汽车轮胎压力监测系统

1、太原工业学院毕业设计(论文) 1 绪论1.1 课题背景随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手，其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素1。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题，据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统（TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必

2、须安装轮胎气压监测系统以便在轮胎气压低于规定值发出警报。于是，汽车轮胎压力监测技术应用而生。1.2 课题的研究意义1.2.1 轮胎压力与行车安全轮胎与行车安全息息相关，近年来汽车安全成为全球汽车界的关注热点2。汽车轮胎气压过低时行驶有如下危害：气压过低，导致轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力。在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱离、胎里和胎体碾伤。轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增多或移位导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散；气压过高，轮胎的负荷能力和气压的增加，轮胎各部位的变形和所受的内应力也相应增加，如果气压过高，迫

3、使胎面中部产生更大的凸变，胎面弧高进一步增大，胎体帘线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大，胎面与地面的接触面积减小，单位压强增加，导致行驶面中部的磨损进一步加剧。1.2.2 轮胎压力与使用寿命轮胎的使用寿命，在很大程度上和轮胎的使用条件、车辆的技术性能、驾驶员的操作水平以及企业对轮胎的管理工作质量等有直接的关系。标准的气压是轮胎的生命，因此在使用过程中充气压力的过低或过高都会直接缩短他的寿命，甚至引发安全事故隐患。气压是轮胎的重要因素，它左右着轮胎的使用寿命和各种特性，汽车轮胎压力监视系统将可时刻监视轮胎压力状况；保持行驶中车辆每个轮胎压力足够，防止轮胎爆胎以便行车安全；并且还可节省燃油以

4、及延长轮胎寿命。 1.3 国内外的研究现状及发展趋势1.3.1 国外发展状况由于国外立法较早，开发生产的汽车轮胎压力监测系统(TPMS)较为成熟3。主要生产商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等。迄今为止，国外己有许多车型装配了TPMS。从2002年以后发布的世界新车资料中可以看到，美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒克莱斯勒公司等知名汽车厂商在多种新车中都预装了TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将TPMS配装于其高档车型，包括宝马公司的Z8，欧宝公司2002年版威达、旁蒂亚克的旗舰产品Bon Neville SE 等。2007年已经到达美国法律强制安装汽车TP

5、MS的时间国外很多普通车型都已安装TPMS。例如：奔驰-CUK、C、E、G、M、SL、SLK、S、系列，宝马-3、5、6、7、X3、X5、Z4、系列，别克-林荫大道、荣御、君越。例如：MPXY8300是同类中的首款可以在单个封装内提供电容传感器技术、压力传感器、8位 S08微控制器(MCU)、射频(RF)发射器和双轴(X和Z轴)加速计的全面集成产品；SP30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并内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的低频(LF)接口，且消耗的电流仅0.4 uA；NPXII集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8

6、位RISC处理器以及一个低频唤醒输入级，满足了系统各方面的性能要求4。1.3.2 国内发展状况由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位5。目前中国轮胎压力监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶段，整套系统价格还比较高，而且产业化配套的市场也没有大规模启动。根据以上情况本论文设计一款成本低廉，可靠性高的TPMS。1.3

7、.3 TPMS发展趋势 未来的TPMS模块将向高度集成化、单一化、无线、无源化方向发展。高集成度芯片可以降低功耗，提高系统的可靠性，并且具有良好的经济性。目前己经有了如GENPX2那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块6。在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块(例如GE准备推出的NPX3)。1.4 轮胎压力监测系统原理及分类1.4.1 间接式TPMS系统 间接式TPMS不需要另外安装传感器。它主要通过建立轮胎压力与车轮转速或轮胎的周向扭转刚度的关系模型来间接求出轮胎压力。目前主流间接式TPMS是借用ABS中的轮速传

8、感器来获得4个轮胎的转速7。当某个轮胎的气压下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。系统通过比较两条对角线上车轮转速的总和(右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和)来判断是否出现气压下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统就会发出错误报警。 目前主流间接式TPMS存在明显的缺陷，这主要表现在： 1) 当前间接式的TPMS系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前后两车轮的速度。 2) 当4个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两

9、轮同样胎压不足时，系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过100 km/h的情况时，系统就不能够正常工作了；只有在单个轮胎或对角线上的两个轮胎以及3个轮胎的气压低于其他轮胎气压的30以上，才能监测到低压现象。NHTSA在调查中发现，使用目前间接型TPMS的轮胎，在处于明显低压状态时，只有占调查总数的50发生了报警，而直接型TPMS都能发出报警。1.4.2 直接式TPMS系统 直接式TPMS系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎气压，并对各轮胎气压进行显示及监视。当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。它主要由安装在汽车轮胎内的TPMS发射模块和安装在

