汽车轮胎压力监测系统设计样本.docx
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汽车轮胎压力监测系统设计样本.docx
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汽车轮胎压力监测系统设计样本
摘要
随着社会经济和科学技术发展,公路交通已经成为关系国民经济命脉和社会、经济发展重大系统,但随之而来交通事故给人生命安全和经济发展导致了重大损失。
爆胎是引起交通事故重要因素,保持原则车胎气压行驶是防止爆胎核心,胎压检测系统TPMS(TirePressureMonitoringSystem)是由此应运而生一项汽车安全防范系统。
胎压检测系统重要用于汽车行驶过程中对汽车胎压与温度实时检测,当浮现异常状态时进行报警,从而保障驾乘者行车安全。
本课题重要研究是一种用于机动车辆上轮胎压力与温度监控系统。
文中提出了一种基于无线技术轮胎压力与温度监控系统方案,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、解决轮胎压力和温度参数,并运用无线方式将解决后数据传播到接受模块;接受模块能校验数据并显示成果,用以告知驾驶员各个轮胎状况。
本系统采用了有效节能办法,不但在硬件上选用了具备睡眠功能芯片,并且在软件设计上通过将判断功能置于发射模块中,减小了系统发射频率,从而减少了能耗,保证了不会由于更换能源问题而频繁拆装轮胎,提高了系统实用性,因而具备辽阔应用前景。
核心词:
轮胎;无线通信技;抗干扰;节能
Abstract
Alongwiththedevelopmentofsocialeconomyandscienceandtechnology,highwaytraffichasbecomethelifebloodofnationaleconomyandtherelationshipbetweensocialandeconomicdevelopmentofimportantsystem,buttheresultingtrafficaccidentstothehumanlifesecurityandeconomicdevelopmenthascausedgreatlosses.FlatTireisamajorcauseoftrafficaccident,keepthestandardTirePressureisthekeytopreventblowout,TirePressureMonitoringSystemTPMS(TirePressureMonitoringSystem)isthusarisesatthehistoricmomentofsafeguardSysteminacar.Tirepressuremonitoringsystemismainlyusedforthecarofautomobiletirepressureandtemperatureintheprocessofreal-timedetection,andalarmwhenabnormalstate,thusensuringthedrivingsafety.Thepurposeofthisresearchistodevelopakindofappliedtomotorvehicletirepressureandtemperaturemonitoringsystem.
Thispaperpresentsatemperatureoftirepressuremonitoringsystembasedonwirelesstechnology.Integrateduseofthehardwaredesignofdetectiontechnology,micro-controllertechnologyandwirelesscommunicationtechnology,thelaunchmodulecanreal-timetirepressureandtemperatureparametersdetection,processing,andusewirelesswaytotransmitdataafterprocessingtoreceivingmodule;Receivingmodulecancheckdataanddisplaytheresultstoinformthedriverofeachtire.
Thissystemadoptedtheeffectiveenergysavingmeasures,notonlyonhardwarechosechipswithsleepfunction,butalsoonthesoftwaredesignoftransmissionmodule,bywilljudgefunctioninreducingthetransmissionfrequencyofthesystem,reducingtheenergyconsumptionandensurethewon'tchangetheenergyproblemandfrequentdisassemblingtire,improvethepracticabilityofthesystem,thushasbroadapplicationprospects.
