【完整版】汽车轮胎压力监测系统设计毕业论文设计

摘要

随着社会经济和科学技术的发展,公路交通已经成为关系国民经济命脉和社会、经济发展的重大系统,但随之而来的交通事故给人的生命安全和经济发展造成了重大损失。爆胎是引起交通事故的主要原因,保持标准的车胎气压行驶是防止爆胎的关键,胎压检测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)是由此应运而生的一项汽车安全防范系统。胎压检测系统主要用于汽车行驶过程中对汽车胎压与温度的实时检测,当出现异常状态时进行报警,从而保障驾乘者的行车安全。

本课题主要研究的是一种用于机动车辆上的轮胎压力与温度监控系统。文中提出了一种基于无线技术的轮胎压力与温度监控系统的方案，设计综合运用了检测技术、单片机技术及无线通信技术,其中发射模块能实时检测、处理轮胎的压力和温度参数,并运用无线方式将处理后的数据传输到接收模块;接收模块能校验数据并显示结果,用以告知驾驶员各个轮胎的情况。

本系统采用了有效的节能措施,不仅在硬件上选用了具有睡眠功能的芯片,而且在软件设计上通过将判断功能置于发射模块中,减小了系统的发射频率,从而降低了能耗,保证了不会因为更换能源问题而频繁的拆装轮胎,提高了系统的实用性,因而具有广阔的应用前景。

关键词:轮胎；无线通信技；抗干扰；节能

Abstract

Along with the development of social economy and science and technology, social and economic development of important system, but the resulting traffic accidents to the life security and economic development a car. Tire pressure monitoring system is mainly used for the car of automobile tire pressure and temperature in the process of real-time detection, and alarm when abnormal state, thus ensuring the driving safety. The purpose of this research is to develop a kind of applied to motor vehicle tire pressure and temperature monitoring system.

This paper presents a temperature of tire pressure monitoring system based on wireless technology. Integrated use of the of detection technology, micro-controller technology and wireless communication technology, the launch module can real-time tire pressure and temperature parameters detection, processing, and use wireless way to transmit data after processing to receiving module; Receiving module can check data and display the results to inform the driver of each tire.

This system adopted the effective energy saving measures, not only on , but also on the software design of transmission module, by will judge function in reducing the transmission frequency of the system, reducing the energy consumption and ensure the won't change the energy problem and frequent disassembling tire, improve the practicability of the system, thus prospects.

Key words:tire；wireless communication technology sensor；anti-jamming；

save energy

目录

摘要....................................................................... I Abstract .................................................................. I I 目录..................................................................... I II 1 绪论 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 轮胎压力与温度监控系统现状 (2)

1.3 轮胎压力与温度监控系统研究意义 (3)

1.4.2 论文的结构安排 (4)

2系统总体设计 (5)

2.1 TPMS 系统分类及其工作原理 (5)

2.1.1 间接式 TPMS (5)

2.1.2 直接式 TPMS (5)

2.1.3 间接式和直接式TPMS的比较与选择 (6)