10、汽车驾驶台上的TPMS接收模块组成。TPMS发射模块包括：气压、温度传感器和信号处理单元、RF发射器。TPMS接收模块包括：RF接收器、信号处理单元、LeD显示器8。系统结构如图1.1所示 LCD显示器信号处理信号接收Rx（RF）气体传感器信号处理信号发射Tx（RF） 图1.1 直接式TPMS系统结构图 气压传感器将采集到的信号经内部A/D转换后，将数据以串行方式发送给信号处理单元(MCU)；信号处理单元对这些信号调制成曼切斯特编码后，传送给信号发射芯片(RF发射器)；射频发射芯片以一定的频率(通常为315 MHz或433 MHz)和调制方式(通常为FSK)将信号发射出去。位于汽车驾驶台上的信

11、号接收芯片(RF接收器)接收由发射器发射来的射频信号，并对其解码后传送给信号处理单元(MCU)；信号处理单元检查数据帧后对其进行数据处理，并与轮胎气压阀值进行比较。如果出现异常，指示灯或液晶显示器会显示报警。 相比于间接式TPMS，直接式TPMS有着很多优点，如能在任意瞬时监测到4个轮胎内气压大小，测量精度和准确度都要比间接式的要高。但它有不可避免的存在着一些弊端9，比如，安装在4个轮胎内气压传感器，信号处理单元和发射模块会打破轮胎原先的动平衡，在恶劣潮湿的环境下，轮胎内的电池会出现漏电现象，使得系统使用年限缩短。 由上述直接式TPMS的优缺点可知提高直接式TPMS性能的关键在于： 节约功耗特

12、别是装在轮胎内部的发射模块。发射模块在轮胎内部，不易更换电池。功耗的高低及电池的电量，直接关系到直接式TPMS的寿命。 传感器的工作性能，应保证其在轮胎内部恶劣的环境中仍能正常工作。 无线通信的可靠性，汽车在行驶时对于无线传输不利，应通过有效编码，校验等使发射与接收模块准确通信。 由以上对两种TPMS得分析可知，直接式轮胎压力监测系统将是TPMS发展的主流。1.5 论文主要工作概述 本文主要讲述了直接式轮胎压力监测系统的开发方案及实现过程。根据研究内容，全文共分为七章。 第一章 介绍了课题提出的背景，对轮胎压力监测系统的作用、分类及发展状况进行了阐述。 第二章 分析轮胎爆胎的因素及工况，提出系

13、统应测量轮胎气压这个参数，并得出系统的报警的阀值，为后续的系统设计提供了理论依据。 第三章 介绍本系统TPMS的总体设计包括总体布置、各模块的内部结构、轮胎模块安装、主要器件的选择。 第四章 本章为系统TPMS的详细硬件设计，包括器件工作原理的介绍，外围电路的设计。 第五章 本章详细阐述了系统的软件部分设计，采用模块化的设计方法，把系统按功能分为几个模块，对各模块分别进行了设计。 第六章 本章进行了系统仿真测试。对压力测量功能及无线通信功能等系统主要功能进行测试，测试结果达到了设计要求。 第七章 总结与展望。2 轮胎爆胎因素分析2.1 轮胎结构分析 轮胎大体可以分为有内胎与无内胎的两种基本形式

14、。目前，轿车已广泛使用无内胎轮胎，一些新型载重汽车已开始使用无内胎轮胎，但目前的应用尚不十分普遍。这主要有两个原因：一是很多司机局限于以往的经验和眼前需要，不愿更换；另一是无内胎轮胎需要安装在深式轮辋上，而这种深式轮辋与目前所用的轮辋不能互相替换。因此运输公司为了换用无内胎轮胎存在着投资损耗和编制问题，从而使无内胎轮胎在载重汽车上的普遍使用受到了限制。但是无内胎轮胎在诸多方面的优势使它成为轮胎的发展趋势，相信在不久无内胎轮胎将会在各种车辆上得到广泛得应用。 无内胎轮胎的结构如图2.1所示10，由气密层、密封胶和特殊结构的胎圈等部分构成。气密层是贴于胎里表面并延伸至胎圈底部的一层厚约0.53mm

15、的胶层，其作用是防止压缩空气渗入胎体引起脱层。由于它与胎体形成一体，并不像内胎那样受到拉应力，所以受伤后并不会迅速扩大裂口，使气压下降。无内胎轮胎胎圈底部斜度较大，胎圈直径较轮毅直径小(轿车轮胎小11.5mm，载重车轮胎有时小4mm)，与轮毂边缘相接触的“密封胶”部位的曲率较轮辋边缘曲率大，因此胎圈能与高精度的带有金属气门嘴的轮辋之间形成可靠的密封。 图2.1 无内胎轮胎结构示意图1一橡胶密封层 2一气密层 3一槽纹 4一轮辋 5一气门 6一密封胶 由无内胎轮胎结构可知，无内胎轮胎具有以下优点： 在汽车批量生产中，轮胎安装更简单，更快捷。 气密性能好，轮胎受小的损伤时能自动封闭。 减少汽车因轮

