基于单片机的胎压监测设计论文

1、本科毕业项目（论文）基于单片机的胎压监测系统设计基于单片机的胎压监测系统设计 摘要随着时代的发展和科技的进步，汽车已经成为人们普遍使用且密不可分的交通工具。随着汽车保有量的增加，交通事故的数量也在增加，汽车的胎压是否正常成为了一个重要因素。据美国汽车工程师协会统计，美国每年约有26万起因轮胎欠压和漏气造成的交通事故。在中国，原因高达70 %左右。因此，汽车爆胎的监测和解决已成为安全驾驶的重要发展方向，而确保轮胎具有正常、合适的胎压是解决这一问题的重中之重。目前，成熟的汽车压力检测系统有直接式和间接式两种。因为直接测量方法可靠方便，所以我在本文中选择了这种方法。此外，本文对多种传感器进行了比较，

2、最终的解决方案是使用SP12传感器。 SP12作为汽车用数字胎压监测传感器具有卓越的性能。为了降低功耗，本文采用低频唤醒方式。所谓低频唤醒方式，就是利用MC33690芯片在驾驶室内形成低频信号传输电路。同时我在轮胎部安装了LC低频信号接收电路，接收唤醒信号，唤醒单片机。最后，为了给系统供电提供稳定的电源，我选择了ABLE（爱博尔）的ER2450。另外，由于文中大部分数据都是无线传输的，所以我选择NRF24L01射频芯片来传输信息。定位问题是利用分频法结合跳频接收法来确定车轮位置。监测系统工作范围为100-400 kPa ，系统精度可达1.4 kPa。关键词： 汽车胎压监测 SP12 NRF24

3、L01目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc389979106 摘要 PAGEREF _Toc389979106 h 我 HYPERLINK l _Toc389979107 摘要 PAGEREF _Toc389979107 h 二 HYPERLINK l _Toc389979109 1简介 PAGEREF _Toc389979109 h 1 HYPERLINK l _Toc389979110 1.1选题背景及其意义 PAGEREF _Toc389979110 h 1 HYPERLINK l _Toc389979111 1.2国外发展现状 PAGEREF _Toc

4、389979111 h 1 HYPERLINK l _Toc389979112 1.3提出的研究方法和选定的技术 PAGEREF _Toc389979112 h 2 HYPERLINK l _Toc389979113 1.4本文介绍 PAGEREF _Toc389979113 h 3 HYPERLINK l _Toc389979114 2 TPMS分类及原理介绍 PAGEREF _Toc389979114 h 4 HYPERLINK l _Toc389979115 2.1间接 PAGEREF _Toc389979115 h 4 HYPERLINK l _Toc389979116 2.1.1间接

5、计算公式 PAGEREF _Toc389979116 h 4 HYPERLINK l _Toc389979117 2.1.2磁敏间接 PAGEREF _Toc389979117 h 4 HYPERLINK l _Toc389979118 2.1.3基于SAW方法 PAGEREF _Toc389979118 h 5 HYPERLINK l _Toc389979119 2.2直接 PAGEREF _Toc389979119 h 5 HYPERLINK l _Toc389979120 3系统总体设计 PAGEREF _Toc389979120 h 7 HYPERLINK l _Toc38997912

6、1 3.1系统需求分析 PAGEREF _Toc389979121 h 7 HYPERLINK l _Toc389979122 3.1.1工作环境 PAGEREF _Toc389979122 h 7 HYPERLINK l _Toc389979123 3.1.2技术分析 PAGEREF _Toc389979123 h 7 HYPERLINK l _Toc389979124 3.1.3汽车爆胎原因分析 PAGEREF _Toc389979124 h 7 HYPERLINK l _Toc389979125 3.2系统总体设计 PAGEREF _Toc389979125 h 8 HYPERLINK

