喚醒；12位低噪聲ADC；32位內(nèi)置產(chǎn)品尋列號；芯片內(nèi)置過熱保護功能和傳感器故障監(jiān)測功能；壓力，溫度傳感器可以斷線檢測；電池電壓檢測內(nèi)部包含看門狗；三種傳感器比擬GE公司的NPX傳感器因為開發(fā)需要專門的開發(fā)工具，本錢會大大提高，所以不適宜用來實驗。另外因為飛思卡爾MPXY性價比不高，且市面上單獨出售較少所以也不被選用。而SP12致力于開發(fā)商用型汽車比擬切題，而且市面上數(shù)量較多，性價比適宜，因此我采用SP12傳感器。4.2MCU本設(shè)計中對于輪胎內(nèi)部MCU的要求是低功耗，汽車級溫度適用性，體積適宜，對于功能上只要夠用即可。首先考慮的是斷電模式，這直接關(guān)系到功耗的上下。另外最重要的就是時鐘系統(tǒng)，這是降低功耗的關(guān)鍵。需要選擇具有睡眠狀態(tài)的MCU從而在不工作時降低功耗。另外，對于體積的要求我們選擇18腳的單片機已經(jīng)足夠了。而位于駕駛室內(nèi)的單片機選用的是8051單片機，因為對這種單片機非常熟悉再次不再贅述[17]。所以我選擇了Microchip公司的PIC的單片機PIC16F627A[12]。下面具體介紹其性能：內(nèi)部自帶了較高精度的4MHZ振蕩器；低功耗的內(nèi)部48KHz振蕩器；看門口有單獨的振蕩器，確?？煽康倪\行；低功耗性能：當電壓為2.0V時，典型值僅為100nA外設(shè)功能：16個具有獨立方向控制的I/O端口較高灌、拉電流可以直接驅(qū)動LED捕捉、比擬、PWM模塊,16位捕捉/比擬,10位PWM4.3RF射頻收發(fā)芯片模塊簡介：nRF24L01是一種單片射頻收發(fā)器件,正常工作于2.4GHz～2.5GHzISM〔工業(yè)開放頻段〕頻段[13]。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器等功能模塊,并采用了增強型ShockBurst技術(shù)，輸出功率和通信頻道是可通過程序進行配置。另外nRF24L01功耗低可以適用于輪胎內(nèi)部對于功耗的要求。nRF24L01主要特性如下：1．支持2.4GHz的開放ISM頻率范圍，最大發(fā)射功率情況下為0dBm2．2Mbps，傳輸速率高3．功耗低，等待模式時電流消耗僅22uA4．多頻點〔125個〕，滿足多點通信及跳頻通信需求5．在空曠場地，有效距離：25m〔外置天線〕、10m〔PCB天線〕模塊電氣特性表4-4電氣參數(shù)表參數(shù)數(shù)值單位供電電壓5V最大發(fā)射功率0dBm最大數(shù)據(jù)傳輸率2Mbps電流消耗〔發(fā)射模式，0dBm〕11.3mA電流消耗〔接收模式，2Mbps〕12.3mA電流消耗〔掉電模式〕900nA溫度范圍-40~+85℃模塊引腳說明圖4-3NRF24L01引腳圖具體引腳功能如表4-5所示：表4-5NRF24L01引腳功能表管腳符號功能方向1GND電源地-2IRQ中斷輸出輸出3MISOSPI輸出輸出4MOSISPI輸入輸入5SCKSPI時鐘輸入6NC--7NC--8CSN片選信號輸入9CE工作狀態(tài)選擇輸入10+5V電源-11GND電源地-12IRQ中斷輸出輸出13MISOSPI輸出輸出14MOSISPI輸入輸入15SCKSPI時鐘輸入16NC空-模塊與單片機接口電路VCCVCCI/0I/0I/0I/0I/0I/0GND單片機GNDMCU模塊+5VCECSNCNCNSCKMOSIMISOIRQGNDNrf24L01圖4-4NRF24L01與單片機接口圖注：使用AT89S52MCU模塊時，請將Nrf24L01通訊模塊各個端口〔MOSI、SCK、CSN和CE〕接上4.7K的排阻上拉到VCC從而增強其驅(qū)動能力。假設(shè)使用其它驅(qū)動較強的單片機與Nrf24L01通訊模塊相連時請串聯(lián)上2K電阻。