（电工理论与新技术专业论文）汽车胎压监测与爆胎安全控制系统设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，a u t o m o b i l ea sa m e a n so ft r a n s p o r ta r eg r a d u a l l ye n t e r i n gap e o p l eh o m e a c c o r d i n gt oi n c o m p l e t e s t a t i s t i c s t h ep r i v a t ec a ra c c o u n t e df o rm o r et h a n5 0p e r c e n to f c a rs a l e s a st h ec a r b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a r , _ c a r sp u n c t u r ea c c i d e n t sa l ea l s og r a d u a l l yi n c r e a s e d t h e r e f o r ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ea u t oi n d u s t r y , i n c r e a s e dn u m b e ro f f a m i l yc a r , r e l e v a n to f f i c e r sp a ym o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt oc a r sp u n c t u r ea c c i d e n t s h o wc a l lw ee f f e c t i v e l ym o n i t o r i n ga n dp r e v e n t i o no ft h eo c c u r r e n c eo fap u n c t u r e ， w i l lb e c o m eav e r yi m p o r t a n tt o p i ca tp r e s e n t t h ea u t o m o b i l et i r ep r e s s u r em o n i t o r i n ga n dt i r ef a i l u r es a f e t yc o n t r o ls y s t e m t h i st o p i cd e s i g n e di sb a s e do nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y s ，t i r ep r e s s u r e d e t e c t i o nt e c h n o l o g y , p r o g r a m - c o n t r o l l e dd e f l a t i o n t e c h n o l o g y l o w e rc o m p u t e rd e t e c tt h et i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt o t h ev a l u eo fr e a l t i m ed e t e c t i o no ft i r et oc o n t r o lt h ep r o g r a m c o n t r o l l e dd e f l a t i o n d e v i c e st oa d j u s tt i r ep r e s s u r eo fa u t o m o b i l et i r e s i fat i r ep u n c t u r eo c c u r r e d ，t h e v a l u eo ft h et i r ew i l lq u i c k l yd r o p ，t h i st i m e ，l o w e rc o m p u t e rc o n t r o l t h e p r o g r a m c o n t r o l l e dd e f l a t i o nd e v i c e st od e f l a t eo t h e rt h r e et i r e s ，i no r d e rt om a i n t a i n f o u rf i r e s t i r ep r e s s u r eb a l a n c ea n dt r a n s m i tt h et i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r t u r e i n f o r m a t i o nt oh o s tc o m p u t e rt h r o u g ht h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y