7、l _Toc389979126 3.2.1整体设计 PAGEREF _Toc389979126 h 8 HYPERLINK l _Toc389979127 3.2.2检测模块设计 PAGEREF _Toc389979127 h 9 HYPERLINK l _Toc389979128 3.2.3主机部分设计 PAGEREF _Toc389979128 h 9 HYPERLINK l _Toc389979129 4组件介绍 PAGEREF _Toc389979129 h 10 HYPERLINK l _Toc389979130 4.1传感器 PAGEREF _Toc389979130 h 10 H

8、YPERLINK l _Toc389979131 4.1.1英飞凌SP12 、 SP12T、SP30 PAGEREF _Toc389979131 h 10 HYPERLINK l _Toc389979132 4.1.2飞思卡尔的MPXY8300系列 PAGEREF _Toc389979132 h 11 HYPERLINK l _Toc389979133 4.1.3 GE NPX系列 PAGEREF _Toc389979133 h 12 HYPERLINK l _Toc389979134 4.1.4三种传感器的比较 PAGEREF _Toc389979134 h 12 HYPERLINK l _

9、Toc389979135 4.2 单片机 PAGEREF _Toc389979135 h 13 HYPERLINK l _Toc389979136 4.3 RF射频收发芯片 PAGEREF _Toc389979136 h 13 HYPERLINK l _Toc389979137 4.3.1模块介绍： PAGEREF _Toc389979137 h 13 HYPERLINK l _Toc389979138 4.3.2模块电气特性 PAGEREF _Toc389979138 h 14 HYPERLINK l _Toc389979139 4.3.3模块管脚说明 PAGEREF _Toc3899791

10、39 h 14 HYPERLINK l _Toc389979140 4.3.4模块与单片机接口电路 PAGEREF _Toc389979140 h 15 HYPERLINK l _Toc389979141 4.3.5工作模式控制 PAGEREF _Toc389979141 h 16 HYPERLINK l _Toc389979142 4.3.6数据和控制接口 PAGEREF _Toc389979142 h 16 HYPERLINK l _Toc389979143 4.4 MC33690 PAGEREF _Toc389979143 h 17 HYPERLINK l _Toc389979144 4

11、.4.1特点 PAGEREF _Toc389979144 h 17 HYPERLINK l _Toc389979145 4.4.2引脚图 图 PAGEREF _Toc389979145 h 18 HYPERLINK l _Toc389979146 4.5电源 PAGEREF _Toc389979146 h 18 HYPERLINK l _Toc389979147 4.6天线 PAGEREF _Toc389979147 h 18 HYPERLINK l _Toc389979148 4.7液晶屏 PAGEREF _Toc389979148 h 19 HYPERLINK l _Toc38997914

12、9 4.8结论 PAGEREF _Toc389979149 h 19 HYPERLINK l _Toc389979150 5关键系统问题的解决方案 PAGEREF _Toc389979150 h 20 HYPERLINK l _Toc389979151 5.1功耗问题 PAGEREF _Toc389979151 h 20 HYPERLINK l _Toc389979152 5.2轮胎定位问题 PAGEREF _Toc389979152 h 20 HYPERLINK l _Toc389979153 5.3 NRF24L01跳频接收 PAGEREF _Toc389979153 h 21 HYPER

13、LINK l _Toc389979154 6硬件设计 PAGEREF _Toc389979154 h 22 HYPERLINK l _Toc389979155 6.1传感器电路设计 Part PAGEREF _Toc389979155 h 22 HYPERLINK l _Toc389979156 6.2采样端射频发射部分电路设计 PAGEREF _Toc389979156 h 22 HYPERLINK l _Toc389979157 6.3低频信号接收电路 PAGEREF _Toc389979157 h 23 HYPERLINK l _Toc389979158 6.4显示电路 PAGEREF

14、_Toc389979158 h 24 HYPERLINK l _Toc389979159 6.5低频信号发射电路 PAGEREF _Toc389979159 h 24 HYPERLINK l _Toc389979160 6.6主机电路 PAGEREF _Toc389979160 h 25 HYPERLINK l _Toc389979161 7软件设计和仿真结果 PAGEREF _Toc389979161 h 26 HYPERLINK l _Toc389979162 7.1整体设计 PAGEREF _Toc389979162 h 26 HYPERLINK l _Toc389979163 7.2运