工作模式控制工作模式主要由CE和PWR_UP和PRIM_RX兩存放器共同控制：表4-6工作模式選擇表狀態(tài)PWR_UP單元PRIM_RX單元CE管腳FIFO存放器接收狀態(tài)11高-發(fā)射狀態(tài)10高數(shù)據(jù)存在FIFO存放器中，將發(fā)射所有數(shù)據(jù)發(fā)射模式101→0數(shù)據(jù)存儲在FIFO存放器中，將發(fā)射一個數(shù)據(jù)待機狀態(tài)II10高FIFO存放器中無數(shù)據(jù)待機狀態(tài)I1-低無正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)掉電狀態(tài)0數(shù)據(jù)和控制接口通過以下六個引腳，可實現(xiàn)模塊的所有功能：1.IRQ〔為0時有效，用于中斷輸出方式〕2.CE〔在為1時有效，用于控制發(fā)射與接收〕3.CSN4.SCK5.MOSI6.MISO 所有的SPI指令均在當CSN由低到高開始跳變時執(zhí)行；從MOSI寫命令的同時，MISO實時返回24L01的狀態(tài)值；SPI指令由命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)兩局部組成。SPI讀寫時序見圖4-6。在對存放器進行寫處理時，要先將芯片進入待機狀態(tài)或掉電狀態(tài)，才可以操作成功。SPI讀時序SPI寫時序圖4-5SPI時序圖4.4MC33690本文中為了降低采樣端功耗，采用了低頻喚醒模式即:在主電路局部使用MC33690芯片制作的低頻信號發(fā)射電路，來控制采樣端MCU的運行。當汽車停止時是采樣端處于睡眠狀態(tài)，當汽車啟動時喚醒。下面仔細介紹MC33690芯片[14]。特點自同步采樣保持解調(diào)器可接收和發(fā)射調(diào)幅和調(diào)相波形具有較高靈敏度低阻抗，大電流天線驅(qū)動器〔典型值150mA,2Ω〕較寬輸入電壓范圍：5.5V-40V；配合外加功放晶體管輸出電流可達150mA；輸出電壓為5V誤差為正負5%低功耗：待機狀態(tài)下電流僅為150uA遵循ISO9141發(fā)射和接收標準引腳圖圖4-6MC33690引腳圖4.5供電電源供電電源我選用鋰亞電池，因為它具有體積小，在正常溫度下在-40℃-125℃內(nèi)可以有效工作?；谶@些考慮我選擇了ABLE〔艾博爾〕公司ER2450。其性能指標如下：空載電壓：3.66V負載電壓：3.45V容量：0.5Ah工作溫度:-40℃-125℃保存時間：10年以上焊腳紐扣型，外殼加厚，可以焊接在PCB上，從而使安裝更牢固，防震性能更好。4.6天線天線是影響射頻輸出功率的一項重要因素，影響其效果的因素有:天線形狀，材料，傳輸介質(zhì)等。另外，因為發(fā)射器位于車轂內(nèi)且車輪都為金屬結(jié)構(gòu)電磁屏蔽嚴重。所以在設(shè)計時需要考慮金屬屏蔽，車輪的不斷旋轉(zhuǎn)，阻抗匹配等因素的影響。目前大多數(shù)汽車選擇用氣門嘴作為天線，這種方案具有體積小，加工方便，本錢低，易于標準化等優(yōu)點。而低頻天線處于駕駛室所以可以使用專門的125KHZ的天線[18]。4.7液晶屏本次采用的是LCD1602下面簡略介紹下它的性能：LCD1602主要技術(shù)參數(shù)如表4-11所示[16]：表4-11主要技術(shù)參數(shù)表可顯示容量：16*2個字符芯片工作適宜電壓：4.5-5.5V工作適宜電流：2.0mA(5.0V)模塊最正確狀態(tài)下電壓：5.0V字符尺寸大小：2.95*4.35mm4.8結(jié)論綜上所述本文采用以英飛凌公司的SP12為壓力傳感器，從機使用PIC16F627A單片機，并采用NRF24L01為射頻發(fā)射接收器，主機采用的是PIC16F877單片機為核心，并使用LCD1602顯示具體數(shù)值。另外使用三種顏色的LED發(fā)光二極管顯示目前狀態(tài)。5系統(tǒng)關(guān)鍵問題的解決5.1功耗問題由于傳感局部深埋在輪胎內(nèi)更換極不方便，因此降低功耗延長工作時間成為一個重要問題。所以在汽車停止運行或者操縱臺未開啟時，輪胎內(nèi)采樣端系統(tǒng)應(yīng)該處于睡眠待機狀態(tài)。目前實現(xiàn)忙時喚醒，閑時待機方案主要有：1.加速度喚醒這種方法是在檢測電路中參加一個可以檢測加速度的傳感器當汽車啟動到一定加速度時出現(xiàn)喚醒信號，是系統(tǒng)啟動。