胎压监测系统的设计)

1、成绩评定：传感器技术课程设计题 目胎压监测系统的设计摘要轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)主要 用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测。目前各国研制的轮胎气压报警系统主要分为两种类型：一种是间接式，它通过汽车 ABS防抱制动系统)的轮速传感器及轮胎的力学模型，间接求出轮胎 气压，以达到监视轮胎气压的目地；另一种是直接式，它利用安装在 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，而监视器随时显示各种轮胎气压，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

2、，系统就会自动报警，确保行车安全。市场研究机构Strategy Analytics的预测表明，直接系统技术将成 为主流技术，2008年后所占份额将超过95%因为如果要使用间接式 胎压监测系统，前提是车辆必须有 ABS系统。加上会影响轮胎转速 的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行驶 于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高。或者是当车子高速转弯时，车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力， 外侧轮胎与侧轮胎的转动次数便有明显差异， 这些情况便会出现错误 警告信息。另外，当四条轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准 则，警告信息自然就不会出现。而且侦测功能仅在车辆

3、行驶中才能发 挥作用，对备胎或当车辆停滞时，便无法判断，还会出现误报现象。关键词：胎压监测压力传感传感器TPMS一、 设计目的1二、 设计任务与要求22.1设计任务22.2设计要求2三、设计步骤及原理分析 33.1设计方法 33.2设计步骤43.3设计原理分析 5四、课程设计小结与体会 19五、 参考文献20一、设计目的轮胎是汽车行驶系统的重要部件， 其性能的优劣直接影响 汽车行驶的可操纵性、安全性和舒适性。目前，中国正进入家庭 汽车的高速增长期，轮胎安全是汽车安全性能评价的重要指标， 轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制而成为突发性交通事故 发生的重要原因，造成巨大的经济损失和人员伤亡， 极大

4、地威胁 着汽车的行驶安全。恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全、平稳 行驶的关键因素。及时准确地对超过或低于轮胎压力标准围的异 常状态进行报警，是减少由轮胎爆胎引发的交通事故的有效途 径。随着高新技术的发展和现代汽车不断趋向高性能化，汽车用的轮胎也从长期的性能时代，开始进入功能化的新时期。当然，现代 汽车的安全配置也在不断得到完善，如安全带、安全气囊、防撞 杆等被广泛运用，不过这些都是属于交通事故发生后，才能对人、 车起到保护作用的被动安全装置。 然而本文研制的轮胎爆胎预警 系统，则不同于上述的装置，它在轮胎一出现危险征兆时就能够 及时发现并同时报警，最大限度地将事故消灭在萌芽状态，从而极大地提升

5、了车辆高速行驶的安全性， 这一优势在高速公路上表 现更为明显。二、设计任务与要求2.1设计任务汽车高速行驶中，由于轮胎的压力不正常而造成爆胎是驾驶员难 以预防的，也是突发性和恶性交通事故发生的重要原因。引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有：(1)轮胎工作温度过高；(2)轮胎气压过大； 轮胎使用时间过长；(4)轮胎负荷过大；(5)汽车行驶速度过快。为使 汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮 胎的超压、欠压、温度等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮 胎胎压计具有以下的功能：(1)实时监测轮胎的压力情况；(2)当某个 轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警指示灯亮。当汽车轮胎压力处

6、 于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生， 以达到安全驾驶的目的。2.2设计要求在汽车高速行驶过程中，轮胎中的气压和温度应保持在一定的围 之，否则，就会对汽车的安全行驶构成威胁。气压过高，会使胎帘线 受力过度而变形，轮胎弹性下降，胎冠加快磨损，如受到冲击易破裂； 气压过低，会使胎体增大变形，造成胎侧裂口，同时使轮胎接地面积 增大，加快胎肩的磨损，也会导致过度摩擦生热，使橡胶老化、帘线 折断并最终导致爆胎。而TPMS为预防胎压力和温度的急剧变化、 防止发生安全事故提供了有力武器。TPMS系统组成如图1所示。它 是由发射模块、接收模块、显示模块和接收天线组成，其中，显示模 块可

7、根据整车厂家和后装市场的不同需求决定是否提供。装有压力和温度传感器的发射模块被安装在轮胎部，当轮胎气压和温度过高、过低或快漏气时，发射模块发出的信号就通过天线被接收模块接收到， 然后由接收模块进行信号处理，再传给显示模块或汽车仪表，最后以 声光的形式警告驾驶者，从而达到主动预防事故的目的。图1 TPMS系统图三、设计步骤及原理分析3.1设计方法采用89C51主控，通过压力、温度传感器将信号送入 MCU再送 入无线发射芯片中，再由无线接收芯片将信号无线发射。在处理模块， 无线接收芯片接受到信号后，由微处理器进行处理。将处理的结果送 显示、报警部分分别进行显示、报警。原理原理框图如下：无线发射无线