Keywords:
tire;wirelesscommunicationtechnologysensor;anti-jamming;
saveenergy
1绪论
环保、节能、安全是当今汽车发展三大主题,作为影响人民生命财产全和国家经济命脉重要因素汽车安全性是汽车设计过程首要考虑问题,汽车轮胎气压保持正常值是车辆舒服性和行驶安全保证。
轮胎气压高于正常值时,与地面接触面积减少,摩擦系数减少,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。
因而,及时地理解和精确掌握轮胎温度、压力状况是避免爆胎,提高汽车安全行驶水平有效途径[2]。
国外因立法较早,TPMS(TirePressureMonitoringSystem)成为标配,市场占有率高。
中华人民共和国国标管理委员会发布《中华人民共和国TPMS原则意见征求稿》,标TPMS成为汽车原则配件是必然趋势。
TPMS对汽车轮胎压力、温度监测技术重要有直接式和间接式两种形式。
直接式是运用安装在轮胎里智能传感器来直接测量轮胎气压、温度、电池电压,并通过无线调制发射到安装在驾驶台监视器上,监视器随时显示轮胎气压、温度、电池电压,当轮胎浮现异常状况时,系统就会自动报警;间接式是借助防抱死制动系统(AntilockBrakingSystem,ABS)轮速传感器来比较车轮转速,从而估算两个轮胎胎压差别,当某个轮胎胎压低于预先设定初始值时,向司机报警。
当前在TPMS轮胎压力监测系统研究中存在三个技术难点:
低功耗实现、无线信号传播、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研究。
针对该系统当前存在技术难点,设计本文系统方案,目是实现一种可以实时监测行驶车辆轮胎内部气压、温度预警系统。
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紧张和最难防止,也是突发性交通事故发生重要因素。
据记录[3],在高速公路上发生交通事故有70%~80%是由于爆胎引起,如何防止爆胎已成为安全驾驶一种重要课题。
轮胎监测系统(TPMS)重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、乘车人生命安全保障预警系统。
中华人民共和国正在成为全球最大新兴汽车市场,中华人民共和国汽车需求量和保有量浮现了加速增长趋势。
因而,国内TPMS需求与日俱增,TPMS研究具备重要社会意义和经济价值。
为与世界先进国家保持同步,国内关于汽车安装TPMS法规也将会出台。
当前咱们国内已有诸多家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。
因而一套安全、可靠、以便、成本低廉轮胎监测系统将有辽阔应用前景[4]。
1.2轮胎压力与温度监控系统现状
当前市场上主流TPMS实现方式是运用安装在每一种轮胎内部轮胎监测模块来直接测量轮胎压力、温度,并通过无线传播方式发送到安装在驾驶室中央控制模块。
中央控制模块实时显示每个轮胎压力、温度,驾驶员可以直观理解各个轮胎压力、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,提示驾驶员,防止事故发生。
TPMS性能重要取决于轮胎监测模块实现方式。
依照轮胎监测模块供电方式不同,TPMS可以分为有源TPMS和无源TPMS。
(1)有源TPMS,指TPMS轮胎监测模块使用专用锂电池供电。
本课题研究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轮胎监测模块有如下几种某些构成:
压力温度传感器、微控制器、射频芯片、低频唤醒芯片、电池以及天线构成。
压力温度传感器是一种集成了压力传感器、温度传感器、数字信号解决单元和电源管理片上系统。
为了增强传感器功能,不少传感器还增长了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗及其他功能数字信号解决单元。
(2)无源TPMS,指TPMS轮胎监测模块不使用电池供电。
当前有两个发展方向,一种是运用RFID读头端发射功率为轮胎监测模块供电,另一种是运用汽车行驶中机械能为轮胎监测模块供电。
射频辨认技术(RFID)是一种非接触式自动辨认技术,其基本原理是运用了射频信号和空间耦合(近距离电感耦合和远距离电磁耦合)传播特性,其中电感耦合根据是电磁感应定律,电磁耦合是以雷达原理为模型,发射出去电磁波遇到目的后反射同步带回目的信息,根据是电磁波空间传播规律。