16、胎故障在路上停留时间(不必更换内胎，修理时轮胎不必从轮毂上卸下来，修理简单) 没有内胎和衬垫，结构简单，且没有内胎与帘布层的摩擦，提高轮胎寿命。本文正是基于无内胎轮胎设计的一款轮胎压力监测系统。无内胎轮胎的良好应用前景也为本系统的应用提供了保障。2.2 轮胎爆胎主要原因分析 爆胎，是轮胎不能承受胎内气体压力而产生的瞬间破裂现象即胎压相对轮胎强度过高。爆胎大致可分为以下三种情况： (1) 胎压不足时，轮胎遇到异物，异物刺入胎中引起爆胎。 (2) 胎压过高，超载或高速行驶，胎内温度上升，胎内气体膨胀，引起爆胎。 (3) 轮胎过渡磨损，胎压稍高或胎温上升，胎内气体膨胀，引起爆胎。(4) 胎温过高，轮

17、胎橡胶性能变化，胎内气体膨胀，引起爆胎。2.2.1 轮胎胎压过低 轮胎胎压过低的危害主要表现在以下几个方面： (1) 轮胎的气压低时，轮胎向里弯曲，胎面的中部负荷要小一些，而胎面的边缘负荷急剧增加，使材料应力增大，这种现象为“桥式效应。产生“桥式效应时，胎面磨损不均匀，胎面的边缘严重磨损。同时，胎面的中部几乎保持不变。这种不均匀磨损使轮胎寿命降低。另外此种情况下，轮胎滚动时肩部产生的温度比轮胎其他部分高，由于生热而温度增高，更加促使胎面边缘磨耗加速。 (2) 当轮胎充气不足时，轮胎的侧壁也就会承受过大的压力，这样可以产生大量的热量以致造成轮胎的损坏。 (3) 若轮胎气压低于标准值过多时，轮胎下

18、沉，轮胎与路面接触面积增大，阻力上升，摩擦增加。随之，温度升高，胎面橡胶变软，轮胎强度下降；车辆行驶速度越快，这些变化越明显，爆胎也越容易发生。2.2.2 轮胎胎压过高 轮胎胎压过高的危害主要表现在以下几个方面： (1) 当轮胎内气压高于标准气压值(过压)时，内压增加使轮胎刚性增大，相同载荷下的变形减小，内应力也相应增加。因此胎面胶的橡胶分子链长期处于高度伸张应力状态下，其耐磨性显著下降。导致胎面胶，特别是胎面中部磨损加速。 (2) 从轮胎结构看，胎冠顶部帘布层处于行驶面中心部位即胎面中部，胎内气压对轮胎的向外扩张作用力在胎面中部达到最大值。轮胎气压过高的情况下，轮胎帘布将受到伸张变形，会引起

19、轮胎弹性下降、刚性增强、动载加剧、接地面积小、单位面积负荷增大，导致胎冠顶部过渡磨损。 (3) 轮胎气压过高时，增加轮胎打滑及遇到冲击时被割伤的危险。 (4) 轮胎气压超过标准值时，轮胎弹性下降，缓冲性能下降，当行驶中受到较大冲击时，轮胎承受不了过高的压力就容易爆胎。车辆行驶速度越快，跳动越大，轮胎受到的冲击也越大，爆胎就容易发生。2.3 报警阀值分析 总结本章以上各节分析可知引起爆胎的因素主要有：胎压过高(过压)、胎压过低(欠压)及胎温过高。欠压和过压对轮胎性能的影响如图2.2所示。 图2.2 欠压和过压对轮胎性能的影响 由图2.2可知，如果轮胎压力超过标准的20，轮胎应力就会超过标准22,

20、这将使轮胎应力一应变状况急剧恶化，并可能由此引发爆胎事故。 图2.3反映了轮胎压力对轮胎寿命的影响4。若轮胎一直按标准胎压行驶，则其寿命可达到最大值。这仅仅是一种理想情况，当胎压保持在标准值的80120之间，轮胎寿命保持在最大值的90以上。当胎压超过这个范围，轮胎寿命就会大幅度减小。 图2.3 轮胎压力对其寿命的影响 经过分析为本文所设计的汽车轮胎压力监测系统的低压报警阀值为标准胎压的80，高压报警阀值为标准胎压的120，高温报警阀值为85。2.4 本章小结本章介绍了轮胎的分类以及发展趋势，着重阐述了无内胎轮胎的优点以及应用前景，指出了无内胎轮胎的广泛应用是必然趋势。同时，本章并对爆胎因素及工

21、况进行详细分析，得到引起爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎温过高。并且根据轮胎压力与轮胎性能的曲线关系、轮胎压力和寿命的曲线关系以及轮胎温度对轮胎性能的影响判断出轮胎压力监测系统合理的报警阀值。3 TPMS系统的总体设计研究3.1 系统总体设计方案 汽车轮胎气压监测系统主要作用是对轮胎气压进行实时监测。当出现异常时，报警提醒驾驶员采取措施，属于事前报警措施，防范于未然。本文要设计一款用于无内胎轮胎上的轮胎气压监测系统，属于直接式TPMS。设计任务主要包括：总体方案设计，硬件设计，软件设计以及试验测试等11。 直接式TPMS系统分为轮胎模块和接收报警模块。轮胎模块直接安装在轮胎内部，工作环境

