汽车轮胎压力控制 孙大为

1、计算机控制系统实验论文汽车轮胎压力控制系统学院：自动化工程学院班级：自动化卓越121姓名：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 第一章选题背景2 HYPERLINK l bookmark6 第二章方案论证与选择3333 HYPERLINK l bookmark8 4第三章软件设计及流程555578TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 8第四章硬件设计9994.1.2显示器件的选择11 HYPERLINK l bookmark12 12第五章电路仿真及效果141414 HYPERLINK l bookmark14 第六章心得与

2、体会15第一章选题背景交通便利的同时，事故也在逐渐曾多，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。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70是由于爆胎引起的，而

3、在美国这一比例则高达80。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(TirePressureMonitoringSystem,简称TPMS)毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统(TPMS)以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。轮胎压力对于汽车安全行驶的重要性众所周知，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性，通过性，平顺性，稳定性，安全性和舒适性等。在引起交通事故的原因中，轮胎问题排在第三位。轮胎气压不足，

4、将加大胎侧的弯曲变形，易导致胎内内壁帘线松散断裂。当气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂。又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路而间的动载荷，汽车的平顺性变坏。轮胎的回正力矩减小，促使汽车操纵性能降低。行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎使用寿命的缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，也意味着轮胎与路面之间的最小正压力增大，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。当汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，这会削弱轮胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮

5、胎的气压不同，易造成行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，易造成局部超载而加剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损。因此，轮胎压力过高和过低都会对行车安全造成不利影响。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值0.03MPa时，轮胎的正常使用寿命将会减少25%；当轮胎压力高于标准值25%时，其寿命将会降低15%20%；对于轿车，其轮胎内压每下降0.05MPa,其承载力就减少100N。随着气压的减少，轮胎的行驶里程逐渐缩短，使用寿命降低。第二章方案论证与选择间接式TMPS分为简接计算式和间接磁敏式。间接计算式TPMS是通过汽车系统的速度传感器比较轮胎之间的转速

6、差别，来监测两轮胎压力的相对变化以达到监控胎压的目的。它的优点是耐用性强、可靠性高，不需要电池，也不存在受到无线电波的干扰的问题，不需要对汽车轮胎改装，成本比较低；它的缺点是无法对两个以上轮胎同步变化的状态和速度超过100公里/小时的情况进行判断。在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化。利用4个车轮上安装的ABS车轮传感器产生的波形信号并经过VSC(VehicleStabilityControlSystem)处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，在根据轮胎气压和弹簧常数成严格正比关系，最后求出轮胎气压。而间接磁敏式TMPS是将轮胎气压传感器安装在车轮轮毂上，而霍

7、尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化(由此可见，虽然这里采用了气压传感器，气压值并非有传感器直接给出，故将其归为间接式)，从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元由单片机和外围接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送人存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎气压值及其状态，通过接口芯片和驱动器，驱动显示报警装置在面板显示轮胎气压或在压力异常时进行声光报警。直接式TMPS分为直接主动式和直接机械式。直接式TP

8、MS的工作原理本质上是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接控制并测量轮胎压力和温度，并对各轮胎气压进行实时的显示与监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向车载无线接收报警器报警，有效防止爆胎，可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求；缺点在于无线电波容易受到外界干扰，感应模块的电池存在使用寿命问题。机械式直接TPMS将系统分为轮胎模块和中央接收模块两部分。其中轮胎模块由压力传感器，控制器和发射器组成；中央接收模块由接收机，控制器和显示报警部分组成。机械式的TPMS与其它的TPMS的主要区别在于其压力传感器部分使用的是机械式

9、压力传感器。经过论证，我们选择直接式主动式TMPS,其优点很明显，通过上述方案的比较，直接式主动式TMPS具有更高的测量精确度，低功耗性能和较高灵活度，虽然集成度的提高可以缩短产品的研发周期，但却会增加研究的被动性。将MCU脱离出来，一则增加的了选择的灵活度，二则更有利于了解系统的局部构架，分离器件的系统一旦设计出来再要设计集成器件系统就不存在障碍了。虽然直接式主动式TMPS的干扰性相对方案一较弱，但总体来说设计直接式主动式TMPS要优于间接式TMPS。因此最终方案选择主动式TMPS。第三章软件设计及流程图3.1控制流程图采样端的工作很简单，传感器将轮胎压力采集并传入采样端的单片机处理，然后单

10、片机将数据通过无线发送模块发送出去。图图3.2采样端工作流程图开始J初始化*传感器采集压力参数A/D转换单片机接受数据并处理单片机将信号发送给发射模块并发送数据”结束图3.2.2采样端软件流程图图3.3.2接收端软件流程图第四章硬件设计接收端硬件设计C单片机我选择了PIC16F628APIC16F628A单片机是18引脚的8位CMOS闪存单片机，具有多用途、低成本、高性能和全静态的特点。所有PICmicro单片机均采用先进的RISC架构。PIC16F628A具有增强的内核功能、8级深度的堆栈以及多种内部和外部中断源。哈佛架构独立的指令总线和数据总线，允许同时取14位宽指令字与独令（需要两个周期