射频辨认系统普通由两个某些构成,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备非常重要研究意义,其详细长处体当前如下几种方面[6]:
(1)事前积极型安保
汽车既有安全办法,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作用。
而TPMS属于“事前积极”型安保,即在轮胎浮现危险征兆时及时报警,驾驶员可采用办法,将事故消灭在萌芽状态。
(2)延长轮胎使用寿命
登记表白:
轮胎气压局限性行驶,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动态瞬时气压,当轮胎气压浮现异常时能及时自动报警,从而减少车胎损毁,延长轮胎使用寿命。
(3)减少燃油消耗,利于环保
实验显示,轮胎气压低于原则气压值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。
油耗上升不但增长车辆运营费用,并且增长废气排放,对环境污染加大。
车辆安装了TPMS系统,就能及时发现车胎气压异常,有效避免上述现象发生,不但减少油耗,并且还可减轻对环境污染。
(4)可避免车辆部件不正常磨损
若汽车在轮胎气压过高状态下行驶,日积月累对发动机底盘及悬挂系统将导致很大伤害;如果轮胎气压不均匀,则会导致刹车跑偏,从而增长悬挂系统磨损。
安装了TPMS系统,便能有效避免上述现象发生。
1.4本文研究内容和构造
1.4.1研究内容
该系统实现功能:
将通过在轮胎内部安装压力和温度传感器,中央控制单元对轮胎内部温度、压力值进行采集、解决后通过无线通讯方式将数据发送给驾驶室内部中央监视器。
中央监视器对轮胎数据进行分析,如果发现轮胎状态异常,则通过声光报警提示驾驶员进行解决。
针对上述系统功能,本课题重要研究内容如下:
(1)分析直接式TPMS工作原理,并进一步分析了该系统核心技术、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,设计系统总体方案。
(3)轮胎模块硬件和软件设计。
(4)主机模块硬件和软件设计。
1.4.2论文构造安排
第一章:
简介汽车轮胎压力监测系统提出背景和研究意义,当前技术应用现状和将来发展趋势,给出本文研究内容和构造安排。
第二章:
简介系统重要工作原理。
在对系统方案论证基本上,拟定系统软硬件技术性能规定和实行方案,拟定系统总体设计方案。
第三章:
轮胎模块硬件和软件设计。
以Freescale(前Motorola半导体部)MPXY8300系列传感器、微解决器、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测量、无线传播、状态监控和异常报警。
第四章:
主机模块硬件和软件设计。
重要简介MPXY8300系列微控制器基本上,以接受芯片MC33594、微控制器STC12C5416AD芯片为核心,构建主机模块;实现系统对数据测量、模仿/数字转换、无线射频传播控制、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)是一种采用无线传播技术,运用固定于汽车轮胎内微型无线传感装置采集轮胎压力和温度数据,并将数据传送到驾驶室内接受机中,以数字化形式实时显示轮胎压力和温度有关数据,并在轮胎浮现危险征兆时进行报警汽车积极安全系统。
重要功能是在汽车行驶时实时对轮胎气压和温度进行自动监测,对轮胎迅速漏气、高低气压和高温分级报警,从而达到防止爆胎、减少油耗目,以保障安全和经济行车。
针对在汽车恶劣工作环境下,设计满足国内外TPMS原则技术指标(中华人民共和国原则高于国外原则)[7],综合当前市场存在典型方案,分析了其中核心技术,本文设计一种具备高度集成性、高可靠性、低功耗性轮胎压力监测系统。
2.1TPMS系统分类及其工作原理
当前TPMS重要有两种实现方式:
间接式TPMS系统和直接式TPMS系统。
2.1.1间接式TPMS
间接式TPMS系统是与车辆防抱死系统(ABS)一起使用。
ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮转速。
当一种轮胎气压减小时,滚动半径就减小,而车轮旋转速度就相应地加快。