2.2 直接式 TPMS 总体设计............................... 错误！未定义书签。

2.2.1 系统组成 ..................................... 错误！未定义书签。

2.2.2 系统设计要求 ................................. 错误！未定义书签。

2.2.3系统功能要求.................................. 错误！未定义书签。

2.3 系统硬件的总体设计................................. 错误！未定义书签。

2.3.1 轮胎模块的总体设计 ........................... 错误！未定义书签。

2.3.2 主机模块的硬件总体设计 ....................... 错误！未定义书签。

2.4 系统软件的总体设计................................. 错误！未定义书签。

3 轮胎模块设计............................................ 错误！未定义书签。

3.1 轮胎模块硬件设计................................... 错误！未定义书签。

3.1.1 芯片介绍 ..................................... 错误！未定义书签。

3.1.2 MPXY8300 传感器工作模式 ...................... 错误！未定义书签。

3.1.3轮胎模块电路设计.............................. 错误！未定义书签。

3.2轮胎模块软件设计 ................................... 错误！未定义书签。

3.2.1编程工具的选用................................ 错误！未定义书签。

3.2.2通信协议...................................... 错误！未定义书签。

3.2.3胎压模块软件设计.............................. 错误！未定义书签。

3.3天线设计........................................... 错误！未定义书签。

4 主机模块设计............................................ 错误！未定义书签。

4.1主机模块硬件设计 ................................... 错误！未定义书签。

4.1.1 核心微控制器 STC12C5416AD..................... 错误！未定义书签。

4.1.2 接收电路设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.2显示及报警电路设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.2.1 显示电路设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.2.2 报警电路设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.3主机模块的软件设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.3.1主机模块主程序设计............................ 错误！未定义书签。

4.3.2参数设定模块.................................. 错误！未定义书签。

4.3.3报警处理模块.................................. 错误！未定义书签。

5 总结与展望.............................................. 错误！未定义书签。

5.1工作总结........................................... 错误！未定义书签。

5.2展望............................................... 错误！未定义书签。参考文献.................................................. 错误！未定义书签。致谢.. (8)

附录控制系统C程序代码 (9)

1 绪论

环保、节能、安全是当今汽车发展的三大主题，作为影响人民生命财产全和国家经济命脉的重要因素的汽车安全性是汽车设计过程首要考虑的问题，汽车轮胎气压保持正常值是车辆舒适性和行驶安全的保证。轮胎气压高于正常值时，与地面接触面积减少，摩擦系数降低，便会导致车辆侧滑、颠簸、爆胎，危及行驶安全；轮胎气压低于正常值，轮胎内部就会开始分离、脱层、最后导致爆胎[1]，在低速状态下行驶就会因轮胎变形过大而伤胎。因此，及时地了解和准确掌握轮胎的温度、压力状况是避免爆胎，提高汽车安全行驶水平的有效途径[2]。国外因立法较早，TPMS(Tire Pressure Monitoring System)成为标配，市场占有率高。中国国家标准管理委员会2008年发布的《中国TPMS标准意见征求稿》,标TPMS成为汽车的标准配件是必然的趋势。

TPMS对汽车轮胎压力、温度的监测技术主要有直接式和间接式两种形式。直接式是利用安装在轮胎里的智能传感器来直接测量轮胎的气压、温度、电池电压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器随时显示轮胎的气压、温度、电池电压，当轮胎出现异常情况时，系统就会自动报警；间接式是借助防抱死制动系统(Antilock Braking System, ABS)的轮速传感器来比较车轮转速，从而估算两个轮胎胎压的差别，当某个轮胎胎压低于预先设定的初始值时，向司机报警。目前在 TPMS 轮胎压力监测系统的研究中存在三个技术难点：低功耗实现、无线信号传输、射频天线设计。

本课题进行直接式汽车轮胎压力与温度监测系统的研究。针对该系统目前存在的技术难点，设计本文的系统方案，目的是实现一种可以实时监测行驶车辆轮胎内部气压、温度的预警系统。

1.1 研究背景

汽车在高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计[3]，在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

轮胎监测系统（TPMS）主要用于在车辆行驶时实时地对轮胎压力和温度进行自动监测，对轮胎漏气、低气压、高气压进行预警，以保障驾乘者行车安全，是驾驶员、乘车人的生命安全保障预警系统。

中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车的需求量和保有量出现了加速增长的趋势。因此，我国 TPMS 需求与日俱增，TPMS 的研究具有重要的社会意义和经济价值。为与世界先进国家保持同步，我国关于汽车安装 TPMS 的法规也将会出台。目前我们国内已有很多家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。因此一套安全、可靠、方便、成本低廉的轮胎监测系统将有广阔的应用前景[4]。