15、行LCD显示子程序 PAGEREF _Toc389979163 h 27 HYPERLINK l _Toc389979164 7.3射频发射子程序 PAGEREF _Toc389979164 h 28 HYPERLINK l _Toc389979165 7.4射频接收子程序 PAGEREF _Toc389979165 h 29 HYPERLINK l _Toc389979166 7.7 LCD显示仿真结果 PAGEREF _Toc389979166 h 30 HYPERLINK l _Toc389979167 总结 PAGEREF _Toc389979167 h 32 HYPERLINK l

16、_Toc389979168 至 PAGEREF _Toc389979168 h 33 HYPERLINK l _Toc389979169 参考文献 PAGEREF _Toc389979169 h 34 HYPERLINK l _Toc389979170 附录 PAGEREF _Toc389979170 h 351 简介1.1 课题背景及其意义随着交通的不断发展，汽车的数量和速度也在不断发展。并且伴随着严格的安全测试。爆胎、疲劳驾驶、超速成为交通事故的三大杀手。其中，汽车爆胎的不可预测性和不确定性已经成为司机们头疼的问题。据统计，中国因爆胎造成的事故比例高达70%，美国更是高达80%。因此，如何

17、预防爆胎的原因就成为一个重要的问题。据国家轮胎质量监督中心专家研究发现，轮胎气压是否正常是一个重要因素。因此，汽车胎压监测系统（Tyre Pressure Monitoring System，简称TPMS）就成为最理想的工具。汽车胎压监测系统应运而生。因此，轮胎气压的检测是必要的，而气压是肉眼无法观察到的，在高速行驶时不实用。 TPMS可以帮助人们随时随地持续监测气压。从经济角度看，根据统计和实验，气压每下降十分之一，轮胎的寿命就会缩短四分之一1 。不仅如此，从油耗来看，当汽车胎压降低时，轮胎与地面的摩擦力会降低，轮胎抓地力不强，会导致油耗增加。根据实验研究，当油量下降十分之一时，同等油量下汽

18、车行驶会下降2%。同时，在汽车保养方面，当气压下降时，汽车底盘下沉，悬挂系统也会受损，日积月累造成巨大的经济损失。不仅如此，这些伤害还会引发交通事故，造成人身安全隐患。由于这些重要原因，各国相继将TPMS列为汽车必备系统之一。其中，美国一直保持着先行者的领先地位。1.2 国外发展现状美国早在 2003 年就通过了 TRAD 法案，规定从 2007 年起，美国所有车辆必须安装 TPMS。此外，2004 年，美国国家公路安全管理局规定，当轮胎压力超过汽车低于标准值的25%-30%。继美国之后，欧洲也开始制定其标准2 。第一台TPMS由英国Mita公司研制成功。 2004年美国博览会上，加拿大汽车轮

19、胎设备制造商展出了世界第二套TPMS。 2003年，日本阿尔卑斯电气公司成功开发出无电池TPMS。生命是极其宝贵的。随着国外标准的制定和技术的发展，我国也开始制定汽车用TPMS的标准。现在，随着国家政策的投入和批准，以及人们对生命安全的重视，这个行业也开始蓬勃发展。我国于2000年开始TPMS系统的研究和引进，2004年达到高潮。1.3 提出的研究方法和选定的技术大多数TPMS系统的组成部分是：位于汽车轮胎部的远程胎压监测模块（Remote Tire Pressure Monitoring） ，它是由nrf24L01和SP12组成的检测模块和安装在驾驶室的监视器（LCD显示屏）。即接收机和液晶