h o s t c o m p u t e rd i s p l a ye a c ht i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei nr e a l t i m e ，a n di na c c o r d a n c e w i t ht i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o nt od ot h ea p p r o p r i a t er e s p o n s es u c ha s l o c k i n go b tt h es t e e r i n gw h e e l ，b r a k e s ，a l a r ma n d s oo n t h eh a r d w a r es i d e ，t h el o w e rc o m p u t e ru s i n gu l t r a l o wp o w e rm s p 4 3 0 m i c r o c o n t r o l l e ra n df i r ep r e s s u r es e n s o r st or e a l t i m ed e t e c tt i r ep r e s s u r e ，a n dt h e m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o lr ft r a n s c e i v e rc h i pc c 110 0t ot r a n s m i tt i r ep r e s s u r e i n f o r m a t i o nt ot h eh o s tc o m p u t e r h o s tc o m p u t e ru s i n gf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a yf p g ax c 3 s 4 0 0c o n t r o lt h ec c l 1 0 0r ft r a n s c e i v e rc h i pt or e c e i v et i r e p r e s s u r ei n f o r m a t i o na n da c c o r d i n g l yr e s p o n dt ot r e a t m e n t i i 武汉理f ：人学硕十学位论文 t h es o f t w a r es i d e ，a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r ei s d i v i d e di n t ot w ob l o c k s ，t h el o w e rc o m p u t e rp r o g r a m ，a n dt h eh o s tc o m p u t e r p r o g r a m ，l o w e rc o m p u t e rp r o g r a mi n c l u d et i r ep r e s s u r ed e t e c tc o n t r o lp r o g r a m ， w i r e l e s st r a n s c e i v e rc o n t r o lp r o g r a m ，p r o g r a m - c o n t r o l l e dd e f l a t i o nc o n t r o lp r o g r a m ， h o s tc o m p u t e ri n c l u d ew i r e l e s st r a n s c e i v e rc o n t r o lp r o g r a ma n dd i s p l a yc o n t r o l p r o g r a m ，a sw e l la sa l a r mr e s p o n s ep r o g r a m k e yw o r d s ：t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，f p g a ，c c i10 0 i l l 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：日期矽l r 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： t 厶 导师( 签名) ：建蠖盘垒日期望生： 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理i ：人学硕十学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前，我国机动车数量已经超过1 5 亿辆，全国拥有机动车驾驶执照人员 已经超过了l 亿人。