好處是減少了主電路局部的結(jié)構(gòu)，降低了本錢。但害處是不能做到完全可控，即當汽車剛啟動時無法獲知胎壓信息，進而無法立即作出判斷和動作2.低頻喚醒方式這種方式是在車胎內(nèi)的采樣端主機復(fù)位端配合低頻信號接收裝置，在主電路上安裝低頻信號發(fā)射裝置。當操控臺啟動時會向接收端發(fā)射125KHZ的低頻信號，隨后采樣端低頻信號接收到信號并使其復(fù)位開始工作。這種方法好處是可以實時可控在汽車未啟動時得知氣壓而采取措施。而缺點那么是需要安裝更多的器件增加了本錢，電路也更加復(fù)雜。本文中采用的是第二種方案。5.2輪胎定位問題TPMS中另一個重要問題就是定位問題。在數(shù)據(jù)傳回主電路后需要說明的是四個輪胎中的哪個，否那么司機無法對應(yīng)的采取措施。想要解決這個問題我們首先要了解NRF24L01的通道頻率。所謂的RF通道頻率指的就是nRF24L01使用的中心頻率，該頻率范圍是從2.400GHz到2.525GHz，以1MHz區(qū)分一個頻點，所以有125個頻點可使用。中心頻率是主要由參數(shù)RF_CH確定，公式為：F0=2400+RF_CH〔MHz〕。同樣的當NRF24L01作為接收電路時其接收頻率必須與發(fā)射頻率保持一致才能接收到相應(yīng)的信息。所以我們可以在將采樣端埋入輪胎之前將四個輪胎的中心頻率設(shè)置為四個不同的頻率，而主電路在接收的時候采取巡回檢測方法，這樣既可以保證每個輪胎都被檢測到，又能保證成功定位。5.3NRF24L01跳頻接收上面我們提到為了解決定位問題我們設(shè)置了不同頻率發(fā)射和接收的調(diào)頻技術(shù)。目前因為ISM2.4GHZ頻率范圍內(nèi)的沒有使用限制，所以我們可以輕易在其中選擇四個不同的頻率，為了方便統(tǒng)一管理我們可以以頻率劃分不同信道范圍。但需要注意的是ISM頻段對于功率是有著嚴格的限制的。6硬件設(shè)計6.1傳感器局部電路設(shè)計圖6-1檢測局部電路如圖6-1所示MCU采用的是20引腳的PIC16F627A單片機，將NCS連到RA2，SDO引腳與RA3相連，而RA4是漏極開路管腳，RA5是復(fù)位引腳所以與低頻信號接收電路相連。SP12的SCLK引腳與RA0相連提供時鐘信號，SDI與RA1引腳相連。使用的是4MHZ的晶振配合兩片15PF的瓷片電容。6.2采樣端RF發(fā)射局部電路設(shè)計圖6-2RF發(fā)射電路RF發(fā)射電路如圖6-2所示首先要指出的是E1天線在實際中是特殊的氣門芯，專門設(shè)計用來當做發(fā)射天線。其中使能端CE與單片機的RB0相連，CSN引腳與RB1連接，SCK與RB2，MOSI與RB3相連，IRQ與RB4，MISO與RB5相連。其中ANT1和ANT2連接的是天線電路，XC1和XC2連接的是外接晶振電路。6.3低頻信號接收電路圖6-3LC低頻信號接收電路低頻信號接收電路如圖6-3所示。為了節(jié)省空間和本錢，本文中使用的是簡單的LC并聯(lián)電路。而本文低頻信號只需用來作為開關(guān)信號所以無需太過精確所以采用這種方法非常適宜。圖中LC并聯(lián)電路，當接收到125KHZ的信號時會發(fā)生諧振從而使MCLR端口由低電平上升到高電平喚醒電路。其頻率算法為f0=6.4顯示電路圖6-4LCD顯示電路顯示電路如圖6-4所示。本文中采用的是LCD1602液晶屏顯示，其中DB0，DB1，……與P0.0，P0.1……相連。Vee管腳接上一個10K電位器，RS與P2.7，R/W與P2.6，使能管腳E與P2.5相連。Vee所接的是比照度調(diào)節(jié)調(diào)整電位器，可以調(diào)節(jié)液晶屏亮度和文字之間的比照度。6.5低頻信號發(fā)射電路圖6-5MC33690低頻信號發(fā)射電路圖6-5中MC33690是飛思卡爾專門用于發(fā)射低頻信號的芯片，TD1和TD2管腳接的是專門的125KHZ天線再配合電容的和電阻[15]。AM與單片機RC1相連，為中斷觸發(fā)管腳。