1.2 轮胎压力与温度监控系统现状

目前市场上主流 TPMS 的实现方式是利用安装在每一个轮胎内部的轮胎监测模块来直接测量轮胎的压力、温度，并通过无线传输的方式发送到安装在驾驶室的中央控制模块。中央控制模块实时显示每个轮胎的压力、温度，驾驶员可以直观的了解各个轮胎的压力、温度等状况，当轮胎压力、温度太低或者太高，系统会自动报警，提醒驾驶员，防止事故发生。TPMS 的性能主要取决于轮胎监测模块的实现方式。根据轮胎监测模块供电方式的不同，TPMS 可以分为有源 TPMS 和无源TPMS。

(1) 有源 TPMS，指 TPMS 的轮胎监测模块使用专用锂电池供电。本课题研究的轮胎压力与温度监控系统即是一种有源轮胎监测系统。

有源 TPSM 的轮胎监测模块有以下几个部分组成：压力温度传感器、微控制器、射频芯片、低频唤醒芯片、电池以及天线组成。压力温度传感器是一个集成了压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理的片上系统。为了增强传感器功能，不少传感器还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗及其它功能的数字信号处理单元。

(2) 无源 TPMS，指TPMS的轮胎监测模块不使用电池供电。目前有两个发展方向，一种是利用 RFID 读头端的发射功率为轮胎监测模块供电，另一种是利用汽车行驶中的机械能为轮胎监测模块供电。

射频识别技术（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用了射频信号和空间耦合（近距离的电感耦合和远距离的电磁耦合）传输特性，其中电感耦合的依据是电磁感应定律，电磁耦合是以雷达原理为模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射同时带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。射频识别系统一般由两个部分组成，即标签端（Tag）和读头端（Reader）。在无源TPMS 中，标签端依附于轮胎监测模块，读头端依附于中央控制模块[5]。

1.3 轮胎压力与温度监控系统研究意义

TPMS 系统在提高汽车行驶安全性，减少生命财产损失以及减少能耗等方面都具有非常重要的研究意义，其具体优点体现在以下几个方面[6]：

(1)事前主动型安保

汽车现有安全措施，如 ABS、EDS、EPS、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故发生后才起到保护人身安全的作用。而 TPMS 属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾驶员可采取措施，将事故消灭在萌芽状态。

(2)延长轮胎使用寿命

统计表明：轮胎气压不足行驶，车轮气压比正常值下降 10%，轮胎寿命减少 15%。TMPS系统实时监测每个轮胎的动态瞬时气压，当轮胎气压出现异常时能及时自动报警，从而减少车胎的损毁，延长轮胎使用寿命。

(3)减少燃油消耗，利于环保

实验显示，轮胎气压低于标准气压值 30%，油耗将上升 10%。如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，轮胎磨损加快。油耗上升不仅增加车辆运行费用，而且增加废气排放，对环境的污染加大。车辆安装了 TPMS 系统，就能及时发现车胎气压异常，有效避免上述现象的发生，不仅降低油耗，而且还可减轻对环境的污染。

(4)可避免车辆部件不正常的磨损

若汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘及悬挂系统将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统的磨损。安装了TPMS 系统，便能有效避免上述现象的发生。

1.4 本文研究内容和结构

1.4.1 研究内容

该系统实现的功能：将通过在轮胎内部安装的压力和温度传感器，中央控制单元对轮胎内部的温度、压力值进行采集、处理后通过无线通讯的方式将数据发送给驾驶室内部的中央监视器。中央监视器对轮胎的数据进行分析，如果发现轮胎的状态异常，则通过声光报警提示驾驶员进行处理。