间接式TPMS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系统重要由安装在轮胎上轮胎监测模块和安装在汽车驾驶台上中央监视器两个某些构成。
轮胎监测模块由压力/温度传感器、微控制器(MCU)、射频(RF)发射器构成,中央监视器由RF接受器、MCU以及LCD、按键、报警模块等构成。
普通状况下,一辆轿车或面包车TPMS系统有4或5个(涉及备用胎)监测模块,一辆卡车有8~36个监测模块,本系统设计重要面向四轮轻型汽车轮胎状态监测,其安装位置示意图如图2.2所示,固定在每个车轮中压力、温度传感器直接测量每个轮胎气压和温度,然后通过RF发射器将传感器数据发送到中央监视器。
中央监视器接受到轮胎监测模块发射信号后进行分析,并将各个轮胎压力和温度数据显示在屏幕上,供驾驶者参照。
如果胎压或温度浮现异常,中央监视器依照异常状况,发出报警信号,提示驾驶者采用必要办法。
图2.2直接式TPMS检测原理
2.1.3间接式和直接式TPMS比较与选取
间接式TPMS长处是只要具备ABS系统,就可以增长TPMS功能,此外所需只是软件,因而成本比较低。
但是间接式TPMS有如下几种重要缺陷:
无法同步监测到同轴两轮胎、同侧两轮胎以及四个轮胎所有漏气状况;不能对温度进行测量;受速度影响较大,普通不能超过100km/h;轮胎重新安装或者TPMS复位后,TPMS传感器标定比较麻烦。
相比于间接式TPMS,直接式TPMS具备诸多长处,如能在任意瞬时监测4个轮胎内压力和温度大小,测量精度和精确度均高于间接式TPMS且不受行驶速度限制等。
但是它也存在某些弊端,例如,直接有源式TPMS监测模块质量较大,安装在轮胎内会打破原先动平衡,并且成本比较高;在恶劣潮湿环境下,电池会浮现漏电现象,使得系统使用年限缩短。
而基于SAW直接无源式TPMS重要长处是传感器某些不需要电池供电,并且质量较小,当前已经开发出实验传感器只有5g左右,同步可在高低温等恶劣环境下工作,但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中,这需要各轮胎制造商建立共同原则才有也许实现[8],因而,无源式TPMS短期内还难以流行。
2.2直接式TPMS总体设计
2.2.1系统构成
本课题所要实现TPMS为直接式电池供电TPMS。
TPMS重要由两个模块(见图2.3)构成:
安装在汽车每个轮胎内部轮胎模块和安装在汽车驾驶室中主机模块。
轮胎模块普通由传感器、微控制器和射频发射芯片构成,负责压力和温度数据采样、解决和射频发送。
主机模块普通由射频接受芯片、微控制器、数据显示屏和按键构成。
负责压力和温度数据接受、显示、报警和系统设立。
轮胎模块和主机模块之间采用射频无线通信。
图2.3TPMS模块布局示意图
2.2.2系统设计规定
由于当前汽车轮胎大多是没有内胎子午胎,因而,将TPMS轮胎监测模块安装在轮毂上是十分以便和容易。
但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度是十分恶劣,压力、温度、湿度变化特别大,因此该模块设计要按汽车级规定来选用元器件。
而对于中央监视器,由于其安装在汽车车厢内,环境温度变化不大,电源可以使用汽车12V~24V电源,因而器件选用只要是工业级即可,省电规定也不高。
轮胎监测模块设计详细规定为:
低功耗、介质兼容性以及无线信号传播可靠性。
(1)低功耗
在TPMS实际使用过程中,不也许频繁地拆卸轮胎来为监测模块更换电池,故需要做到轮胎监测模块与轮胎同寿命。
本设计采用减少功耗办法是运用拥有内置加速度计传感器来检测轮胎是静止还是运营,只有当车辆运营时,系统才进行相应检测和传播,当车辆处在停车状态时,TPMS可以休眠或以很低频率运营以节约电量。
普通车辆在公路上行驶平均时间大概占总使用时间15%,即车辆处在停车状态时间比真正行驶时间要长得多[9],因而这种办法可以大幅度减少TPMS功耗。
(2)介质兼容性
组件除了要尽量低功耗外,传感器介质兼容性和可靠性对TPMS而言至关重要,如果没有这些核心特性,整个系统精准性和可靠性将成问题。
所谓传感器介质兼容性,重要指与不同种类介质,如水杨酸、污水、磷酸钠等接触时所体现出来不受干扰性。
由于轮胎模块是置于轮胎内部,因此电子组件面对将是轮胎内部恶劣环境,涉及-40℃~+125℃宽工作温度范畴以及潮湿、灰尘和刹车油等其她介质侵袭[10]。
TPMS传感器特别容易被腐蚀,由于它压力进气口必要与空气接触才干监测周边压力,而好介质兼容性可以保证传感器能得到全面保护。
(3)无线信号传播可靠性