全国的公路通车总罩程达到3 4 8 万公里，高速公路通车总 里程达4 5 4 万公里。根据公安部门统计：近些年来道路交通事故平均每年至少 要夺走八九万人的生命，我国依旧是世界上道路交通事故死亡人数相对比较多 的国家之一。道路交通事故由于驾驶员超载超速行驶而引发的约占全年总事故 数的4 3 2 。高速公路上由于汽车轮胎爆胎而引发的道路交通事故大约占高速 公路交通事故的3 0 - - 4 0 。根据有关部门统计，在广州到深圳的高速公路上， 由于轮胎爆胎而引发的交通事故大约占此路段事故总数的4 3 。在这些事故当 中，营运客车爆胎事故也占了一定的比例【2 1 。 显而易见，汽车爆胎是道路交通事故的头号杀手，特别是在夏季。怎样减 少交通事故，最大限度地减少由于轮胎爆胎而引发的交通事故，尤其是防范由 此引发的群死群伤事故，已经成为各界共同关，t l , 的课题【2 1 。 引发汽车爆胎的原因有很多，其中主要有以下几种： ( 1 ) 轮胎胎压过低 有些驾驶员因为害怕“轮胎爆胎”，往往在给轮胎充气时并没有达到标准气 压值，这样的做法是非常错误的。因为轮胎充气不足时，气压过低，车轮的下 沉量就会增大，同时径向的变形量也会增大，并且轮胎胎面与地面的摩擦也会 增加，滚动的阻力会上升，轮胎胎体的内应力也就会随之上升，从而造成轮胎 胎体温度急剧的升高，轮胎胎面的橡胶变软，造成轮胎胎面老化速度加快，引 起轮胎胎体局部脱层及轮胎胎面磨损加剧。在这样的情况下，如果汽车再在高 速公路上继续高速的行驶，就会使其轮胎的上述反应加快，也就极有可能引发 爆胎事故【3 】。 ( 2 ) 轮胎胎压过量 有些驾驶员为了提高汽车载货能力，通常在给轮胎充气时习惯超过轮胎的 标准气压值，这样做结果却加快了汽车轮胎的磨损速度，从而使爆胎的可能性 武汉理i ：人学硕十学何论文 加大。因为汽车轮胎胎压过高的话，轮胎胎体帘线的张力就会增大，从而使轮 胎胎体帘线的疲劳过程明显加快，特别当轮胎充气过大并且又在超载超速的情 况下行驶时，更加大了轮胎胎体帘线的内应力，使轮胎胎温迅速的上升，轮胎 橡胶的老化速度明显加快，疲劳强度明显下降，这样就会使胎面中央磨损比较 严重并且轮胎胎侧的花纹呈锯齿形状磨损，出现轮胎帘布层折断的现象，从而 引发爆胎事故【3 1 。 ( 3 ) 轮胎安装错误 一些驾驶员在更换汽车轮胎的时候，并没有对所要更换的汽车轮胎进行动 平衡实验就直接使用，假如换上的并不是平衡的轮胎，就会造成轮胎面向各个 部分的质量分布不均匀，当轮胎转动的时候，由于离心力的作用，轮胎转动平 面上会产生较大的冲击力，从而使车轮跳动或摆动，最终会加大轮胎的磨损速 度，使轮胎帘布层受到周期性的冲击，降低轮胎帘线的抗疲劳强度，尤其是在 高速行驶的时候，因为车轮的不平衡而引起的磨损特别剧烈，最终引发爆胎事 故。 汽车的前轮主要是起转向作用的，如果前轮发生爆胎，就会导致汽车失去 转向的能力，从而引发严重的交通事故。一些驾驶员在更换前轮轮胎的时候， 对汽车车轮的外倾角及前束并没有做准确定位，这样汽车在行驶的过程中，就 会导致汽车胎冠内侧或是外侧磨损特别严重，假如不及时地调整过来，长时间 继续行驶，就会使磨损不断地加剧，从而容易引发爆胎事故【3 j 。 ( 4 ) 轮胎缺乏必要的维护 一些驾驶员只考虑经济利益，忽略了对汽车的f 1 常维护，对汽车轮胎并不 进行定期的换位或保养，导致轮胎出现磨损不均匀的现象，这样轮胎就容易形 成薄弱处，从而导致汽车轮胎爆胎。除此之外，假如不能够及时地清除夹在汽 车轮胎花纹里的石子，同样会加快汽车轮胎的磨损速度，从而导致汽车轮胎爆 胎【3 】o 1 2 国内外研究现状及分析 汽车技术产生之后，爆胎也随之出现，当汽车使用充气轮胎之后，爆胎一 直是汽车产业的一个阴影，由于爆胎而导致的损失惨重。因此，世界汽车产业 对爆胎防范及救助技术的研发也从未停止过，到目前为止，主要有以下几种汽 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 车防爆胎技术方案： ( 1 ) 轮胎气压监测技术，该技术目前已经投入商业应用，也就是人们所熟悉 的t p m s ( 美国) 技术，该技术的核心是监测汽车轮胎的胎压及温度信息，目的是 提醒驾驶员和向驾驶员预警，从而降低汽车轮胎爆胎的几率，该技术属于提前 预防技术【4 j 。 美国政府明文规定，自从2 0 0 3 年1 1 月l 同起，在美国生产的所有的新车 都必须配置t p m s 系统。虽然该技术已经投入使用，但该技术也存在一定的缺 陷。技术专家指出：由于电池的使用寿命短，为了保证电池能够长时间的工作 而不更换电池，t p m s 不能不断的采集汽车轮胎胎压信息及温度信息，而是间 隔段时间采集一次，也就是说采样频率低，不能够实时地采集有用信息，这 样就无法保证对突发的爆胎信息进行实时采样并提醒驾驶员和向驾驶员预 莅霉【4 】 目 o ( 2 ) 多气室轮胎技术，该技术的核心思想是在汽车轮胎内设多个气室，设多 个气室的优点就是当多个气室中的某个气室发生爆裂后，其它的气室仍然可以 为汽车轮胎提供最基本的支持刚度，从而使汽车轮胎保持基本的行驶性能。