20、屏显示。安装在每个轮胎部件上的测量轮胎压力由nrf24l01调制，然后通过高频无线电波（RF）传输。通常一个TPMS系统有4个RTPM模块。驾驶室内的监视器接收nrf24l01模块返回的信息，并将数据显示在屏幕上，供驾驶员参考。一旦汽车轮胎出现异常，驾驶室内的监控器可以根据不同的异常情况发出报警信号。TPMS大致分为两种：间接式，利用轮胎的速度差来监测轮胎状况，但其缺点是不能对多个轮胎的异常状态做出准确判断，在高速行驶时无法做出判断. .第二种直接式TPMS，它使用压力传感器直接测量压力获取数据，并通过高频传输信号。监测仪可动态显示气压值，并在异常状态下提醒驾驶员。实验证明，直接法比间接法更方

21、便、更准确。因此，许多汽车制造商采用了直接的方法。目前，国内各汽车厂商也开始顺应世界潮流，在自己的汽车上安装直接检测系统，但多为国外产品，自主性较差，发展潜力巨大。本设计选用直接测量法。它以PIC16F6 28单片机为核心，包括三合一集成传感器芯片SP12和2.4GHz全双工无线通信收发模块nRF2401 3 。 SP12 在微控制器的控制下检测压力传输数据。并以数字量的形式输出，再由单片机封装，经nRF2401调制成高频后传输。同时， 24l01也可用于传输控制信号4 。接收器接收到信号后，将数据调整后显示在液晶屏上。1.4 本文介绍本论文的章节安排如下：第一章：主要介绍汽车胎压监测系统的研

22、究背景和意义，分析汽车胎压对汽车运行的影响，介绍国外TPMS的发展情况。第二章：介绍了TPMS的分类和测量原理以及爆胎的原因。第三章：系统的设计方案总体介绍，分析了设计要达到的要求、外部环境的状态、技术要求。第四章：详细介绍文章中使用的各种芯片以及选择芯片的标准。主要介绍了射频芯片和低频发射芯片，比较了压力传感器的优缺点。第五章：提出了设计中遇到的两个关键问题，并提出了多种解决方案，其中选择最合适的解决方案进行实际解决。第6章：展示各部分的电路图，并进行详细介绍。第 7 章：摘要地描述软件设计过程，并为软件设计提供详细的指导。此外，还对结果进行了模拟测试。2 TPMS分类及原理介绍2.1 间接

23、所谓间接式就是非直接接触式测量，气压值不是传感器直接给出数据的方式。最常用的两种方法是计算方法和磁方法。2.1.1 间接计算公式间接法的一般原理是测量轮胎速度。当轮胎出现异常时，汽车的轮胎速度就会变得异常。通过将当前速度与 ABS 5 速度进行比较，可以知道当前轮胎压力。当轮胎漏气或爆胎时，车轮的直径会变小，速度会变大，由速度传感器测量并在微处理器中处理。对比一下，终于知道轮子的变化了。该方法比较简单实用，安装方便。方法框图如图 2-1 所示。但同时，这种方法也有很大的局限性和缺陷。首先，当速度过大时，比如超过100码，结果就会不准确。另外，如果两个轮胎出现异常，驾驶员也无法判断和解决。ABS

24、ABSVSC-CPU波形处理轮胎在VSC控制范围内1、排除共振外的杂波2、推算轮胎弹簧常数的变化3、对气压低的判断和处理液晶屏显示LED灯报警速度传感器图2-1 计算间接TPMS结构图2.1.2 磁敏间接所谓磁敏法，就是在轮子上安装一个磁性元件。当轮胎出现异常时，磁性元件会发生偏移，与外部磁敏装置（如霍尔装置）一起改变磁场强度。测量这些变化以了解轮胎压力状况的框图如图 2-2 所示。使用这种方法，无需直接接触轮胎部分就可以知道压力状况。该方法使用的装置均安装在轮胎外，无需对装置的选择提出过多要求。比如它的耐温、耐压不需要太高，大大降低了设备带来的成本消耗。但同时它的缺点也很明显：首先，不可能对