针对上述系统功能，本课题的主要研究内容如下：

(1)分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析了该系统的关键技术、国内外现状以及发展趋势。

(2) 综合分析国内汽车各方面综合因素，设计系统的总体方案。

(3) 轮胎模块硬件和软件的设计。

(4) 主机模块硬件和软件的设计。

1.4.2 论文的结构安排

第一章：介绍汽车轮胎压力监测系统的提出背景和研究意义，当前的技术应用现状和未来的发展趋势，给出本文的研究内容和结构安排。

第二章：介绍系统主要工作原理。在对系统方案的论证基础上，确定系统的软硬件技术性能要求和实施方案，确定系统的总体设计方案。

第三章：轮胎模块硬件和软件的设计。以 Freescale(前Motorola半导体部)的MPXY8300系列传感器、微处理器、发射芯片三件集成一体芯片为核心，构建轮胎模块；与主机模块搭建实现系统对轮胎状态信息的测量、无线传输、状态监控和异常报警。

第四章：主机模块硬件和软件的设计。主要介绍MPXY8300系列微控制器的基础上，以接收芯片MC33594、微控制器 STC12C5416AD芯片为核心，构建主机模块；实现系统对数据的测量、模拟数字转换、无线射频传输控制、系统状态监控和显示报警等功能。

第五章：总结与展望。对本设计的总结与展望。

2系统总体设计

汽车轮胎压力监测系统(TPMS)是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的微型无线传感装置采集轮胎压力和温度的数据，并将数据传送到驾驶室内的接收机中，以数字化的形式实时显示轮胎压力和温度的相关数据，并在轮胎出现危险征兆时进行报警的汽车主动安全系统。主要功能是在汽车行驶时实时的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎快速漏气、高低气压和高温分级报警，从而达到预防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和经济行车。

针对在汽车恶劣的工作环境下，设计满足国内外TPMS 标准的技术指标(中国的标准高于国外标准)[7]，综合目前市场存在的经典方案，分析了其中的关键技术，本文设计一种具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的轮胎压力监测系统。

2.1 TPMS 系统分类及其工作原理

目前TPMS主要有两种实现方式：间接式TPMS系统和直接式TPMS系统。

2.1.1 间接式 TPMS

间接式 TPMS 系统是与车辆的防抱死系统(ABS)一起使用的。ABS 采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。间接式 TPMS 的检测原理如图 2.1 所示。

图2.1间接式TPMS检测原理

2.1.2 直接式 TPMS

直接式TPMS系统主要由安装在轮胎上的轮胎监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器两个部分组成。轮胎监测模块由压力温度传感器、微控制器(MCU)、射频(RF)发射器组成，中央监视器由 RF 接收器、MCU 以及 LCD、按键、报警模块等组成。一般情况下，一辆轿车或面包车的 TPMS 系统有4或5个(包括备用胎)监测模块，一辆卡车有8～36个

监测模块，本系统设计主要面向四轮轻型汽车的轮胎状态监测，其安装位置示意图如图2.2 所示，固定在每个车轮中的压力、温度传感器直接测量每个轮胎的气压和温度，然后通过RF发射器将传感器数据发送到中央监视器。中央监视器接收到轮胎监测模块发射的信号后进行分析，并将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果胎压或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。

图2.2直接式TPMS检测原理

2.1.3 间接式和直接式TPMS的比较与选择

间接式TPMS的优点是只要具备ABS系统，就可以增加TPMS的功能，另外所需的只是软件，因此成本比较低。但是间接式 TPMS 有以下几个主要缺点：无法同时监测到同轴两轮胎、同侧两轮胎以及四个轮胎全部漏气的情况；不能对温度进行测量；受速度影响较大，一般不能超过100km industry under Pressure=[M]:

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致谢

在论文的完成过程中，得到了很多人的热情帮助，在他们的帮助和指导下，我克服了诸多困难，顺利的完成了课题的研究。

首先衷心感谢冯月春老师对我论文的悉心指导，本课题的具体工作都是在她的指导下完成的。从课题的选定、资料的收集、论文的撰写修改等各个环节，她都倾注了大量的精力。在跟随导师的课题研究过程中，无论是在工作中还是在学习上，都使我深受教育。同时，冯月春老师的博学多识、严谨的治学态度、对科研工作的无限热爱和无私奉献的精神，都使我受益匪浅。在此谨向冯月春老师致

