汽车轮胎压力监测报警系统解读.docx
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汽车轮胎压力监测报警系统解读.docx
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汽车轮胎压力监测报警系统解读
汽车轮胎压力监测报警系统设计
(硬件设计)
Tirepressuremonitoringandalarmsystemdesign(hardwaredesign)
总计毕业设计(论文)30页
表格3个
插图16幅
摘要
随着汽车工业的发展和高速公路网的规模扩大,交通的日益发达,车辆的行使速度的不断提升,高速公路交通事故不断发生,如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故,很多是由于轮胎的工作温度过高或胎压异常引起的。
交通事故引发的安全问题在人们的生活中引起了重视,交通事故也在不断增多。
汽车轮胎压力监测系统(TPMS)是一种能切实有效的防止和减少轮胎引起的交通事故的方法。
也对汽车轮胎压力监测系统(TPMS)做出和相应要求。
本设计介绍轮胎压力监测系统(TPMS)的相关电路的设计。
(TPMS)系统由压力传感器模块和中央接收机组成。
压力传感器SP12、STC15F2K60S2控制模块和433MHz的nRF401射频收发模块组成了压力传感器模块,负责轮胎压力的采集和发射。
然后接收机接收压力信息,并进行处理。
其次采用C语言作为开发工具软件,在KeilC环境下进行对单片机各个端口以及定时器工作方式和串行口工作方式进行设置,并且对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯和联络的设定,以及分配地址空间交代程序中各个变量等的设计和编码。
该系统可随时测定每个轮胎内部压力值,LED液晶显示并及时报警,有效预防事故的发生。
关键词:
轮胎压力监测系统;射频;压力传感器;控制模块
ABSTRACT
Withthedevelopmentofautomobileindustryandexpandthescaleofhighwaynetwork,thetrafficisdeveloped,thecontinuousimprovementofthevehiclespeed,trafficaccidentscontinuetooccur,suchascausedbyaflattireandexplosioncausesoftrafficaccidents,manyareduetotakeoffworkorhightemperaturepressurecausedbyabnormalfetalSecurityproblemscausedbytrafficaccidentshasattractedgreatattentioninthelifeofpeople,trafficaccidentsarealsoincreasingTirepressuremonitoringsystem(TPMS)isamethodwhichcaneffectivelypreventandreducetrafficaccidentscausedbytiresAlsoonthetirepressuremonitoringsystem(TPMS)andmakethecorrespondingrequirements
Thedesignofthetirepressuremonitoringsystem(TPMS)designoftherelevantcircuit(MSTS)systemconsistsofthesensormoduleandacentralreceiver.sp12pressuresensor,themicrocontrollerstc15f2k60s2and433mhznrf401RFtransceivermoduleconsistsofapressuresensormodule,responsibleforthetirepressureacquisitionandemissionThenthereceiverreceivespressureinformation,andprocessingThesystemcanmeasuretheactualtemperature,thepressureofeachtire,LCDliquidcrystaldisplayandalarmintime,effectivelypreventtheoccurrenceofaccidents
Keywords:
tirepressuremonitoringsystem;radiofrequency;pressuresensor;microcontroller
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章引言1
1.1选题的依据和意义1
1.2国内外发展状况1