25、零件的压力进行定量测量。其次，由于轮胎在不同温度、不同行驶条件下的气压是不同的，比如夏天的气压会比冬天的气压低。第三，由于汽车轮胎的磨损面会变薄，安装的磁敏元件与磁性元件的距离会变小，标准量需要不断调整。显示报警装置霍尔装置显示报警装置霍尔装置信号处理A/D转换驱动器电子控制单元磁敏组件图2-2 磁敏间接TPMS结构图2.1.3基于SAW方法所谓SAW是Surface A coutic Wave的缩写6 ，尽管它是由英国物理学家瑞利在1885年发现的。这项研究表明，在弹性晶体表面存在一种波，这就是我们所说的。称为表面声波7 。当外界向由晶体组成的SAW组件发射一定频率的高频无线电波时，SAW将

26、接收并致回一定频率的信号。当组件处于不同的压力和温度下时，返回的信号频率也不同。胎压。2.2 直接所谓直接法，就是利用直接嵌入轮胎的压力传感器检测如图2-3所示的压力值安装位置8 ，并将其转换成数字信号进行传输。其中包括机械式和电子式，这是由传感器的类型决定的。说到直通系统，为了直观的理解，我们需要了解的是发射器的安装情况，发射器的安装位置也是需要仔细考虑的问题。目前，发射器的安装位置主要分为两类：一类安装在轮毂上，一类安装在阀芯上。无论安装在哪里，都是平衡的问题。因此，在安装汽车时会进行余额检查。事实上，安装在阀芯上是现在的主流。因为发射天线可以换成阀芯。图2-3 直接TPMS安装示意图3

27、系统总体设计3.1 系统需求分析3.1.1工作环境TPMS的采样端位于轮胎部分，工作在密封环境中。因此，需要无线通信来实现信息交换。此外，由于轮胎的高速旋转，必须牢牢固定。此外，轮胎截面的狭小空间必须严格控制系统的体积。而且，由于嵌入轮胎部分取出极为不便，因此需要采用微功耗设计。综合来看，主要设计要求如下：体积小，系统体积尽量小；微功耗，电池供电有限，所以功耗要低，工作时间要延长；抗干扰性能更好，因为使用无线通信采取适当的方法来抑制干扰，提高通信可靠性；传输距离要适当，保持在4米到8米之间。太小的信号无法到达接收端。3.1.2技术分析本文设计的汽车胎压监测系统采用直接检测胎压的方法。它由锂电池

28、供电。压力由嵌入轮胎的压力传感器检测，然后通过无线调制传输到驾驶座上的监视器。监视器可以监测每个轮胎的压力，以便驾驶员及时做出调整。具体要求如下：实时监控显示每个轮胎的压力；可在气压过高或过低时发出警报并警告驾驶员；3.1.3汽车爆胎原因分析汽车爆胎是驾驶汽车时最常遇到的危险，其原因也是多种多样的。超载、胎压、温度和行驶速度都是重要因素。因此，汽车轮胎爆胎的研究也成为系统的重要研究课题。目前汽车上使用的子午线轮胎（即无轮胎）爆胎的原因比较复杂，但最常见也是最常见的一种是轮胎欠压。目前，子午线轮胎在外层增加一圈钢丝，以增加轮胎的强度。当轮胎充气不足或漏气时，车身会下沉，由于轮胎摩擦增加，温度会升

29、高。温度的升高会加速轮胎的老化，使钢丝变形，最终导致零件断裂。原因如下：漏气是由于轮胎急剧下降引起的轮胎急剧下降，这会导致汽车快速偏离并失去控制。这在交通安全中是一件非常危险的事情；轮胎气压过低。由于轮胎的长期使用，轮胎内的含气量在一定程度上有所减少。高速行驶时，摩擦力急剧增加，突然转弯时胎壁与地面接触，导致爆胎。这种现象在交通事故中极为常见。因此，为了行车安全，开车前一定要仔细检查汽车的胎压是否过低。3.2 系统总体设计3.2.1整体设计根据功能和技术要求，系统总体设计如图3-1所示SP12SP12PIC16F628ARF发射第一轮台模块RF接收单片机液晶屏显示与报警SP12PIC16F62