该 技术的缺点是其制造工艺十分复杂，并且当一个气室发生爆裂后，极有可能导 致其它的气室发生爆裂，如果其它的气室发生爆裂的话，同样会引发交通事故， 并且目前还没有很好的方法解决这一问题，所以该技术目前还没有投入商业应 用【4 】o ( 3 ) 超扁平轮胎技术，该技术的核心思想是尽量降低汽车轮胎的高度，增强 汽车轮胎胎侧的支持刚度，从而在轮胎发生爆胎后，车轮的高度并没有明显的 下降，以便为轮胎提供相对低速的基本行驶性能。该技术的初衷是去掉汽车备 用轮胎，并不是预防汽车爆胎，而且该技术在发生爆胎之后也没有提前报警预 警和救助作用。由于此种轮胎的刚度比较大，这样就会导致汽车在行驶过程中 的附着力下降，那么要想提高行驶附着力就必须通过增大轮胎的宽度实现，并 且轮胎高度下降了会使轮胎拆卸比较困难，所以该技术的应用前景还有待论 证【4 】。 ( 4 ) 方向自锁技术，该技术的核心思想是采用胎压传感器来检测汽车轮胎的 胎压信息，当检测到某个轮胎发生爆胎后就对方向盘进行单向自锁，此时驾驶 员可以自由操控方向盘，方向盘自锁后可以减轻轮胎爆胎之后的方向偏移。但 是该技术主要停留在表象上，还处在试验阶段，到目前为止还没有投入使用， 武汉理l ：人学硕士学何论文 并且在发生爆胎之后也没有提前报警预警和救助作用【4 】。 ( 5 ) i n 轴轮胎气压互通技术，该技术的核心思想是使汽车同轴轮胎的左右轮 的气室相通，这样当同轴一侧的轮胎发生爆胎后，另一侧的轮胎的气会快速的 传到爆胎的轮胎，这样汽车就不会因为一侧轮胎爆胎后滚动阻力过大而方向偏 移，从而降低引发爆胎事故的可能性。2 0 0 7 年初，奔驰公司提出了一种新的方 法，即在检测到一侧轮胎发生爆胎之后，快速引爆另一侧的轮胎，与该技术机 理十分相似。但该技术在发生爆胎之后也没有提前报警预警和救助作用【4 】。 ( 6 ) 爆胎监测与安全控制系统，即b m b s 技术。 b m b s 技术的核心思想是利用高精度的智能型传感器检测汽车轮胎的气压 信息，如果检测到某个轮胎发生爆胎，则立刻将爆胎信号传输到中央处理单元， 中央处理单元会控制自动刹车机构进行制动减速并刹车。实验数据表明，装配 b m b s 技术的汽车在时速1 0 0 公罩的情况下爆胎后，6 0 米的距离就可以将车辆平 稳停住【4 1 。目前该技术已经在吉利金刚上使用，由于其它车辆的线路系统与吉 利金刚不一致，所以安装存在一定困难，若改变线路系统对车本身有一定的影 响，所以该技术仍需进一步完善【4 】。 1 3 课题研究目的及意义 经过科学家们长期的调研发现，在高速行驶过程中，车辆从爆胎到完全失 去控制大约需要3 秒的时洲，而驾驶员的制动反应时间也大约为3 秒【l 】，这样 在汽车失去控制之前，驾驶员根本就没有足够的时间反应过来并进行自救，要 想彻底解决这一问题，完全依靠人的本能反应是不行的，必须借助于先进的自 动监控技术，利用智能监控系统填补人反应慢的空缺，彻底将爆胎危险消除【5 】 【6 】 o 本文提出了一种防爆胎的方法，在汽车没有发生爆胎时，下位机可以实时 的监测轮胎的胎压和温度，并可以通过程控放气装置来对汽车轮胎放气，以使4 个轮胎保持在一定的平衡气压值内，并且可以将气压值和温度信息实时的传输 到上位机，上位机可以根据气压信息和温度信息做相应处理，如气压过低、温 度过高时报警，提醒驾驶员及时充气或降温。当发生爆胎时，爆胎的轮胎气压 的快速降低，此时下位机会控制程控放气装置对其它的3 个轮胎进行快速放气， 使汽车保持平衡，并同时将气压信息传输到上位机，上位机进行刹车并报警。 4 武汉理f ：人学硕十学位论文 此防爆胎方法克服了传统的防爆胎方法的缺点，具有很好的实用价值【7 1 。 1 4 研究目标、研究内容 ( 1 ) 胎压传感器，温度传感器的选型以及外围电路的设计，由超低功耗 m s p 4 3 0 单片机进行胎压信号和温度信号的采集，同时通过无线模块传输到中 央处理单元【8 1 。 ( 2 ) 基于m s p 4 3 0 单片机的无线发送模块的设计与实现，主要包括利用 m s p 4 3 0 单片机设计无线发送模块，将现场所采集到的数据信息经过无线模块 传输给基于f p g a 的无线接收模块f 9 】。 ( 3 ) 基于x i l i n xf p g a 的无线接收模块的设计与实现，主要包括利用x i l i n x f p g a 设计无线接收模块。 ( 4 ) f p g a 的数据处理模块、显示及报警模块设计，包括硬件电路设计和软 件设计【1 0 1 。 ( 5 ) 设计电可控型轮胎放气装置，以便在爆胎时可以对其它的轮胎进行放气 【1 1 1 o ( 6 ) 设计电可控型刹车装置，以便在爆胎后使汽车快速平稳刹车。 武汉理i ：人学硕十学伊论文 第2 章汽车胎压监测与爆胎安全控制系统工作原理 2 1 胎压检测原理 轮胎胎压是决定轮胎使用寿命和工作好坏的主要因素，是影响整车性能的 一个重要指标，胎压过高或是过低都影响汽车的整体性能，胎压不当时甚至会 引发爆胎事故，导致惨剧发生【i l 】。 当汽车轮胎胎压过低时，轮胎的附着力会增加，同时与地面的摩擦也会增 加，从而使轮胎的温度快速上升，温度升高后会使轮胎变软，支撑强度也就会 下降，如果汽车在高速行驶，那就很有可能引发爆胎事故，即使汽车在低速行 驶，也会埋下较深的安全隐剧1 2 】。 