1.2.1直接式(TPMS)和间接式(TPMS)3
1.2.1.1间接式(TPMS)3
1.2.1.2直接式(TPMS)3
第二章系统设计总体方案6
2.1汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理6
2.2硬件设计方案6
2.3系统的硬件电路设计7
2.3.1单片机处理模块7
2.3.2传感器电路8
2.3.3射频电路10
2.3.4复位电路14
2.3.5振荡电路15
2.3.6LCD显示部分15
2.4电源模块18
2.5报警电路部分19
第三章系统的软件设计20
3.1采样端软件流程图设计20
3.2接收端软件图设计21
总结-23-
致谢-24-
参考文献25
附录一:
主机原理图26
附录二:
系统程序清单27
第一章引言
1.1选题的依据和意义
伴随着社会文明的发展,汽车工业也在不断的发展,交通的日益发达,车辆的行使速度的不断提升,高速公路交通事故不断发生,如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故,很多是由于轮胎的工作温度过高或胎压异常引起的。
据我国公安部统计,国内高速公路70%的交通事故是由爆胎引起的,美国高速公路这一比列达到了80%。
当时速超160公里以上发生爆胎的死亡率接近100%。
由此可发现轮胎压力异常是导致交通事故频发的重要原因,而充气不足的轮胎导致胎面分离和轮胎衰竭,导致40000起事故,每年33000人受伤,超过650人死亡。
安装汽车轮胎监测设备则能够让轮胎充气适当的添加更加稳定,车辆轮胎的处理和制动效率为司机和路人提供更大的安全。
再则环境效率上看:
根据交通部估计,由充气不足的轮胎使每年仅在美国超过575亿磅的不必要的一氧化碳污染物释放到大气中这个数据令人非常的震惊,在汽车的高速行驶过程中,轮胎故障是最难预防的事故隐患,是造成突发性交通事故发生的重要原因。
那么如何来解决轮胎故障、怎样有效防止爆胎,已成为全球共同关注的重大问题。
TPMS(TirePressureMonitoringSystem,汽车轮胎压力监测系统)将压力传感器放置于轮胎内部进行实时监测,毫无疑问将是理想的方法。
随着汽车工业和电子产业的不断发展,电子产品在汽车中的应用越来越广泛,汽车电子化的程度越来越高,而TPMS近几年来发展比较迅速,它可以对轮胎压力和温度进行实时检测,可以更好的监控轮胎,因而成为了该领域令人瞩目的焦点.是行车安全的重要保障。
TPMS汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一,与汽车安全气囊、防抱死制动系统(ABS)一起被大众认可并受到应有的重视。
研究汽车轮胎胎压计,就对现代汽车行驶时的经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。
1.2国内外发展状况
鉴于轮胎压力监测系统在保障汽车安全行驶中关键作用,国外各大汽车公司纷纷加强对该系统的研究和应用。
1998年,宝马公司研制了轮胎压力监控系统并推向市场;1999年,美国俄亥俄公司采用新型PT阀式轮胎压力监测系统以测定轮胎的充气度;2001年,西门子汽车公司开发出1种可适用于所有标准轮胎的压力监测系统,此系统不仅可以监测轮胎的压力和温度,还能根据车轮运动状态测定轮胎的有限加速度;2001年,倍耐力公司开发出其第2代轮胎气压报警系统;最近日本已开发出无电池轮胎气压监测系统,并且通过了有关验证。
改革开放以来,我国也在轮胎压力监测系统方面做了大量的工作,逐步缩小了与国外先进水平的差距。
20世纪80年代末,天津运输工程学院就开始研究汽车轮胎中央充放气系统;2003年,吉林大学开发出轮胎压力直接监测系统;同年,东北大学提出一种新的基于振动的轮胎气压监控解决方案;2004年,万丰轮胎气压监测系统通过新产品鉴定,同年,我国一种基于针孔摄像头的轮胎压力监测系统研制成功。
轮胎压力对汽车综合性能影响起着重要的作用,以及影响汽车行驶的安全性,因而国内外对此对进行了大量的研究,以提高汽车的综合性能指标,最主要是提高汽车行驶的安全性。
国外因立法较早,其开发生产的TPMS较为成熟,其中米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中,将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎壁内,它在轮胎的整个寿命期间(一股为1~7年)发挥作用;作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器,可方便驾驶者出车时插装在车上,下车后随身携带。
美国固特异轮胎橡胶公司以RFID技术作为研发智能轮胎。
该公司和西门子VDO汽车配件公司合作,成功研发出一种钮扣电池般大小的带RFID卡传感器。
该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外,还具有标识轮胎的功能,也就是说,它既可用于轮胎气压监测,还可以用于轮胎历程可追溯性记录。