8、接收3.2设计步骤传感器无线发射模块由SP12、89C2051、T5754组成了传感器无线发射模块。SP12是 集温度、气压、加速度为一体的传感器，输出数字信号，使用方便， 体积小，功耗少。显示模块用单片机芯片AT89C52的PO.O/ADO P0.7/AD7端口接数码管的 a h端，8位数码管的S1 S5通过AT89C52的P2.0- P2.4端口来 控制选通每个数码管的位选端。在数据的显示模块中，我们采用的是LED动态显示的方式。其具 体的实现过程在上述设计思想中详细说明。7段数码管选用共阴连接方式，通过端口输出编码后的段码，对应笔画为“低电平“时点亮。气压传感器的选择气压传感器对于数字气

9、压计设计的实现至关重要， 需要综合实际 的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。气压传感器的主要性能参数如下。-测量围即所能测量的大气压力围，单位为 kPa。测量精度测量结果（电流或电压）的精度。温度补偿围一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器， 因为温度补偿特性 可以克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。测量的是否是绝对气压值绝对气压值对应的即是实际的气压值， 显然要实现数字气压计需 要测量绝对气压值的气压传感器。数字气压计显示的是绝对气压值， 同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补 偿能力的气压传感器。经过综合考虑，我们选用SP12来作为传感器。 SP12具有补

10、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下的正确补偿值 ，有效地保 证了测量可靠性.3.3设计原理分析单片机电路部分主要芯片介绍89C52单片机89C52单片机的40条引脚按功能来分，可以分为 3部分，电源 及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。如下图3-1所示：严 2 (INTH)P3.3 (IHT1JP3 4 (TD)P5.3 (Tl)EA/VPPXTALOXTAL4RESETP3 0 WT幻PJ.7 (RD)2PI3 4 5c 7 F'lplFlFlpI-)O rI39383736J4333221222324252627!S2

11、040101130129P2 H P2 1P2 3P2 3P2 4P2 5P2 6 P2 7vsyvcc(EtXD； P3 0 (TXD) P3 L ALE (PRUG) PSB1J0123456-7 00.D0.。00口PPPPPPFPAT89C52单片机引脚图89C52单片机引脚功能主电源及时钟引脚此类引脚包括电源引脚 Vcc、Vss时钟引脚XTAL1、XTAL2。（1）Vcc （40脚）：接+5V电源，为单片机芯片提供电能。（2）Vss（20 脚）接地。（3）XTAL1（ 19脚）在单片机部，它是一个反向放大器的输入 端，该放大器构成了片的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。（4）XTA

12、L2（ 18脚）在单片机部，接至上述振荡器的反向输出 端。控制引脚此类弓 I脚包括 RESET即 RSR/VPD)、ALE/PROG PSEN EA/VPP,可以提供控制信号，有些具有复用功能（1）RSR/ VPD（ 9脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡 器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST。复位后应使此引脚电平保持为不高于 0.5V的低电平，以保 证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持部RAM中的 数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而 VPD在其规定的电压围（5 ±0.5V）时，VPD就向部RAM提供备用电源。（2

13、）ALE/PROG（ 30脚）：ALE为地址锁存允许信号。当单片机 访问外部存储器时，ALE （地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁 存16位地址的低8位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性 正脉冲输出，其频率为振荡器频率的 1/6。但是每当访问外部数据存 储器时，在两个机器周期中 ALE只出现一次，即丢失一个 ALE脉冲。 ALE端可以驱动8个LSTTL负载。（3）PSEN（29脚）：程序存储器允许输出控制端。此输出为单 片访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均 PSEN两次有效。但在此期间， 每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 P

14、SEN信号将不会出现。 PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。（4）EA/VPP （31脚）：EA功能为外程序存储器选择控制端。当EA端保持高电平时，单片机访问部程序存储器，但在PC （程序计数器）值超过OFFFH时将自动转向执行外部程序存储器的程序。输入/输出引脚此类引脚包括P0 口、P1 口、P2 口和P3 口(1) P0 (P0.0P0.7)是一个8位三态双向I/O 口，在不访积压 处部存储器时，做通用I/O 口使用，用于传送CPU的输入/输出数据, 当访问外部存储器时，此口为地址总路线低8位及数据总路线分时复 用口，可带8个LSTTL负载。(2) P1( P1.0P2.7)是一个8位