MODE2管腳為低電平時芯片會進入睡眠狀態(tài)，在此狀態(tài)下芯片振蕩器和輔助電路是不工作的，從而進一步降低功耗。當MC33690與MCU相連時如果沒有MOSFET管那么可以空出不連。6.6主機電路圖6-6MCU主機電路7軟件設(shè)計及仿真結(jié)果7.1總體設(shè)計開始開始初始化初始化對數(shù)據(jù)進行比擬大小接收壓力信號發(fā)出低頻信號對數(shù)據(jù)進行比擬大小接收壓力信號發(fā)出低頻信號屏幕顯示及報警屏幕顯示及報警否停止否停止是是結(jié)束結(jié)束圖7-1總體設(shè)計流程圖在本文主程序中主要有五個子程序?qū)?yīng)圖7-1中的各個子程序，再開機時先對器件進行初始化，然后發(fā)出低頻喚醒信號是采樣端啟動并傳回數(shù)據(jù)。在主機接收到數(shù)據(jù)后會對數(shù)據(jù)進行處理以及顯示和報警等操作。7.2運行LCD顯示子程序到00H是否取表TAB3開始LCD初始化設(shè)置為第一行顯示取表調(diào)用寫入子程序取表指針加1取TAB2調(diào)用寫入子程序返回將40H中高位BCD碼作為偏移量將41H中低位BCD碼作為偏移量調(diào)用寫入子程序圖7-2數(shù)據(jù)顯示程序到00H是否取表TAB3開始LCD初始化設(shè)置為第一行顯示取表調(diào)用寫入子程序取表指針加1取TAB2調(diào)用寫入子程序返回將40H中高位BCD碼作為偏移量將41H中低位BCD碼作為偏移量調(diào)用寫入子程序如圖7-3所示為LCD顯示子程序的操作流程圖。因為本文中使用的是LCD1602液晶屏所以會顯示兩行數(shù)據(jù)，在程序設(shè)計時要注意兩行的切換。同時需要注意的是每行只能顯示16個字符。7.3射頻發(fā)射子程序開始開始拉低CE進入待機模式配置00H進入待機模式配置各個存放器拉低CSN寫入所有數(shù)據(jù)拉高CSN拉高CE啟動發(fā)射等待1ms拉低CE去除發(fā)射緩沖區(qū)數(shù)據(jù)返回圖7-3射頻發(fā)射程序如圖7-4所示的是射頻發(fā)射子程序設(shè)計流程圖。在使用射頻芯片時要嚴格參照時序圖，因為此芯片使用的是SPI線的規(guī)那么。首先拉低CE，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最后再次拉低CE，最后去除緩沖區(qū)。7.4射頻接收子程序開始開始拉低CE進入待機模式寫入00H配置為接收模式配置各個存放器拉高CE啟動接收拉低CE有錯誤跳到下個頻率返回刪除內(nèi)容是否是否四個結(jié)束圖7-4射頻接收子程序7.7液晶屏顯示仿真結(jié)果本論文中所用的仿真，是先用WAVE仿真器先對程序的檢測和編譯，隨后形成的HEX文件。之后使用PROTUES仿真軟件將前面生成的HEX文件參加到單片機中去進行電路仿真，下面是最終形成的結(jié)果。如圖7-7所示，系統(tǒng)啟動時首先會初始化顯示“WELCOME〞，以說明系統(tǒng)正常啟動。隨后可以進入使用環(huán)節(jié)。圖7-5初始化結(jié)果圖如圖7-8所示是正常使用時顯示內(nèi)容，這時屏幕會顯示當前輪胎狀態(tài)，“norm〞為正常，“high〞為過高，“l(fā)ow〞為過低。圖7-6行駛時效果圖如圖7-9所示，當按下按鍵后會顯示各個輪胎氣壓狀態(tài)。其中“LF〞表示左前輪，“RF〞表示右前輪“RB〞表示右后輪“LB〞表示左后輪。圖7-7車胎壓力顯示圖總結(jié)這次畢業(yè)設(shè)計通過自己動手實現(xiàn)了汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的根本方法，其功能也根本符合設(shè)計期望，在我們的日常生活中也非常的使用，在之前我總覺得學(xué)這些東西用不到覺得沒什么用，但當真正做這個論文的時候我才發(fā)現(xiàn)我很多的東西要用到，比方WORD軟件的根本操作，即對文字和頁面的根本操作。另外本次畢業(yè)設(shè)計也對我的PROTEL軟件，以及WAVE，PROTUES軟件的操縱進行了檢驗。