当汽车轮胎胎压过高时，尤其是在炎热的夏天，地表温度很高，那么有损 伤的轮胎就特别容易发生爆胎，从而引发爆胎事故。 本系统胎压检测主要是基于胎压传感器和微控制器来实现的，当不同的气 体压力作用于胎压传感器上时，胎压传感器会输出不同的模拟电压信号，并且 模拟电压信号与气体压力成一定的线性关系，通过微控制器采集胎压传感器输 出的模拟电压信号，根据采集到的模拟电压信号与气体压力的线性对应关系便 可以计算出气体压力的大小。由于胎压传感器输出的电压信号是模拟信号，而 微控制器只能接收数字信号，所以微控制器在采集模拟电压信号时要对模拟电 压信号进行a d 转换【i 引。 2 2 温度检测原理 温度也是影响轮胎性能的个重要指标，当汽车轮胎的温度过高时，会使 轮胎变软，支持刚度下降，轮胎易受损伤，在行驶过程中容易引发爆胎事故【i5 1 。 因此温度检测至关重要。 本系统温度检测主要是基于数字式温度传感器和微控制器来实现的，当轮 胎的温度发生变化时，数字式温度传感器会输出不同的数字电压信号，并且数 字电压信号与温度成一定的关系，通过采集到的数字电压信号与温度的对应关 系通过程序便可以计算出真实的温度值。 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 3 程控放气装置工作原理 程控放气装置的主要作用是在下位机系统检测到过压或是某个轮胎发生爆 胎而使过压轮胎或发生爆胎轮胎之外的轮胎随时放气。主要方法是通过程序控 制放气装置随时对轮胎进行放气。本系统采用低电压电磁阀作受控元件，在使 用时只要通过程序来控制电磁阀打开和关闭就可以随时进行放气控制。在使用 时电磁阀安装在轮胎的车圈上，当控制电磁阀打开时，就会对轮胎进行放气， 当控制电磁阀关闭时，轮胎放气就会停止【l 酬。 由气体流量方程可知，气体的流量与电磁阀的通径成j 下比，通径大时，流 量就大，放气时间自然就短。 本系统中每只车圈上安装两只电磁阀，这两只电磁阀的通径是不一样的， 一只通径是5 毫米的，一只通径是5 0 毫米的。通径小的主要用于在检测到过压 时使用，对过压轮胎进行适量放气，使过压轮胎与其它的轮胎保持平衡，此电 磁阀的通径不能太大，因为如果通径太大的话，一旦使电磁阀打开的话，气体 会大量放出，很难控制与其它轮胎的平衡。通径大的电磁阀主要用于爆胎时使 用，当检测到某个轮胎发生爆胎时，就打开通径大的电磁阀，使气体快速放完。 经实验，采用通径为5 0 毫米的电磁阀对轮胎进行放气时，需时不到1 秒，约 9 0 0 毫秒，此时间完全可以保证在发生爆胎时使汽车快速平衡下来【l 6 1 。 以匀速每小时1 0 0 公里的速度计算，9 0 0 毫秒时间罩，汽车行驶0 0 2 5 公 里的路程内，就可以将轮胎内的气全部放完，使汽车逐渐平衡下来。 同时随着放气工作和刹车工作的进行，轮胎的附着力会加大，在9 0 0 毫秒 放气时间内，汽车就不可能以匀速1 0 0 公里的速度行驶，如果刹车制动控制的 好的话，在汽车行驶较短的路程内就可以将轮胎内的气全部放完，使汽车逐渐 平衡下来。 2 4 程控刹车制动装置工作原理 当汽车在行驶过程中，如果轮胎发生爆胎的时候继续向前行走的话，很有 可能造成车毁人亡，为了尽可能的避免这种惨剧的发生，在下位机检测到有轮 胎发生爆胎的时候，要及时的控制汽车进行刹车【1 7 1 。 7 武汉理f ：人学硕十学位论文 图2 1 普通汽车刹车原理框图 图2 - 1 是普通汽车刹车原理框图，汽车在行驶过程中，油泵是在一直不停 工作的，从而产生较高的压力，此压力可以将油池里的油传输到刹车鼓。当驾 驶员踩下刹车踏板时，检测模块会检测到此信号，从而输出一个电流信号，此 电流信号将电磁阀l 打开，又因为此电流信号经过非门连接到电磁阀2 和电磁 阀3 ，从而电磁阀2 和电磁阀3 关闭，这时油泵产生的高压会把刹车油传输到 刹车鼓，高压刹车油挤压刹车片，实现刹车功能。当驾驶员松开刹车踏板时， 电磁阀1 关闭，电磁阀2 和电磁阀3 打开，从而使刹车鼓油经过电磁阀2 流回 油池，油泵输出的油经过电磁阀3 流回油池【l8 j 【 】。 为了实现程控刹车，只要对电磁阀l ，电磁阀2 和电磁阀3 作合理的电路 设计，使上位机系统可以随时控制电磁阀l ，电磁阀2 和电磁阀3 的打开与关 闭即可。本系统上位机时钟采用5 0 m h z 的有源晶振，所以执行刹车指令程序需 时不到1 毫秒的时间，此时间完全可以保证汽车快速平稳停车。在程序设计时， 采用p w m 波驱动电磁阀，利用p w m 波控制到刹车鼓的进油量，以便实现轻一重一 轻的刹车效果，保证汽车平稳停下来。 武汉理。i ：人学硕卜学位论文 刹车距离估算： ( 1 ) 驾驶员刹车 汽车时速以1 0 0 公里计算，驾驶员的反应时间t l ，刹车系统反应时i 、日jt 2 。 在汽车爆胎时，驾驶员处于高度紧张状态下，反应比正常要慢很多，大约 为3 秒【1 1 ，所以t 1 为3 秒。 刹车系统的反应时间很短，约为2 0 m s 2 0 1 ，所以t 2 为o 0 2 秒。 在驾驶员的反应时间t 1 ，刹车系统反应时| 日jt 2 时间内，汽车是以1 0 0 公里 的时速行驶的，行驶距离为8 3 8 米。 