15、准双向I/O 口(作为输入时， 口锁存器置1)，带有部上拉电阻，可带4个LSTTL负载。(3) P2( P2.0P2.7)是一个8位准双向I/O 口，与地址总路线 高8位复用，可驱动4个LSTTL负载。(4) P3 口功能表，如下表1.1所示:P3 口各个位的第二功能P3 口的位第二功能说明P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发射口P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写信号P3.7RD外部RAM读信号表1.1 P3 口功能表AT89C2051mL1 io Tectwp 良 0 C

16、 ti. r1 cin, &mL2C+ 8 1?mu c5 fj IS Pl. 4IlTTC/I'l Jr6 m 151P1. 31KT1/P3.3Ct e 14Oil. 2T0/P3.4C? < 13:Pl. 1/AIIIlTl/8.5C312m. O/AIHOme10 11ns. tAT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片含2k bytes的可反复擦写 的只读Flash程序存储器和128 bytes的 随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片 置通用8位中央处理器和Flas

17、h存储单 元，功能强大AT89C2051单片机可为您 提供许多高性价比的应用场合。AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输 入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完 整的8位双向I/O 口，两个外中断口，两 个16位可编程定时计数器，两个全双向串 行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件 设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式 中，片RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。主要功能特性：兼容MCS51

18、指令系统2k可反复擦写（1000次）Flash ROM15个双向I/O 口6个中断源两个16位可编程定时/计数器2.7-6.V的宽工作电压围时钟频率0-24MHZ128x8bit 部 RAM.两个外部中断源两个串行中断可直接驱动LED两级加密位低功耗睡眠功能置一个模拟比较放大器可编程UARL通道软件设置睡眠和唤醒功能气压传感器SP12SP12是一种硅压阻式压力传感器，它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，其测量精度可达0.01 一0.03%FS由于传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号 供电电压等等的情况下会出现漂移，而SP12设有补偿功能，可以对压力、加速

19、度、温度、供电电压等信号进行检和补偿，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。SP12有14个引脚，其中NCS为片选端，低电平有效，当把 NCS 拉低后，就选中了芯片，它就可以工作了 ；SDI、SDO和SCLK三个引 脚，组成了 SPI 口，通过此口可以向传感器传送指令，测量后数据也 是通过这个口输出的；SP12还可以提供两路输出，分别是WAKEUP和 RESET,它们可以为单片机提供中断或者唤醒信号， 每一路输出都可以在一定 时间间隔之后送出一个脉冲，都是低电平有效，WAKEUP引脚标准的 输出周期为6ms, RESET引脚标准的输出周期为51分钟。SP12传

20、感器测量压力所需要的时间是6ms，分辨率是1.37KPa/1sb，测量出来的数据与实际压力的换算公式为P=Rx1.37+100其中R表示通过读数指令读出的寄存器的值，乘上系数1.37再加上100就是实际的压力值，单位是 KPa,当R值为0的时候，P等于100， 此时证明轮胎压力为一个标准大气压。SP12测量温度所需时间是1.sms，测量分辨率是1 C/lsb，但是所 测得温度与实际温度有一定的偏差，对温度误差进行补偿的公式为仲 ： T=-0.92+0.004*Tsp12+0.0002*Tsp12;其中Tsp12是SP12所测量到的温度， T是补偿系数。wakfupIliEJRFSFT 巨IjI

21、 VIH)rrsTEKDvss巨SP12TT|切】咗TIQleLKDLCi llliGNDfK工】500g叵6 1 WC5Sp12引脚图传感模块电路图no £DOSCLK4K UWCP4Til'wkvwpJlMt tri Mend设计电路时，TEST VSS NC、DIGIN引脚都需要接地，电源引脚VDD接到电源VCC上面，然后在VDD和地之间接一电容C7,这 样电容可以起到滤波的作用，把电源中不稳定的毛刺消除掉射频发射部分T5754T5754是ATMEL公司推出的采用PLL锁相环）结构的单片甚高频 UHF ASE/FSK发射器，是专门满足低成本数据通讯的要求而开发的。 其数

22、据传输速率可达32kBaud,发射频率围是429MHz 439MHz。 当工作电流9mA时输出功率仅为7.5dBm，电源电压为2.0v 一 4.0v， 采用TSSOP8L封装，体积小。单端天线输出，可以通过CLK引脚给微控制器提供时钟。在 ANT1和ANT2上面具有ESD保护功能。CLKPA ENAliLfcANT2T5754ANTI I AT| enable3 KTAlT5754引脚图引脚1: CLK时钟信号输出，为微控制器提供时钟信号，输出频率为 fXTAL/4;弓I脚2: PAENABLE功率放大器开关，用于 ASK调制；引脚3、4:ANT1和ANT2分别为天线输出极的集电极（0C）和发