30、8ARF发射第四轮台模块LF低频发射LF唤醒电路LF唤醒电路图 3-1 整体系统结构图3.2.2检测模块设计检测模块的主要功能是采集压力信息，将其转换为数字信号，通过处理单元对数据进行处理，然后通过射频进行无线传输。传感器将信息传输到微处理器中，然后由微处理器进行格式转换，然后编码成适合调制系统的数据格式。具体设计如下：压力传感器MCU压力传感器MCU射频发射电路图3-2 检测模块结构图3.2.3主机部分设计主机部分包括射频信号接收装置。接收后传给单片机处理，从数据中提取出各个胎压，转换成十进制后转换成十进制数据，显示在液晶屏上。然后通过比较程序来比较大小。最后根据比较结果进行相应的报警提示处

31、理。接收装置接收装置MCU显示与报警人机接口图3-3 主机部分结构图4 组件介绍本文使用的组件主要分为两部分：采样发射部分和与主机的接收部分。主机部分主要包括MCU、射频芯片RF、液晶显示屏。因为位于驾驶室内，所以芯片的性能可以达到基本的商用水平。目前采样排放部分的安装方式有两种：第一种安装在气门芯上，第二种安装在轮胎部分。这部分主要包括数字压力传感器、MCU、锂电池和天线等。现在大多数汽车轮胎使用无内胎子午线轮胎，不带轮胎，易于安装和固定。但是，汽车在行驶时，轮胎的压力和温度会发生剧烈的变化，所以这部分部件是根据军用等级来选择的。4.1 传感器目前，数字传感器由于体积小、功耗低、性价比高、使

32、用方便等优点，逐渐取代了传统的无源传感器。汽车胎压检测传感器，世界著名的有：英飞凌的SP12系列，飞思卡尔的MPXY8300系列，GE的NPX1和NPX2。4.1.1英飞凌的 SP12、SP12T、SP30SP12是英飞凌在德国为TPMS开发的重要组件。它是一种压阻式传感器，量程高达 100-400kpa。具有数字串行通讯口，可方便地应用在单片机系统中，满足各种复杂的任务要求。 SP12 采用 14 脚薄型封装，应用时无需其他外接器件。其精度为1.37Kpa/lsb 9 。此外，SP12T和SP12使用的电池电压和温度测量规格相同，但更适合未来重型车的要求。 SP30是将传感器和MCU封装在一

33、起，这也是英飞凌未来的重点发展方向。详细情况如下：1、推荐的工作环境见表4-12. 衡量绩效需要注意的是，对数字传感器测量精度最重要的影响是其环境温度。此外，应该理解SP12不仅仅是一个压力测量传感器。实际上，它是压力、温度、加速度和电压测量的集合。多合一四合一传感器。表 4-1 工作环境表使用指标分钟分钟最大单元温度范围-40+125C测量所需电压2.13.6五未进行测量时的电压1.85.5五压力输入100450千帕注：以上压力为绝对值。只有当电压在测量电压范围内时，才会显示测量精度。3、综上所述，SP12传感器具有以下特点：检测精度方面：由于SP12采用高精度半导体电阻应变片组成的惠斯登电

34、桥作为电转量测量电路，其测量精度非常高（0.01%-0.03%FS）；可靠性：SP12具有误差补偿功能，可对压力电源的电压信号进行检测和补偿。准确给出不同型号轮胎在不同压力条件下的正确补偿值，有效保证结果的可靠性；低功耗：SP12可以先唤醒瞬态工作模式。在这种状态下工作时，功耗仅为0.6微安秒，最大所需电流为6mA，大大降低了功耗，延长了电池寿命。 .4.1.2飞思卡尔的 MPXY8300 系列MPXY8300系列是专门用于检测汽车轮胎各种参数及行驶状态的传感器。该传感器包括压力和温度等参数的测量电路，以及 MCU 和射频输出 10 。其引脚图如图 4-2 所示。MPXY8300 特性如下：M