汽车时速1 0 0 公里时，以汽车刹车距离为3 7 7 米( 奥迪a 8 ) 计算，从驾驶员 反应过来到车完全停止至少行驶12 3 8 米。 ( 2 ) 利用监控系统自动刹车 汽车时速以1 0 0 公里计算，下位机检测到爆胎并将信息传送到上位机，上 位机发出刹车控制指令的时间t 1 ，刹车系统反应时间t 2 。 理论估算t 1 约l m s 。 刹车系统的反应时间很短，约为2 0 m s 2 0 j ，所以t 2 为0 0 2 秒。 在下位机检测到爆胎并将信息传送到上位机，上位机发出刹车控制指令的 时间t 1 ，刹车系统反应时间t 2 时间内，汽车是以1 0 0 公里的时速行驶的，行 驶距离为o 5 8 米。 汽车时速1 0 0 公里时，以汽车刹车距离为3 7 7 米( 奥迪a 8 ) 计算，车完全停 止至少行驶3 8 2 8 米。 从以上数据可以看出，在爆胎情况下，利用监控系统自动刹车比驾驶员刹 车可以将刹车距离减少8 5 5 2 米，可以大大降低事故发生的概率。 9 武汉理l ：人学硕十学何论文 2 5 系统总体方案及原理 ：放气装置控制模块1 一 堕巫婆壁堡壁鉴! 卜谴逦理叟路兰一_ 礅控制避1 , 4 - 一垂堡塑 随垦! 塑壁堡壁竖! h 堡 蔓坦埋皇蜜蔓一一- - 蛰亟銎堕壅) 苇磊畋。万 噘气装置釜希顿甄 = = 莎藕顿模瑛一f p g a 二一卜显示、报警模块2 _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ j 丫 刹车控制模块 图2 2 系统框图 由基于微控制器的信息采集系统采集各轮胎的胎压和温度信息，然后统一 发送到基于现场可编程门阵列的信息接收和处理系统进行信息预处理，如果检 测到有轮胎爆了，那么就定位爆胎的轮胎，下位机便会控制程控放气装置对其 它的轮胎进行放气，使汽车保持平衡，并将爆胎信息传输到上位机，上位机进 行刹车，并报警。在汽车没有发生爆胎时，下位机可以实时的监测轮胎的胎压 和温度，并可以通过程控放气装置来对汽车轮胎胎压进行放气，以使4 个轮胎 保持在一定的平衡气压值内，并且可以将气压值和温度信息实时的传输到上位 机，上位机可以根据气压信息和温度信息做相应处理，如气压过低、温度过高 时报警，提醒驾驶员及时充气或降温【2 0 】。 l o 一一 一 武汉理r ：人学硕七学位论文 第3 章汽车胎压监测与爆胎安全控制系统硬件设计 3 1 传感器模块电路设计 传感器是信号检测过程中必不可少的一部分，本系统中主要用到了胎压传 感器和数字温度传感器。 ( 1 ) 胎压传感器 胎压传感器选用的是u s t p l 0 0 ，其主要参数如下： 表3 - 1 胎压传感器主要参数 主要规格芯片参数指标：( 3 3 v d c ；2 5 。c ) 项目标准值 型号u s t p l 0 0 供电电压 3 3 0 v 1 0 供电电流 1 0 - - 2 0m a 标准量程5 0 k g m 2 满量程输出1 0 0 4 0m v 零点输出 o 4 0m v 灵敏度温度系数0 2 f s 零点温度系数 0 2 f s 非线性度 0 2 f s 桥臂电阻 3 1 6 okq 超载能力 2 x 工作温度 一4 0 一1 2 5 贮藏温度 一4 旷一1 5 0 传感器引线图如下： 图3 1 传感器引线图 武汉理j ：人学硕十学何论文 e + 为供电电源的正极，e 一为供电电源的负极，s + 为差分输出信号的工f 输出 端，s 一为差分输出信号的负输出端。 ( 2 ) 数字温度传感器 数字式温度传感器选用的是d s l 8 8 2 0 。 d s l 8 8 2 0 是d a l l a s 生产的单总线接口数字温度传感器，其体积小，供电电 压范围宽，价格低廉，可以很方便的构成一个温度检测系统。 d s l 8 8 2 0 的管脚排列如下： d s l ，。， d o v o cp 一叩 dsl8820 图3 2d s l 8 8 2 0 引脚图 d q 为数字信号输入输出端；g n d 为电源地；v d d 为外接供电电源输入 端【2 1 1 。 3 1 1 胎压传感器温度补偿电路设计 随着温度变化的影响，胎压传感器会发生漂移，使测量结果发生误差，因 此要对胎压传感器进行温度补偿，温度补偿的方法有很多，本系统采用的是利 用二极管的负温度特性来做温度补偿的。 p n 结导通后的压降并不是完全不变的，p n 结两端的压降随温度升高而略有 下降，温度愈高其下降的量愈多，温度每升高1 度，它的管压会下降约3 m y ， 利用这一特性可以构成温度补偿电路。 温度补偿电路图如下： 图3 - 3 温度补偿电路 1 2 一l r 武汉理ji ：人学硕十学位论文 3 1 2 胎压传感器调零电路设计 当没有气压作用在胎压传感器上时，胎压传感器仍有一个负的电压信号输 出，此负的电压信号如果不加以处理会直接影响测量结果，所以要对胎压传感 器进行调零，使没有气压作用在胎压传感器上时，胎压传感器输出电压为零。 传感器调零主要有两种方法，即通过硬件电路调零和通过软件进行调零。 本系统将两种方法结合起来进行调零。 ( 1 ) 硬件调零 硬件调零电路如下： 图3 4 硬件调零电路 此电路图中，r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 是气体压力传感器的桥臂电阻，通过调整 r 5 ，r 6 ，r 7 ，r 8 的值，使桥平衡。当给其供电时，如果在没有气压作用的情况下 输出不为零，那么通过调节滑动变阻器可以使输出电压为零【2 2 1 。 ( 2 ) 软件调零 软件调零是由微控制器通过程序控制来实现的，首先上电时，在没有气压 信号时，采集此时的传感器差分输出电压，并判断出此电压为j 下还是负，并用 一个全局变量将此电压信号的绝对值保存起来，当此电压为正时，此后在有气 压作用时，得到的输出电压减去没有气压作用时的电压信号的绝对值便是实际 输出的电压信号，当此电压为负时，此后在有气压作用时，得到的输出电压加 上没有气压作用时的电压信号的绝对值便是实际输出的电压信掣2 2 1 。 1 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 3 2 下位机m c u 电路设计 3 2 1 下位机m c u 芯片选型 由于下位机系统是安装在轮胎内部工作的，所以必须用电池供电，并且在 轮胎内经常更换电池很不方便，所以就必须想办法降低系统的功耗，使系统尽 可能的长期工作，因此，系统功耗便成了制约电路设计的重要因素。 通常降低功耗有以下几种方法： ( 1 ) 降低系统的工作电压，使系统处在低电压工作状态中，如选用3 3 v 供 电电压或者是更低的供电电压。 ( 2 ) 尽量选用低电压、低功耗器件，而不是大功率器件，在硬件上保证低功 耗。 ( 3 ) 降低系统的工作频率，系统的工作频率越高，系统的耗电量就越大。 ( 4 ) 降低系统电路中晶振的频率，尽可能的使用控制芯片内部集成的时钟 源，如控制芯片内部没有集成时钟源或是集成时钟源过高，此时可以考虑使用 集成了锁相环的控制芯片，可以在此类控制芯片外部接较低的晶振，如 3 2 7 6 8 k h z 的晶振，通过控制芯片集成的锁相环将外部低频率的时钟提升到系 统的工作频率。 ( 5 ) 尽可能的选择多时钟源控制芯片，可以使系统中不同的器件工作于不同 的工作频率下，有效的降低系统的功耗。 ( 6 ) 选择控制芯片时尽可能的选择集成低功耗处理功能的控制芯片，此类控 制芯片可以通过程序控制芯片的工作状态，如休眠等。 根据以上分析，本系统选择超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 4 2 5 0 作为下位机系统 的控制芯片。 m s p 4 3 0 系列单片机是一种1 6 位混合信号处理器，其是业界功耗最低的单 片机，也称为超低功耗单片机或超低功耗混合信号处理器，此处理器将微处理 器电路和许多数字电路、模拟电路集成在个芯片上，为许多应用提供单片的 解决方案，即通过一个单片机及少量的外围器件就可以构成一个完整的系统【2 3 1 。 m s p 4 3 0 系列单片机最主要的特点就是它的低功耗，完全适合电池等低电压 供电场合，电源供电电压范围为直流1 8 v - 3 6 v ，在r a m 数据保持方式下耗电 电流仅为0 1 u a ，在活动模式下耗电电流为2 5 0 u a m i p s ( m i p s ：每秒百万条指 令数) ，i o 输入接口的漏电流最大仅5 0 n a 2 3 1 。 1 4 武汉理r 人学硕+ 学伊论文 m s p 4 3 0 系列单片机时钟系统与一般的单片机不一样，其主要包括两个不同 的时钟系统，基本时钟系统和锁相环时钟系统或d c 0 数字振荡器系统。单片机 的时钟系统产生各种时钟，包括c p u 时钟及各功能模块所需的时钟，并且这些 时钟完全可以通过程序控制打开或者是关闭，通过根据不同的外设要求控制打 开或者关闭相应的时钟可以降低系统的功耗，即在高速外设时使用高速时钟， 低速外设时使用低速时钟，这样就可以避免过多的功耗损耗【2 3 1 。 m s p 4 3 0 超低功耗单片机可以提供多种工作模式，主要包括一种活动模式和 五种低功耗模式，在不同的工作模式下，耗电量是不同的，在使用时可以根据 实际情况通过程序选择使单片机处于不同的工作模式下，以便降低系统功耗。 其中低功耗模式相对更加省叫2 3 】。 m s p 4 3 0 系列单片机的片内外设十分丰富，主要包括定时器，a d 转换器，笔 段式l c d 驱动器，看门狗，串口，直接存储器访问，多个i 0 口及外部中断口 等，本系统主要应用了单片机的看门狗，外部中断，1 6 位a d 转换器s d l 6 一a 及 i o 口【2 3 1 。 m s p 4 3 0 单片机全都是工业级的处理器芯片，运行环境温度为一4 0 摄氏度到 + 8 5 摄氏度，工作温度十分宽，抗干扰能力强，系统工作十分稳定。系统上电 复位后，首先由数字振荡器时钟启动c p u ，从而保证程序开始从正确的位置开 始执行，给晶振留出足够的起振时间。然后可以通过程序来设置相应的寄存器 确定的系统工作时钟频率。如果单片机在工作过程中，外部晶振作c p u 时钟时 发生故障，数字振荡器会自动的启动，从而保证系统正常工作【2 4 】。 