22、非常恶劣。由于轮胎工作在室外温差特别大，在-40125温度范围内轮胎模块要能正常工作而且要能抗高压，潮湿及高温。它的体积和重量也受到了限制，体积要能满足在轮胎内有限空间内安装，重量要尽量不引起轮胎的不平衡。所以不能选用大的电源来供电，同时要求模块长时间工作，在一块锂离子电池供电的情况下，使用寿命要达到3-5年，因而要减少发射模块的功耗。轮胎模块设计应达到如下要求： (1) 体积小，重量轻，便于保持轮胎的平衡。在成本允许的条件下尽量采用集成度高的芯片。 (2) 功耗低、时效长，尤其是测量与发射模块的功耗要尽可能的低，因为轮胎的封闭环境不便于更换电池。使用寿命要达到45年。 (3) 射频收发时抗干

23、扰和抗噪声的效果要好，发射的有效距离要适当。要采用软硬件抗干扰措施保证轮胎模块正常工作。 (4) 压力测量的精度要达到一定要求，以便能准确报警。 (5) 同时要安装简单，更换方便。3.2 轮胎压力监测模块设计方案根据上一节对轮胎爆胎机理、因素及工况的分析，提取出系统需测量的轮胎参数胎内压力。所以轮胎模块应包括：压力传感器和无线发射模块。传感器用于测量胎内气压转换成电信号。但鉴于轮胎模块对功耗的要求，以及发射芯片在发射数据时的功耗相对比较大，本系统在轮胎模块中进行数据处理。当气压超过报警阀值时再发射数据，来减小轮胎模块功耗。无线发射模块包括发射芯片和天线，用于将处理过的轮胎压力值发射出去。压力传

24、感器压力阀值比较高于阀值采样压力值发射数据数据编码NoYes 图3.1 轮胎模块设计方案 3.3 接收报警模块设计方案接收模块 接收报警模块用于接收数据、数据再处理及显示报警。接收报警模块的接收数据主要由微控制器控制接收模块完成。数据再处理包括：轮胎ID校验、CRC数据循环冗余码校验以及数据解析。通过蜂鸣器和LED灯进行声光报警，LCD显示轮胎标识、气压值、温度值和轮胎状态。接收报警模块具体设计方案如图3.2所示12。微控制器校验通过本车轮胎？轮胎ID校验接收数据蜂鸣器鸣叫指示灯红灯闪烁驾驶员手动复位 图3.2 接收报警模块设计方案当接受报警模块没有接收到数据，蜂鸣器不叫，绿灯亮。当接收到数据

25、时，微控制器对数据进行再处理，将进行显示和报警。当驾驶员注意到轮胎异常时可进行处理并按复位按钮，使系统回到未接收到数据即轮胎正常工作状态。3.4 人机界面设计方案 人机界面设计主要指接收报警模块与人交互的界面设计13。当轮胎正常工作时轮胎模块显示正常工作界面，如图3.3所示。LCD显示OK，绿灯亮，蜂鸣器不叫。OK蜂鸣器红灯绿灯复位按钮开/关 图3.3 轮胎正常接时收报警模块工作界面当轮胎模块接收到轮胎温压数据并且数据校验成功后，表示轮胎已处于异常状态，进入报警界面如图3.4所示，红灯闪烁，绿灯灭，蜂鸣器鸣叫。轮胎标识LF P 2000 Kpa蜂鸣器绿灯红灯复位按钮开/关图3.4 轮胎异常时接

26、收报警模块报警界面3.5器件的选择根据系统总体结构设计，本系统主要由压力传感器、发射芯片、接收芯片、微控制器及电源等器件组成。下面各小节详细介绍各器件的选择。3.5.1 微控制器的选择 本系统的微控制器选用的是ATMEL公司的AT89S53单片机，其为MCS5 1增强型8位单片机。其具体性能与MCS-51比较如表3.1：表3.1 AT89S53单片机与MC-51单片机比较机型MCS-51ATS89S53是否与MCS-51产品兼容是是片内Flash/KB48中断源58定时/计数器/个2（16位）3（16位）低休闲和降压模式无有SPI接口无有可编程监视器（看门狗）无有双数据指针无有 由上表可看出A

27、T89S53与MCS-51单片机相比性能有很大的提高，如片内Flash容量增加到8KB，并且可进行在线程序下载，便于系统开发。静态频率为033MHz，大大拓宽了工作频率和运算速度，同时具有SPI接口，方便于传感器通信，可编程看门狗，有利于提高系统的可靠性。其工作性能完全符合军品标准，在一55125范围内可以正常工作，同时采用静态时钟方式，可以节省电能。3.5.2压力传感器的选择 传感器是整个TPMS系统的关键元件。数据的准确采集和发射是系统功能实现的决定因素。其工作环境的特殊性又为传感器的选择增加了难度。轮胎模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的工作场合。汽车轮胎独特的工作环境