TPMS需要着力解决另一种核心技术是无线信号传播稳定性和可靠性,特别是高速行驶时信号传播稳定性。
由于高速行驶及工作环境比较恶劣,并且汽车内电子产品丰富,信号会浮现漂移及时有时无状况;此外在使用手机、汽车音响等产品时,信号互相会有干扰,信号稳定性会受到影响,因而,屏蔽和抗干扰等问题就显得尤为重要。
RF发射/接受IC选用时普通需要较高接受敏捷度,以提高TPMS工作效率并减少整个系统生产成本。
第一代TPMS发射器芯片设计运用是ASK调制技术,通过SAW共振器产生适当发射频率,这样ASK系统非常便宜,但是载有发射器车轮转动会导致接受场强发生变化,为此,当前TPMS在晶体振荡器和PLL合成器基本上运用FSK调制方式来产生中心频率和频率牵引。
在许多OEM应用中,FSK虽然在轮子高速运转时都能提供可靠RF通信。
2.2.3系统功能规定
直接式TPMS系统需要实现重要功能有:
(1)实时监测每个轮胎压力、温度、电压状况;
(2)可设定每个轮胎压力报警上下限;
(3)当某个轮胎压力过高、过低时,显示该轮胎ID,温度和压力,并发出声光报警;当某个轮胎内部压力急速下降,并发出迅速漏气报警;
(4)轮胎保养换位后,各轮胎ID可重设;
(5)可手动读取各轮胎当前压力值。
2.3系统硬件总体设计
轮胎压力与温度监控系统是通过先进传感技术,在汽车行驶过程中,运用传感器来直接测量轮胎气压和温度,并通过无线调制发射到驾驶室控制台上,驾驶者可以直观地理解各个轮胎气压和温度状况,并对轮胎漏气、低气压和高温进行自动报警,以保障行车安全。
还可以延长轮胎使用寿命,有效减少油耗,能保持最佳车辆性能。
通过对TPMS方案设计分析,拟定本文系统总体设计方案如下文所述。
2.3.1轮胎模块总体设计
轮胎模块实现系统两个重要功能:
信号采集解决和信号发射。
从压力传感器出来信号,由微解决器完毕采样。
然后由微解决器进行数据分析解决,再进行软件编码,将数据流送给射频发射电路;信号通过调制、编码后发射给接受系统。
轮胎模块设计框图如图2.4。
图2.4轮胎模块设计框图
2.3.2主机模块硬件总体设计
主机模块涉及解调电路、接受数据解决、声光报警及人机接口四某些,如图2.5所示。
解调电路由轮胎发射出来射频信号放大解调后,将数字信号送给微解决器串行接口。
微解决器再进行译码,从数据流中提取各轮胎位置和压力值;然后作出相应解决,如更新当前压力值,声光报警等。
人机接口某些要涉及LED批示,按钮等。
LED重要起批示轮胎位置和显示当前安全状况。
按钮则可以进行系统功能读取当前轮胎压力大小。
图2.5主机模块设计框图
2.4系统软件总体设计
系统软件设计就是为了在硬件电路基本上实现系统应用智能化,系统软件设计质量直接关系到系统技术性能好坏。
在汽车轮胎爆胎预警系统软件设计中,必要要考虑到系统应用实际状况和详细技术性能规定,才干设计出符合现场规定应用系统。
汽车轮胎爆胎预警系统软件设计依照硬件模块划分,也分为轮胎模块软件设计和主机模块软件设计两大某些,为了开发便利,其中双方涉及到数据无线收发功能某些又可以合为无线收发模块。
图2.6是系统软件功能框图。
图2.6系统软件功能框图
从图中可以看出,轮胎模块软件需要具备3种重要功能:
测量、解决数据和发射。
轮胎模块是由一块锂电池供电,锂电池电池容量普通为750mAh因而需要综合考虑效率与时间,以得到高效率算法,才干保证系统长效地可靠运营。
主机模块虽然没有严格耗能原则,但接受效率和监控算法仍很重要,由于好算法可以使主机模块电池使用寿命更长[11]。
软件总体分为4个运营模式:
调试模式(工厂诊断用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和测量模式。
下面对4个运营模式功能进行简介:
(1)调试模式
重要执行产品出厂某些内部测试和诊断功能。
详细涉及传感器测试和射频测试两某些。
(2)初始化模式
接受主机给定ID码和级别鉴定阀值。
(3)睡眠模式
以最低功耗运营,响应系统运营规定。
(4)测量模式
测量模式重要完毕如下功能:
(1)定期测量轮胎压力、温度;
(2)压力在不同级别区域内有报警时,同一种级别只上报一次;
(3)压力无变化,固定间隔时间段上报一次压力、温度;
(4)保证系统可靠性,系统每隔一定期间复位一次;
(5)不同级别报警同步浮现,则以高温、高压、低压级别优先级报警。
3轮胎模块设计
汽车轮胎压力监测系统硬件电路按系
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