以深深的敬意和诚挚的谢意！

其次我要感谢身边所有的同学,我的论文能够顺利完成也离不开他们的帮助和建议。

最后，感谢其他所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友们。感谢你们一直以来对我的支持和鼓励以及为我所做的一切。

附录控制系统C程序代码

************************轮胎模块******************************* #pragma CODE_SEG DEFAULT

void main(void)

{

_RESET_WATCHDOG();

Enable Interrupts;

SOPT1=0x33;

PWUSC0_WUFACK=1;

PWUDIV = 0x2F; EVERY SECOND

PWUSC0 = 0x02; PERIODIC WAKE-UP EVERY 2 sec.

PWUSC1 = 0x00; NO PERIODIC RESET

InitLF();

RF_Setup();

SPMSC1_BGBE=1; Enable Bandgap

Measure_P_T_V();

Acceleration Z byte

REIMS_READ_COMP_ACCEL_Z(&Acc_Z_Array，Pressure_Array[1]，1，0);

delay(10);

PACCZ=Acc_Z_Array[1]>>2;

Acceleration X byte

REIMS_READ_COMP_ACCEL_X(&Acc_X_Array，Pressure_Array[1]，1，0); REIMS_READ_COMP_ACCEL_X(&Acc_Z_Array，Pressure_Array[1]，1，0); 11.30 delay(10);

PACCX=Acc_X_Array[1]>>2;

Send_RF_Datagram(); every 60 seconds with latest P，T，V values SOPT2=0x70; RESET VALUES

SPMSC1=0x10; 0x10 ： STOP 1 MODE CONFIGURED LVDE & LVDSE = 0

0x1D ： STOP 4 MODE CONFIGURED LVDE & LVDSE = 1 SPMSC2=0x02; 02 ---> PDC = 1 ; PPDC = 0 STOP1

03 ---> PDC = 1 ; PPDC = 1 STOP2

00 ---> PDC = 0 ; PPDC = 0 STOP3

_asm STOP;

}

*******************初始化MC33594***********************

Void Write_33594(void)

{

a[0]=0x77; 设置解调频率为433.92MHz,解调方式为FSK

a[1]=0xb8; 数据头字节为oxb8

a[2]=0xc8; 数据接收速率9600bps

spi();

}

Void spi(void)处理器与解调器通过SPI传输

{

DDRA=0xdf

PTA_PTA3=0; 时钟上升沿有效

Bit2=128; 数据高位在前,每次传输8位

for(i=2;i>0;i--)

{

carry=a[i]8&bit2;

Bit2=bit22;

if(carry==0)

PTA_PTA2=0;

else

PTA_PTA2=1;

PTA_PTA3=1;

PTA_PTA3=O;

}

}

***********************接收数据*********************** Void Receive(void)

{

while(!PTA_PTA3) 等待数据接收

{;}

for (jj=0;jj<10;jj++) 字节计数器

{d[jj]=0; 存储接收数据

for(k=0;k<8;k++) 位计数器

{

while(!PTA_PTA3) 等待时钟变为高电平

{;}

if(PTA_PTA3)

{

TSC_TSTOP=0; 启动定时计数器

While(PTA_PTA3) 等待时钟变为低电平

{;}

}}}

}

***********************轮胎ID校验及LED*****************

void ID_check(char*rec)

{

int temp=2;

if(ree[temp++]==0x00)

PTBO=1; 显示FL对应的LED

else if(rec[temp++]==0x0l)

PTB1=1; 显示RL对应的LED

else if(rec[temp++]==0x10)

PTB2=1; 显示RR对应的LED

else if(rec[temp++]==0xll)

PTB3=1; 显示FR对应的LED else

return;

}