3 2 2m c u 电源电路设计 由于下位机系统对功耗要求特别高，所以在设计电源时应该尽可能的降低 功耗。所以本系统选择低压差输出电压调节器( l d o ) t p s 7 6 0 3 3 作为本系统的电 源芯片，供电电压为3 3 v 。 t p s 7 6 0 3 3 是5 0 m a 的低压差输出电压调节器( l d o ) ，主要应用于电池供电场 合。输入电压为4 3 v 到1 6 v ，输出电压为3 3 v ，完全满足本系统应用要求【2 5 】。 系统供电电池采用3 6 v - 1 2 0 0 r n a h 高容量锂电池e r l 4 2 5 0 ，使用时可以将 四节电池两两串联再并联起来使用，即使电池电压下降到4 3 v ，t p s 7 6 0 3 3 仍 然可以输出3 3 v 的稳定电压。 武汉理i ：人学硕十学位论文 j p 3 2 l i n p u t 图3 - 5m c u 电源电路 3 2 3m c u 时钟电路设计 时钟是单片机系统中不可缺少的组成部分，单片机系统要想正常的自动工 作，就必须有系统时钟，在系统时钟的作用下，单片机可以控制系统各个部件 正常有序的工作。 所有的m s p 4 3 0 单片机都有时钟模块，其可以提供单片机系统工作所需的各 种时钟信号。m s p 4 3 0 单片机工作时可以通过程序选择外部时钟，也可以选择内 部时钟，在本系统中，选择的是外部低频晶振作为时钟，然后通过倍频器进行 倍频后作为系统的总时钟，这样可以降低系统的功耗，因为在数字系统中，系 统的功耗与频率是成正比的，而使用低频晶振和含有倍频器的振荡器可满足时 钟系统速度与低功耗这两个要求。 m s p 4 3 0 系列单片机的时钟模块可以输出3 种不同频率时钟，即辅助时钟、 主系统时钟和子系统时钟，这些时钟信号被送到不同需求的各个模块。 m s p 4 3 0 f 4 2 5 0 时钟模块应用了增强型锁相环技术，硬件自动调整d c o 频率， 支持时钟配置的超低功耗应用。 本系统时钟电路设计如下： k ，ln = l l - = 一 x i d i r r 3 2 7 6 8 k 厂9 m c i j 图3 - 6 系统时钟电路图 m s p 4 3 0 f 4 2 5 0 单片机外部接3 2 7 6 8 k h z 低频率晶振，在应用时利用芯片内 部集成的增强型锁相环，通过程序设定系统的工作频率，从而降低系统的功耗， 本系统工作频率为1 m h z 2 6 1 。 1 6 武汉理：人学硕十学位论文 3 2 4m c u 复位电路设计 任何一个单片机系统都必须有复位电路，没有复位电路的话系统是不能够 从正确的位置开始执行程序的，从而也就不能实现系统的功能。一般情况下， 当系统复位时，各个寄存器保持复位时的初始值，单片机系统是从o x 0 0 0 0 地址 开始执行程序的。m s p 4 3 0 单片机有两种复位信号，即上电复位信号和上电清 除复位信号。上电复位信号产生时，同时也会产生上电清除复位信号，但是上 电清除复位信号产生时，不一定会产生上电复位信号。 本系统采用的是系统上电复位，具体电路如下： d v f p d v s sm f f u 图3 - 7 系统复位电路 在此电路中，c 2 主要是起滤波作用，提高系统的抗干扰能力，避免杂波进 入复位引脚。在给系统通电时，r e s e t 引脚为高电平，系统复位。 3 2 5m c u 程序下载电路设计 程序下载是设计单片机控制系统过程中一个特别重要的环节。用户编写的 应用程序要通过程序下载器和程序下载电路下载到单片机芯片内，使单片机按 照用户的程序思路进行有条不紊的工作。通常常用的程序下载方式有j t a g 程序 下载方式和i s p 程序下载方式【2 7 1 。 现在大多数的器件都支持j t a g 下载，如a v r 单片机，m s p 4 3 0 单片机，数 字信号处理器、现场可编程门阵列等。标准的j t a g 接口很简单，共有4 根线： 分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。而且j t a g 不仅仅可以下载程 序，更重要的是其支持在线仿真，从而加快系统的调试过程【2 7 1 。 i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) ：所谓在系统可编程是指未编程的i s p 器件可以直接焊接在电路板上，然后通过下载线对电路板上的i s p 器件直接多 次编程，从而使器件具有所需要的逻辑功能。这种编程不需要使用专用的编程 器，因为己将原来属于编程器的编程电路及升压电路集成在i s p 器件内部了。 1 7 武汉理1 ：人学硕十学位论文 i s p 技术使得调试过程不需要反复拔插芯片，从而不会产生引脚弯曲变形现象， 提高了可靠性，而且可以随时对电路板上的i s p 器件的逻辑功能进行修改，从 而加快了数字系统的调试过程 2 7 1 。 本系统单片机程序下载方式为j t a g 程序下载方式，具体电路如下： d v 0 2 1 i ) 洲 l i d o t d il l2 2r j