另外為了更好地更準確地畫出流程圖我學(xué)會了使用Visio軟件，不僅如此我還學(xué)會了使用數(shù)學(xué)編輯器。通過本次設(shè)計將大局部功能得以實現(xiàn)，采樣端可以正常獲取壓力值并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。同時采樣端可以接受來自主機的低頻喚醒信號，從而實現(xiàn)了低功耗要求和節(jié)能要求。在采樣端MCU接收到來自主機的125Khz低頻信號時，會復(fù)位并啟動進行采樣。當采樣端MCU將數(shù)據(jù)打包通過射頻信號發(fā)射出去，而駕駛室內(nèi)主機也通過天線接收該信號通過射頻芯片轉(zhuǎn)換為了數(shù)字信號。然后該數(shù)據(jù)通過BCD碼轉(zhuǎn)換以及比擬最終通過LCD顯示車胎狀態(tài)，以及各個車胎壓力值。通過反復(fù)的比擬和研究確定本文的特色：使用了MC33690低頻信號發(fā)射芯片，使得采樣端主機可以低頻喚醒，最終得以降低功耗延長工作壽命。使用了跳頻巡回檢測定位技術(shù)，主機可以巡回使用與四個車胎內(nèi)發(fā)射端不同頻率接收從而可以定位不同車胎的壓力值。致謝本次畢業(yè)設(shè)計之所以能夠順利完成，最主要歸功于我們的指導(dǎo)老師陳老師，在這里我要特別感謝本次畢業(yè)設(shè)計給我們這個鍛煉的時機，不管是從理論還是實際操作上對于我都有很大的進步，其次我要感謝我們的指導(dǎo)老師陳傳虎老師，在陳老師的細心指導(dǎo)下我完成了整個設(shè)計，無論是從選題還是在設(shè)計過程中，陳老師都給予我很多指導(dǎo)，也讓我從單純的理論知識上到實際的操作中都有了很大的提高，不僅我懂得了很多東西，也培養(yǎng)了自己的獨立工作的能力，樹立了今后對工作生活的信心，雖然這個工程還不是很完善，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。完本錢次設(shè)計內(nèi)心充滿了喜悅，但同時也讓自己看到了自己的缺乏之處，所以本此設(shè)計是極有意義的。通過它我樹立了在今后學(xué)習(xí)中的信心和目標，我也明白了只有通過不斷地付出才會有回報。參考文獻[1]陳勇.直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].學(xué)位論文,2023[2]盧敏汽.車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].學(xué)位論文,2023[3]李珊.基于SP12的汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用.2023(03)[4]胡亞東.基于MSP430的直接式胎壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計[D].學(xué)位論文，2006[5]魏檸檸.壓力傳感器SP12在胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)碩士論文,2023[6]李天利,李澤湘.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)無源SAW溫度壓力傳感器的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文,2023[7]C.Campbell,J.C.Burgess.SurfaceAcousticWaveDevicesandTheirSignalProcessingApplications[J].TheJournalofTheAcousticalSocietyofAmerica,1991[8]陳勇.直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].江蘇大學(xué)學(xué)位論文,2023[9]陳勇,李伯全,李淵.

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