28、，决定了对轮胎压力实时监测的压力传感器的高要求：宽工作温度区间、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性及低功耗。 本系统采用的是一种基于MEMS技术的单体压力传感器14，主要包括硅集成式压力检测单元、SPI串行数据接口、模拟值比较电路及待机唤醒电路等。MPXY8020A满足轮胎模块特殊工作环境对传感器的要求，其具体工作性能及特点如下： (1) 集成度较高，有利于减少轮胎模块宝贵的空间资源和减轻轮胎模块的质量，减少安装轮胎模块后的轮胎不平衡性。 (2) 压力检测范围为0KPa637KPa，能满足系统对温度和压力检测范围的要求。 (3) 采用SSOP封装可提供强大的介质保护，体积小巧，抗干扰能力强。

29、(4) 功率低、耗电量小，其能量损耗可以通过外部引脚选择工作模式进行控制。 (5) 具有唤醒功能通过RST弓脚在每隔大约52分钟，输出一低脉冲。它是针对轮胎压力检测环境，设置的一个功能，可以用来复位微控制器等外部设备，以防止在轮胎环境中造成轮胎模块不正常工作，起到类似看门狗的作用。(6) 传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号供电电压等情况下测量结果会产生漂移。MPXY8020A具有校准功能15。可以对压力数据进行检测和校准。由以上分析可知MPXY8020A满足本系统的测量要求。3.5.3发射芯片的选择 TPMS的工作频率北美标准为315MHz，欧洲标准为433.92MHz，韩国为44

30、8MHz，已有人建议新标准为868MHz。目前国内尚无此标准，参考国内无线电频率分配，本系统选择符合欧洲标准又与国内已分配的无线电频率不冲突的433.92MHz作为发射频率。另外对发射功率也有要求，发射功率不能超过10dBm，否则要接受无线电管制。数字调制方式有三种基本方式，分别是幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)和频移键控(FSK)。其中FSK抗干扰性较好。因此，本系统应选具有FSK调制功能的无线发射芯片作为轮胎模块的发射芯片。经过以上分析本系统采用MC33493作为轮胎模块的无线发射芯片。3.5.4接收芯片的选择 MC33594是MOTOROLA一款用于数据传输的单片集成接收器，具有F

31、SK解调、识别字和音频检测等功能。其工作频带为315MHz和434MHz；数据速率为110.6kbaud(即110.6kb/s)；RF灵敏度为一105dBm；中频带宽500KHz。MC33594最快唤醒时间为lms。根据以上所述MC33594的特性可知其可与MC33493配套使用，作为本系统的接收器，同时其唤醒时间、灵敏度及带宽也满足本系统要求。所以本系统在接收报警模块中选择MC33594作为接收芯片。3.5.5轮胎模块供电电池的选择 轮胎模块的电源直接关系到轮胎模块的寿命，甚至整个系统的寿命和可行性。由于轮胎模块是安装在轮胎内部，无法利用汽车电源，只能采用电池供电。轮胎模块工作条件非常恶劣，

32、既要耐高低温，还要能抗击震动、离心力作用、高气压和潮湿等。这就对选作轮胎模块的电源的电提出了更高的要求。准军工级类产品才能达到要求。目前工业用电池主要有三类：锂亚电池、锂锰电池及锂氟电池。三种电池的特性比较如表3.2表3.2 锂亚电池、锂锰电池及锂氟电池特性比较品种空载电压负载电压放电电压自放电特性高温特性能量体积比瞬间放电脉冲价格及厂家锂亚3.6V3.4V平稳极低都好最高小适中锂锰3.0V2.8V倾斜低低温放电快高较大低价锂氟3.0V2.8V倾斜小低较好高较大价高 从表3.2可以看出锂亚电池各项性能优越，具有输出电压平稳、自放电低能量、体积比高等优点。满足TPMS对电池的要求。3.6 本章小

33、结 本章首先进行总体方案设计包括：任务分析，轮胎模块方案设计，接收报警模块方案设计。并确定了系统总体框架结构、人机界面、轮胎模块安装方式及主要元器件选择。4 TPMS系统的硬件设计4.1电源模块设计4.1.1发射电源模块的设计 市场上锂亚电池的输出电压为3.6V可以直接为轮胎模块的RF发射芯片的供电，但轮胎模块的微控制器的供电电压为5V。这就需要一电压变换电路使电池可以为微控制器供电。本系统采用的是一具有充电泵的升压式PWM型DC/DC变换器集成电路芯片TPS6011016。它的输入电压范围为2.7V5.4V，输出电压为5(14)V。外部仅需4个元器件便可构成一完整的低噪声DC/DC变换器应用