日本阿尔卑斯电气日前成功开发了不需电池的汽车轮胎气压监测系统。
阿尔卑斯公司从德国tQ—MobilGmbH获得了不使用电池的TPMS技术,计划从2006年开始量产供货,此次通过在轮胎上配备不需电池的转发器解决了这些问题。
气压数据信息的收发通过安装在车身上的收发器进行。
它每个发射机应答器(不含阀门部分)的质量仅为69,使用温度范围为--40℃~+150℃。
测定误差在±10kPa以内。
支持的最大速度达330km/h。
目前市面上比较主流的TPMS开发系统:
是Infineon(英飞凌科技)Sensor公司的SPl2开发系统Infineon英飞凌科技的TPMS开发系统中,Sensor是采用收购的挪威专业胎压传感器制造商SensoNor的产品,它采用了基于MEMS技术的硅压阻式压力传感器作为胎压监测单元,英飞凌SPl2和SPl2T可以同时传输四组不同的数据(温度、压力、加速度和供电),并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路。
英飞凌SPl2和SPl2T设有补偿功能,可以对压力,加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境时的补偿值,有效地保证了测量可靠性。
SPl2传感器采用了LF唤醒瞬态工作模式,并在传感器模块中增加了加速度传感器,利用其质量块对运动的敏感性,可以实现汽车启动自动开机才进入系统自检,而如果检测到加速度低于设置的标准值时(表示汽车没有运动)让系统进入睡眠状态,从而大大地降低了系统功耗。
LF方式还具有自动轮胎定位功能。
TDK510XF系列是工作在433.435MHZ(TDK5100F)和311-317MHZ(TDK5101F)频带内的单片FSK/ASK发射器,该器件含有一个集成的PLL(锁相环)合成器,以及一个高效率功放用来驱动环形天线。
RF的信号接收可用TDA5210(FSK/ASK)接收器。
目前,国外轮胎气压监测系统的主要生产厂商有斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、诺基亚轮胎公司和横滨公司等。
我国主要生产厂商有上海泰号电子科技有限公司、佛山市朗杰电子科技有限公司和深圳市瑞信电子有限公司等。
1.2.1直接式(TPMS)和间接式(TPMS)
1.2.1.1间接式TPMS
间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别,以达到监视胎压的目的。
当汽车行驶时,轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号,进行综合分析。
当某一个轮胎的气压过高或不足时,轮胎的直径就会变大或变小,车轮的转速也相应产生变化。
监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较,就可得出轮胎气压过高或不足,从而产生压力报警。
这种方法的优点简便,不用外加检测设备,但其不足是不能同时对两个以上的轮胎同时缺气和速度超过100公里/小时的时候进行检测。
并且当轮胎新旧程度不同时,也会带来很大的误差。
1.2.1.2直接式TPMS
直接式TPMS又分为主动式和被动式两种。
主要区别是主动式TPMS中的轮胎模块需要电池提供能量,而被动式无须电池。
主动式TPMS:
主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压,并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。
监视器随时显示各轮胎气压,驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统就会自动报警。
轮胎压力监测模块由五个部分组成:
(1)具有压力、温度、电压检测的智能传感器;
(2)微控制单片机;
(3)RF射频发射芯片;
(4)锂亚电池;
(5)天线。
外壳选用高强度
ABS塑料。
器件、材料满足一40℃到+125℃的使用温度范围。
其中智能传感在封装的上方留有一个压力/温度导入,将压力直接导入在压力传感器的应薄膜上,同时这个还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。
为了便于TPMS接收器的识别,每个压力传感器都具有16.32位独特的ID码。
适用于TPMS的智能传感器主要有硅集成电容式压力传感器,如FreescaleMPXY8020、MPXY8040;硅压阻式压力传感器,如GENovaSensor的NPXl、NPX2,InfineonSensoNor的SPl2、SPl2T、SP30。
TPMS在无线电发射中,其工作频率在北美标准为315MHz,欧洲标准为433.92MHz,韩国为448MHz,现已有人建议新标准为868MHz。