11、）以外的所有指令都能在单个周期内执行。总共有35条指令（精简指令集）可用。PIC16F628A单片机与同类的其他8位单片机相比，通常能实现2:1的代码压缩率和4倍的速度提升。其引脚如图2.4所示。1U1182RA2RA1173RA3RA0164RA4RA7/OSC1155RA5RA6/OSC2146VSSVDD137RB0RB7128RB1RB6119RB2RB510RB3RB4PIC16F628A图PIC16F628A的引脚图PIC16F628A器件集成了很多功能部件，从而减少了外部元件的使用，因此降低了系统成本，提高了系统可靠性，并降低了功耗。PIC16F628A有8种振荡器配置。单引脚的

12、RC振荡器提供了低成本的解决方案。LP振荡器可将功耗降至最低，XT是标准晶振，而INTOSC是独立的高精度双速内部振荡器。HS模式是高速晶振。EC模式则是采用外部时钟源。休眠（断电）模式可以节能。用户可以通过几种外部中断、内部中断以及复位将芯片从休眠状态唤醒。高可靠性的看门狗自带了片上RC振荡器，能够避免程序锁死。PIC单片机的特点如下：高性能RISCCPU：Title（1）工作速度可从DC到20MHzRevision（2）中断能力SizeNumberRevision（3）8级深度硬件堆栈B（5）35条单字指令5直接、间接和相对寻址模式PROGRAMFILESPROTEL99SE汉撅（5）35

13、条单字指令5(6)除了转移指令以外，所有指令均为单周期指令单片机的特殊功能：内部和外部振荡器选择：-高精度的内部4MHz振荡器，出厂时精度校准为1%-低功耗内部48kHz振荡器可使用晶振和谐振器作为外部振荡器。节能的休眠模式P0RTB上有可编程的弱上拉功能主复位/输入引脚复用看门狗定时器带有独立的振荡器，能保证可靠的运行低电压编程在线串行编程可编程代码保护欠压复位上电复位上电延时定时器和振荡器起振定时器宽工作电压范围(2.0V到5.5V)工业级和扩展级温度范围高耐用性闪存/EEPROM单元闪存可经受10万次写操作-EEPROM可经受100万次写操作数据保持期为40年低功耗功能：待机电流：-当电

14、压为2.0V时，典型值为100nA工作电流：-当频率为32kHz,电压为2.0V时，典型值为12UA-当频率为1MHz，电压为2.0V时，典型值为120UA看门狗定时器电流:-当电压为2.0V时，典型值为1UATimer1振荡器电流：卩A双速内部振荡器：-有4MHz和48kHz两种频率可供选择-从休眠状态唤醒4卩s,3.0V，典型值外设功能：16个具有独立方向控制的I/O引脚较高灌/拉电流用于直接驱动LED模拟比较器模块带有：两个模拟比较器-可编程的片上参考电压(VREF)模块。可选择的内部或外部参考电压可外部访问比较器输出TimerO：带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器Timerl：带

15、有外部晶振/时钟源功能的16位定时器/计数器Timer2：带8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器捕捉/比较、PWM模块可寻址的通用同步/异步收发器USART/SCI显示器件的选择1602LCD是应用方便适合实验性质的显示设备，虽然这种显示器件功耗较大，但是操作方便，本设计采用的是带背光的LCD。管脚如图所示：VVVsWLCD1LCDeDDDDDDDD12345678901234图1602LCD管脚图显示容量：16X2个字符工作电流:2.0mA(5.0V)X4.35(WXH)mm引脚接口说明：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整

16、端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：DOD7为8位双向数据线。4第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。发射端我选择的是飞思卡尔的FXTH87系列芯片

17、，其优点明显，高度集成化。飞思卡尔的FXTH87Xtrinsic系列胎压监测传感器（TPMS）高度集成了市场上尺寸最小7x7毫米的封装，比飞思卡尔前一代QFN9x9毫米封装尺寸还要少40%。它还可以提供最低的功耗（9mAIdd）、最大的客户存储器规格（8kB）与独一无二的双轴加速度传感器架构。飞思卡尔的TPMS解决方案集成了8位微控制器（MCU）、压力传感器、XZ-轴或Z-轴加速度传感器和射频发射器。飞思卡尔系列产品压力量程包括100-450kPa和100-900kPa之间，可以支持汽车和轻型卡车TPMS市场。这些TPMS市场主要受到法规推动，不断有新的需求出现,增长明显。飞思卡尔在不断推出T

18、PMS产品以满足这些最新的需求，帮助客户轻松满足最新法规要求。XtrinsicFXTH67TPMS系列产品结构图居潮映出单元温度贡启樓H胡字王电池坯电的寄存船旷吕或4朋Ml?IM频带射频发射26MHz振序器VCO/F1轴码器32議冲番Sub-IGH诜线电.垠射牡飞畑闪存讨钟传愿酩管理按口低功紅定驶器接世坝，中频和高飯图4.2FXTH87系列内部结构其电气参数如下：电压测量量程1.8V至3.6V电压测量分辨率（8位）10mV/LSB电压精度（2.1V电压）100mV4温度测量在Run模式量程-40C至+125C5温度分辨率（8位，无符号数）1C/LSB6温度精度（-20CWTAC7U-PuFPTMFTftlFTOFTOPTflJl.FTWFTE1RESETRFigi-cTEaTfr1一二一一二二田B器S1MC1口證尿hLLHMMh.QIKU答口C7U-PuFj=rEOL.TZTiHaTBOS-R10EvT-E!MI-Fr图5.1发射端电路图LCD1LAiHLr=.rFre152fstenri510oCFEE电豆EEBBafiEnU1Ri.na：iirir：nfjd.盯uRinataru-i.o