34、电路。轮胎电源模块的具体电路设计如图4.1：图4.1 轮胎电源模块电路图 4.1.2接收电源模块的设计 接收报警模块是安装在驾驶室内的，可以利用汽车电源供电。但绝大多数汽车电源电压为12V，并且电压波动范围大，干扰大。而接收报警模块需要的是5v稳定电源，必需进行电平转换及稳压。本设计中采用线性三端稳压器件来完成这一功能。线性三端稳压器件具有使用方便、调整率高、波纹抑制大优点。设计中具体选用LM7805CT型号线性三端稳压器。它的输入电压为725V，输出为5v，满足本系统需要。设计电路如下图4.2: 图4.2 电源模块原理电路图4.2 轮胎模块硬件电路设计轮胎模块是本系统的重要部分，其设计的好坏

35、直接关系到系统性能。硬件设计是轮胎模块设计的基础及关键。由于轮胎模块安装在轮胎内部，这就对其硬件的体积、重量、自我防护、功耗、可靠性以及电磁兼容性等方面都有很高的要求。轮胎模块硬件设计 电池模块 硬件设计 传感器模块 硬件设计 发射模块 硬件设计图4.3 轮胎模块硬件结构图 4.2.1压力传感器监测电路设计 本系统采用的是Freescal的针对轮胎环境设计的温度压力集成传感器MPXY8020A17，如图4.4。图4.4 压力集成传感器MPXY8020A气压信号的采集需两步完成：首先是电容信号转换为电压信号，然后电容放大器对信号进行放大。电容放大器带有温度补偿电路，并且偏移量可调，可通过EEPR

36、OM寄存器中的校准值进行校准。气压信号的监测由电压比较器完成，其把测量的电压值与D/A寄存器内的8位极限值进行比较，在OUT引脚输出比较后的结果。如果采样电压大于D/A寄存器内的极限值，则OUT引脚输出高电平，反之，输出低电平。4.2.2 发射模块电路设计 本系统的无线发射芯片采用的是MC3349318。它内部包含有发射功率放大器，晶体振荡器，压控振荡器，PFD(鉴相鉴频器)和电源电路等部分。该芯片还集成了由压控振荡器(VCO)、分频器和相位检波器等组成的锁相环(PLL)合成器。4.3 接收报警模块硬件设计 接收报警模块硬件设计同样采用模块化的设计思想，主要包括：电源模块的电路设计、接收模块电

37、路设计以及报警显示模块设计，结构图如图4.5所示。接收报警模块硬件设计电源模块硬件设计接收模块电路设计报警显示模块设计图4.5 接收报警模块硬件设计4.3.1接收电路设计 本系统接收芯片采用的是与发射芯片MC33493配套的MC33594。MC33594是一个用于数据传输的单片集成接收器，芯片包括660KHz中频带通滤波器、完全集成的VCO、可消除镜像的混频器和完整结构的SPI接口。并有内部和外部选通端，只需很少的外部元器件就可构成应用电路。 图中DSl为红色LED灯，当有轮胎出现异常时闪烁，用单片机P2.2引脚对其控制。DS3为绿色LED灯，当轮胎正常时亮，异常时灭，用单片机P2.0引脚对其

38、控制。LCD模块数据线与P0口相接，用于单片机向其传输数据。具体应用电路设计如下图4.6所示。 图 4.6 MC33594应用电路图中C8和R7的值决定选通振荡器的周期，取C8，R7值分别为68nF和470千欧保证选通振荡器周期为3.8ms。C19为FSK调制低通滤波电容，其对应数据速率的取值范围如下表4.1所示：表4.1 数据传输速率的选择符号数据速率对应电容值单位1.22.44.89.6KBd/sC19100+10%47+10%22+10%12/10+10%nF C12、C13和C10为电源的去耦电容取值大小分别为100nF、100pF和lnF。C18为晶体DC去耦电容取值为10nF。以上

39、元器件参数取值参考MC33594数据手册中的典型应用。 本系统的无线通信频率为434MHz，晶振Y2应取13.580625MHz。晶体负载电容C20应取12pF。SCLK、MOSI，MISO及RESETB引脚均接至单片机I/O引脚，以便单片机对其控制，并通过SPI接口与其通信。4.3.2 声光报警电路设计 接收报警模块用两个LED灯和一个蜂鸣器来发出声光报警信号。用一个绿色的LED灯的常亮表示轮胎正常工作，压力无异常。当轮胎温度或气压出现异常时红灯亮，蜂鸣器发出蜂鸣声音，来提醒驾驶员注意。同时LCD将显示异常轮胎的编号及其压力温度值。 整个报警系统由单片机控制两个LED灯、一个蜂鸣器及一个LC