其发射功率不能超过10dBm,否则就要受到无线电管制。
工作模式有ASK(振幅变换调制)、FSK(频率变换调制),但比较而言,FSK抗干扰较好。
汽车在行驶过程中,轮胎处于高速旋转的状态下,由于其特殊的工作状况,因此对RF芯片选用的要求是:
(1)发射功率尽可能大;
(2)芯片外型尺寸尽可能小;(3)具有比较好的性价比。
ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的标称发射功率都达10dBm。
电池选用锂亚电池,以保证远程轮胎压力监测模块在高低温环境中都能正常工作。
这是由于传统的锂电池在--40℃低温时丧失电能,在+100℃高温时会自动放电,所以不能满足轮胎压力检测的要求。
TADIRAN生产的LTH2450锂亚电池满足TPMS宽温度范围的要求。
天线是远程轮胎压力监测模块发射功率提升的关键,天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。
远程轮胎压力监测模块的整体电源管理是十分重要的,做好电源管理和如何省电是关键所在。
发射模块在汽车轮胎内的安装有二种方式,一是利用气门嘴安装;二是利用紧箍扣安装在轮毂上。
当然,无论采用哪种方式,安装完TPMS发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。
中央监视器即TPMS接收器主要由UHFASK/FSKRF接收芯片和信号处理的MCU,以及键盘和LCD显示器组成。
对于RF接收芯片和信号处理MCU一般都安装在一个盒子里,如可安装在汽车仪表箱内,带控制键盘的LCD显示器可安装在驾驶台上,LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度,和每一个轮胎的ID识别码,以及发出声光报警。
由于接收系统是工作在汽车车厢内,其环境温度是常温而且变化不大,对于省电的要求不是很高,因而可以使用汽车的12V或24V电源,在接收部分对器件的选用一般只要求是工业级即可。
RF接收芯片选用时一般需要考虑具有较高的接收灵敏度,以提高TPMS的工作效率和降低整个系统的生产成本。
主动式技术的优点是,它是一种成熟的技术,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎,但主动式TPMS传感器/发射器需要电池提供动力,因此不可避免的带来一些弊端,如电池的使用寿命和由于电池的存在很难降低发射器的重量等等诸多不利因素。
被动式TPMS,也叫无电池TPMS,用一个中央收发器代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。
这个收发器不但要接收信号而且要发射信号,安装在轮胎中的转发器(代替了发射器)接收来自中央收发器的信号,同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。
这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池,从而解决了上述因电池所带来的问题。
日本的阿尔卑斯公司现已研制成功,但由于条件的限制无电池TPMS短期内还很难推广。
第二章系统设计总体方案
2.1汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理
轮胎模块组成:
传感器芯片+处理器+发射天线
监视模块组成:
接收天线+处理器+显示屏+键盘
汽车轮胎压力监测系统的硬件电路按系统功能划分,可分为胎压遥测模块和中央监视模块两大部分。
主要把轮胎温度由传感器芯片的模拟信号转为数字信号并编码发送。
接收模块负责接收和处理信号并将数据从显示器显示出来。
其中,胎压模块整体安装在轮胎内,主要完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。
中央监视模块安装在汽车驾驶室内,主要完成信息的无线接收、数据的分析处理、声光报警控制等功能。
2.2硬件设计方案
数字胎压计的硬件电路可分为4个部分:
气压传感器、V/F转换电路、单片机电路和电源电路。
图2—1硬件设计方案框图
2.3系统的硬件电路设计
2.3.1单片机处理模块
图2—2STC15F2K60S2芯片引脚图
中央处理器(CPU)8051内核单片机STC15F2K60S2,单片机的内部结构。
STC12C5A60S2单片机主要集成了以下资源:
增强型8051内核,单时钟机器周期,速度比传统8051内核单片机快8~12倍。
60KBFlash程序存储器;1KB数据Flash;2048字节的SRAM3个16位可自动重装载的定时/计数器(T0、T1、T2)
可编程时钟输出功能
至多42根I/O口线
2个全双工异步串行口(UART)
1个高速同步通信端口(SPI)
8通道10位ADC
3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元