23、射 机；引脚5： XTAL，外接晶振；引脚6： VS,电源电压；引脚7： GND，接地；引脚8： ENABLE使能控制输入。T5754部结构框图T5754部结构框如图4.6所示，芯片包含射频功率放大器（PA），晶 体振荡器（XTO）、压控振荡器（VCO）、相频检波器（PFD）分频器、充 电泵（CP）等电路，锁相环（PLL）合成器由压控振荡器、分频器、相频检波器、充电泵和回路滤波器组成压控振荡器被锁定在32*fXTAL,频率为433.92MHz的发射器需要 一个13.56MHz的晶体振荡器。锁相环和压控振荡器所有外围器件都 是集成的。XTO是一个串联谐振的振荡器，外部元件只需要一个电容 和一个晶

24、振串联到地即可。在锁相环被锁定和时钟输出稳定之前，晶体振荡器和锁相环需要 小于3ms的稳定时间。而在CLK提供给微控制器时钟信号并且射频 功率放大器被接通前，必须有一段不小于Ims的等待时间。射频功率放大器是集电极开路的输出，传送的是电流脉冲，而这 个电流几乎完全取决于负载阻抗。因此发射输出功率是由负载阻抗来 控制的。这种输出匹配方式使得发射器方便的匹配到任何天线或者 500的负载。当用 3v供电时，在 433.92MHz的最佳负载阻抗是 Z=(l6+j223)o，此时可以得到最佳的效率。当ENABLA端和PA_ENABLE端都为低电平时，电路处于待机状 态，此时电流消耗很小(350nA)，因

25、此一个锂电池可以提供好几年的 电源。射频接受部分T5743T5743是一个多片锁相环接受芯片，SO20封装，是专门为满足低 成本RF数据传输系统的要求而开发出来的。传输曼彻斯特或者双相 位编码，速率可达IKBaud lOKBaud。它被广泛应用在遥测、安全 技术、无键输入系统等领域，支持 ASK和FSK两种模式，接受频率 从 300MHz 一 45oMHz。T5743特点：(1) 支持300kHz和6O0kHz接收带宽；(2) IC状态指示、睡眠、工作三种模式；(3) 可编程的数字噪声抑制功能；(4) 低速率数据传输时灵敏度高；(5) 使用单端天线输入。i1ic Aunvr: 口 23SENS

26、C5678DATAFOLLING/_QN DGND DATA_CLK MODfiDVIX；XTOLFGNDLFLFVCCT5743接收器T5743的引脚图如下图所示：CDFM 匚 AVCC 匚 TEST QAGND 匚LNAJN 9 NC£Z )0MFXVCC LNAGND 匚引脚1: SENS,灵敏度控制电阻；引脚2: ICACTIVE IC状态指示，低电平为睡眠模式，高电平为激活模引脚14: XTAL,接晶振;弓I脚17: DATA_CLK数据串的位时钟引脚19:方式选择；引脚20: DATA，数据输出或设置输入。射频接收部分电路图如下：训T57O1C.AAVCC rtrrACl

27、tD IflXVCCLtiJuJlfHCicacnww POIXIMC DGWD DATA.CMODEDVCC XTQ LFCHD LF LFVCCHP4 7isf回14n iFTYLTT復“DATACLK上位机电源汽车中电源一般为12v的直流电，而胎压监测系统上位机 VDD需 要5v的电源，因此就要实现一个12v到5v的电压转换，采用稳压管 7805就可以实现，稳压电路如图4.17所示，其中J3是一个接头，把 12v电源直接与之相连即可。IN5718可以防止电源正负极接反，它只 有在接确的时候才可以导通。电容 CP、CP3、CP4和CPS,可以滤 出电源转换过程中出现的毛刺，使输出尽可能的稳

28、定。电压转换电路 如下图：硬件电路图:下位机t2VPP11senSCLHsonNG®GM2'II-IIII-I下位机RESfTrerr/ENOFXTR11XTA12卩协 卩叮PL2 Fl JPt*RSTTP1£P116PURSflNTBraiNfiF3S/T1paaxoP3.Tps.tmcDbg iC2,J 知-=TECT=-Cl HH.1iFn7YYVX 1H 匚 C 4ft.EinmF.-oTEOa -EMABlJt! 8叭EMGNDT训T2VSK片irnXTAL5T5J51下位机原理图IOCRYSTAL:.ce .u HF-*TBCT* -心lUfeF-: * C 7 .1*f. <n&：T>上位机上位机b i r i f n i *i hf * i n i i r n i i r n r riAArnc-0为討3G6；'pJiMJl峠L g W Mt vl恤”XTMH*n PI2»Jl3 viwnmFlJ#j4FiaiaH0MIF|1W丽MEMJ 出艸 V23M1 42JkHnan?ZWWm.i-oemPJ