40、D构成。LED灯用于光报警当轮胎出现异常绿色LED灯灭，红灯闪烁。蜂鸣器用于声报警，轮胎出现异常时蜂鸣器发出蜂鸣，正常时则不发出声音。LCD则用于显示异常的轮胎编号和其压力值。具体电路如下图4.7所示。图4.7 显示报警电路4.4 本章小结本章详细阐述了系统的硬件设计采用模块化的设计方法即把系统按功能分为几大模块，分别对各模块进行设计。本章包括轮胎模块和接收报警模块的硬件设计。两个模块均属于单片机系统，由单片机及外围器件组成。通过单片机对外围器件的控制实现系统功能。根据外围器件可将这两个模块再细分为几个小模块，再对各小模块进行电路设计，即采用模块化设计方法。其中轮胎模块硬件设计部分详细阐述了：

41、电源部分的电路设计、传感器模块外围电路设计、发射芯片外围电路设计及发射天线设计，最后对PCB板设计中的走线原则，抗干扰措施进行了阐述，设计出PCB板。接收报警模块的硬件设计同样采用模块化的设计方法，主要分为：电源模块电路设计、显示及声光报警电路设计、接收芯片外围电路设计。5 TPMS系统的软件设计研究5.1 轮胎模块软件设计 轮胎模块要完成的功能主要有：对各芯片的初始化，压力、温度与极限报警阀值的比较，当压力超过极限报警阀值时对压力进行精确采样、生成数据帧、发射数据帧。轮胎模块软件序流程图如图5.1所示19。开始I2？Y获取压力值生成数据帧发射数据图5.1 轮胎模块程序流程图轮胎模块首先进行初

42、始化，再进行压力阀值比较。若压力超过正常范围，则延时10ms，重新进行检测用于控制检测次数的变量i加1。重复检测3次，若3次压力值均异常。则在对压力进行精确采样，生成数据帧，发射数据帧。连续重复检测可提高报警得准确性，防止误报警。5.2 接收报警模块软件设计5.2.1主控程序 主控程序就是主函数，通过调用各子模块完成系统的工作。接收报警模块要完成的主要功能为：各芯片的初始化，配置接收器MC33594、接收数据及声光报警。5.2.2中断服务子程序的设计系统软件设计采用Keil C51语言编写，应用模块化设计，主要包括测量函数，中断子程序，控制函数。主程序流程图如图5.2所示19。开始声明变量和函

43、数P3.2=0？N状态标志位flag=0，进入测量函数控制函数N状态标志位=0？Y图5.2 主程序流程图设定T0为定时器，基本定时时间为50 ms，T1为计数器。IE=0x8a，TMOD=0x51。当P3.2口为低电平时，状态标志位flag变为0，开始测量，利用中断，每当定时满500 ms时，计数器停止计数，完成测量，状态标志位flag变为1，读取计数值，以计算频率，并通过频率求得压力。当P3.2口为高电平时，进入依据测量所得压力值而进行的对传感器监测对象的控制阶段。以下给出测量函数的程序代码和T0中断子程序20：/测量函数Void measure()Controll=0xff; /关闭控制端

44、口IE=0x8a; /启动T0,T1TMOD=0x51; /设定工作方式TH0=（65536-50000）/256;TL0=(65536-50000)%256;/基本定时时间TH1=0，TL1=0； /计算器归零TR0=1，TR1=1; /启动T0，T1/T0中断子程序Void Timer0（） interrupt1 TH0=（65536-50000）/256;TL0=（65536-50000）%256;If(+times=10) /达到500mstimes=0; /重新计数flag=1; /完成测量TR1=0，TR0=0; /关闭定时/计数器T1,T0DPL=TL1;DPH=TH1;Coun

45、t=DPTR; /计数量放入count变量freq=2*count; /求得频率Pressure=freq-1000; /求得压力5.2.3配置接收芯片 当写寄存器是即由MCU通过SPI接口输出配置值都MC3359421，硬配置MCU位主机，MC33594为从机可以通过查询SPIF位，来查看一个字节数据是否发亮若发完将下一字节数据赋给SPDR，以便发送下一字节数据。写MC33594配置寄存器的程序流程图如下图5.3所示：开始配置SPCR寄存器 置Mc33594为配置模式置字节计数器i位0NSPIF=1?YSPDR=CRiSPDR=0i+Yi3?N结束图5.3写MC33594配置寄存器的程序流程

46、图5.3声光报警软件设计 当接收报警模块接收到数据并校验成功后，要进行声光报警，提醒驾驶员注意。根据硬件可知P22控制红灯，P21控制蜂鸣器。报警时，应交替赋值“1”、“0”给P22使红灯闪烁，同时P21清零，使得蜂鸣器鸣叫。5.4 本章小结本章详细阐述了系统的软件部分设计，采用模块化的设计方法即把系统按功能对各模块分别设计。本章包括轮胎模块和接收报警模块的软件设计，即采用模块化设计方法。其中轮胎模块软件设计部分详细阐述了：轮胎模块初始化程序设计、阀值比较及轮胎工作状态判断程序设计、获取压力精确采样值程序设计，数据帧生成程序设计及发射数据程序设计。接收报警模块的硬件设计同样采用模块化的设计方法