内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗
内部集成高精度R/C时钟,常温工作时,可以省去外部晶振电路。
程序存储器(Flash)
数据存储器(RAM)
数据Flash存储器
定时/计数器
I/O接口
通用异步串行通信接口(UART)
中断系统
SPI接口
高速A/D转换模块A/D转换
单片机接受传感器的电压值为模拟信号,它要和A/D转换模块的锯齿波发生装置发送过来的标准模拟信号相比较,即通过单片机引脚进行比较,同时开发定时器0,当待测模拟信号超过标准模拟信号时,I/O引脚信号将会发生变化,此时定时器0的值通过转化就得到了相应的数字信号。
PWM(或捕获/比较单元)
看门狗电路
电源监控
片内RC振荡器等模块
2.3.2传感器电路
英飞凌公司的SP12传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器,提供四合一传感功能,并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路。
英飞凌的SP12传感器测量范围:
(1)压力范围:
100kPa到450kPa,分辨率1.37kPa/lsb;
(2)加速度范围:
-12g到115g,分辨率0.5g/lsb;(3)温度范围:
-40℃到+125℃,分辨率1℃/lsb;(4)传感器供电电压:
1.8V到3.6V,分辨率18.4mV/lsb。
英飞凌的SP12传感器的优点:
(1)检测精度方面:
硅压阻式压力传感器SP12是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的,其测量精度能达0.01%~0.03%FS;
(2)测量可靠性方面:
SP12设有补偿功能,可以对压力,加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境时的正确补偿值,有效地保证了测量可靠性;(3)低功耗方面:
英飞凌的SP12传感器首先是采用了唤醒瞬态工作模式,当它工作在睡眠工作模式时其功耗仅0.6微安秒,器件所有数字模拟部分全部工作时的电流消耗是6mA,大大地降低系统功耗,延长了电池的使用寿命。
图2—3传感器电路
SP12传感器引脚:
NCS:
片选使能输入信号,当NCS接收到低电平信号时SP12被选中工作,否则SP12不工作。
SCLK:
串行时钟输入/输出,用于输出或者接收数据传输的串行时钟,本例中用于接收来自单片机的串行时钟。
SDI:
串行数据输入信号,用于接收单片机的串行数据输入。
SDO:
串行数据输出信号,用于向单片机串行输出SP12的测量数据。
同时内部有两个时钟信号,WAKEUP和RESET。
WAKEUP每6s输出一个脉冲信号,RESET每隔约54min输出一个脉冲信号,低电平有效。
2.3.3射频电路
2—4NRF401发射与接收模块
图2—5NRF401引脚图
表2—1NRF401参数表
参数
数值
单位
频率,频道1/频道2
433.92/434.33
MHZ
调制方式
FSK
调制度
(-15,+15)
KHZ
最大输出发射功率@400,3V
10
dBm
灵敏度@400,BR=20kbit/s,BER<0.0001
-105
dBm
最大速率
20
kbit/s
工作电压
2.7--5,25
V
接收电流
250
uA
发射电流@-10dBm输出
8
mA
待机电流
8
uA
NRF401的ANT1和ANT2是天线的输入/输出复用脚。
在输入模式时,射频信号通过将该脚连接到低噪音放大器后解调;同样,在输出模式时,调制的信号在功率放大后,通过该脚输出。
4脚为nRF401的PLL锁相环滤波器输入,该脚正常工作时的电压是1.1V±0.2V。
5脚和6脚为压电晶振控制的外围电路,此两脚间接一个Q>45(在433MHz)值的22μH电感。
7脚和8脚分别为数据输入脚和输出脚。
配合18脚PWR_UP和19脚TXEN上的电位时序完成信息的发送和接收。
11脚外接射频功率控制电阻。
如图中的R3,该值在22~100kΩ之间。
一般在30kΩ左右达到7dBm。
重要的时序参数:
NRF401在不同工作模式下的时序如表2-2所示
表2—2NRF401的工作时序表
模式控制
名称
最大延时
条件
TX→RX
t
3ms
连续工作
RX→TX
t
1ms
Std.by→TX
t
2ms
Std.by→RX
t
3ms
VDD=0→TX
t
4ms
上电
VDD=0→RX
t
5ms
TX→RX的切换
当从RX→TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能发送数据,时序如图2-6(a)所示。
当从TX→RX模式时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms以后有数据输出,如图2-6(b)所示。
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