47、，主要分为：主控程序设计、接收数据程序设计、数据显示报警程序设计。6 TPMS系统的仿真测试6.1 硬件仿真测试6.1.1微控制器模块调试 微控制器是电路板的核心器件，首先要保证其能正常工作。本节从电源管理电路、时钟电路、复位电路对微控制器模块进行调试。 (1) 首先确保LMlll7.3.3芯片和LMlll7.1.8芯片周围的四个钽电容正负极没有接反后，给中央接收处理模块提供5V电源，用万用表测量这两个芯片的输出端Vo。电压应分别为3.3V和1.8V左右。用示波器观察这两个电源输出端的纹波。纹波太大会导致系统不能正常工作，一般其峰峰值不超过100mV。本模块电源输出纹波峰峰值在80mV左右，不

48、会影响系统的正常工作。 (2) LPC2103使用外部11.0592MHz的晶振，用示波器测量晶振两端，看到示波器上显示频率为11.0592M的正弦波，表明晶振已起振。 (3) 复位电路需要通过小灯闪烁程序来调试。将小灯闪烁的程序下载到电路板上运行，小灯正常闪烁。短接复位电路上的跳线JP2，小灯不亮，断开JP2，小灯重新闪烁，表明复位电路已经起作用。根据LPC2103的手册，除reset复位引脚之外，P0.14对复位也有影响。系统P0.14复位后，管脚上立即出现的低电平被看作是一个启动ISP命令处理器的外部硬件请求。由于复位后，LPC2103的I/O管脚电平处于不确定状态，为了实现系统可靠复位

49、，需在P0.14引脚上接上拉电阻，以保证该引脚始终保持高电平，防止复位后系统进入ISP状态。6.1.2天线电路的分析及仿真天线接入端图6.1天线结构图图6.3最终的仿真结果 图6.2 天线仿真图6.1.3无线收发模块调试LPC2103通过SPI接口与无线收发器MC33696通信，该模块的调试过程为：设定LPC2103为SPI接El主器件，配置MC33696的CONFIGI寄存器为0x5A22。LPC2103通过SPI接口读取该寄存器值，并通过串口调试助手观察读取值与配置值是否一致。下载程序到电路板，运行程序，串1:3调试助手输出0x5A。6.1.4显示屏模块的调试 串口模块调试通过串口调试助手

50、来实现。初始化串口时，设定波特率为9600bps，发送数据字符的格式选择为8位字符长度、1位停止位和不使用校验，调用发送函数UARTOWrite0发送字符数据FF FE OF认1 B2 C3 D4 M06 P00 T53 VA7 Z52 X7D K00。打开PC机串口调试助手接收到的数据。6.2 软件调试 本系统采用编程软件是针对单片机系统编程的KeilC软件23，具有软件编辑功能、软件调试及仿真功能，为系统软件的编译、调试及仿真提供了工具。图6.4显示的是接收报警模块软件调试的界面。 图6.4 接收报警模块软件调试界面由实验结果可知，接收报警功能正常，满足系统设计要求。6.2.1压力测试功能

51、测试方案24:用摩托车内胎模拟汽车轮胎环境，将发射模块装入内胎后，通过专用胶水修补再次保证轮胎密封，使用可显示充气压力充气机充气。将气压按轮胎模块压力编码公式进行编码，设为X。用飞线在轮胎模块连接蜂鸣器。编程完成：当轮胎模块所测压力大于X+5蜂鸣器响一声保持1s,当轮胎模块所测压力大于X-5小于X+5，测压精度在3%以内满足系统设计要求。6.2.2报警显示功能测试原理：轮胎模块发射一组数据信息，观察接收模块是否显示正确的数据内容，即0和1的数字信息，并进行声光报警。6.3 本章小结 本章首先根据系统功能设计测试方案对系统进行功能测试，然后又利用KeilC和Prtues软件的调试及仿真工具对系统

52、软件进行调试及部分仿真。最后根据系统功能设计测试方案对系统进行压力测试功能、报警显示功能功能的简单介绍。测试结果表明系统主要功能基本达到设计要求。7 总结与展望7.1总结 论文主要对直接式压力监测系统进行设计研究，具体包括以下内容： (1) 对轮胎压力监测系统的作用、分类及发展趋势进行了阐述。分析了直接式与间接式TPMS的优缺点。 (2) 通过对爆胎因素及工况进行详细分析，得到引起爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎温过高。并且根据轮胎压力与轮胎性能的曲线关系、轮胎压力和寿命的曲线关系以及轮胎温度对轮胎性能的影响判断出轮胎压力检测系统合理的报警阀值。 (3) 设计了轮胎压力监测系统的整体方案，确定了系统总体框架结构、人机界面、轮胎模块安装方式、主要元器件选择，提高数据传输的抗干扰能力。 (4)