35、PXY8300 测量时，传感器测量的值通过一个 4 通道、10 位模数转换器。8位MCU：S08内核，带SIM，中断和调试/监控，512RAM，8K FLASH，32字节，低功耗，参数寄存器。图 4-2 MPXY8300 管脚图该装置有一个 315/434 MHZ 射频发射器，不需要额外的。差分输入低频检测器/解码器4.1.3GE的NPX系列GE一直致力于传感器的开发和研究 11 ，其中NPX1集成了硅压力传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC微处理器，结合低频唤醒输入级。方便用户选择机型，从而降低成本、节省开支、节省资源。其性能和基本参数如下：高集成度：压力、温度、电压三参数感应

36、与MCU集成；数字压力、温度和电压的补偿和校正；电源管理：最小化功耗，极低的待机静态电流，进一步节能；多种唤醒方式：外部时钟唤醒；低频信号唤醒；外部触发唤醒；12位低噪声ADC ；32位产品搜索号；芯片具有过热保护功能和传感器故障监测功能；压力和温度传感器可断开检测；电池电压检测部分包含看门狗；4.1.4三种传感器的比较GE的NPX传感器不适合做实验，因为开发需要特殊的开发工具，成本会大大增加。另外，由于飞思卡尔MPXY性价比不高，市面上单独出售的很少，所以没有选择。 SP12与商用车的发展比较相关，市面上的数量也很多，所以我用的是SP12传感器。4.2 单片机在本次设计中，轮胎部门的MCU要

37、具备低功耗、车规级温度适用性、合适的体积，只要功能够用就行。首先要考虑的是掉电模式，它直接关系到功耗的高低。另一个最重要的是时钟系统，这是降低功耗的关键。需要选择具有休眠状态的MCU，以降低不工作时的功耗。另外，对于体积的要求，我们选择18针单片机就足够了。位于驾驶室的单片机是8051单片机，因为我对这个单片机很熟悉，不再赘述 17 。所以我选择了 Microchip 的 PIC 单片机 PIC16F627A 12 。其性能详述如下：部件自带高精度4MHZ振荡器；48KHz低功耗振荡器；门上有独立的振荡器，确保运行可靠；低功耗性能：2.0V 时典型值仅为 100nA外围功能：16个I/O口，独

38、立方向控制更高的灌电流和拉电流可以直接驱动 LED捕捉、比较、PWM 模块、16 位捕捉/比较、10 位 PWM4.3 RF射频收发芯片4.3.1模块介绍：nRF24L01 是一款单片射频收发器件，通常工作在 2.4 GHz 到 2.5 GHz ISM （工业开放频段）频段 13 。配备频率合成器、功放等功能模块，采用增强型Shock Burst技术。可以通过程序配置输出功率和通信通道。此外， nRF24L01的低功耗特性可以满足轮胎部门对功耗的要求。 nRF24L01的主要特点如下：1. 支持开放的ISM频率范围2.4GHz，最大发射功率0dBm2. 2Mbps，高传输速率3. 低功耗，待机

39、电流消耗仅为22uA4、多频点（125个），满足多点通信和跳频通信的需要5.空旷空间，有效距离：25m（外置天线），10m（PCB天线）4.3.2模块电气特性表 4-4 电气参数范围数值单元电源电压5五最大发射功率0分贝最大数据传输率2Mbps电流消耗（发射模式，0dBm）11.3嘛电流消耗（接收模式，2Mbps）12.3嘛电流消耗（掉电模式）900nA温度范围-40+85C4.3.3模块引脚说明图 4-3 N RF24L01 管脚示意图具体引脚功能如表4-5所示：表 4-5 N RF24L01 引脚功能表别针象征功能方向1接地电源地-2中断请求中断输出输出3味噌SPI输出输出4莫西SPI输入

40、进入5SCKSPI时钟进入6数控-7数控-8南航片选信号进入9行政长官工作状态选择进入10+5V电源-11接地电源地-12中断请求中断输出输出13味噌SPI输出输出14莫西SPI输入进入15SCKSPI时钟进入16数控无效的-4.3.4模块与单片机接口电路VCCVCCI/0I/0I/0I/0I/0I/0GND单片机GNDMCU模块+5VCECSNCNCNSCKMOSIMISOIRQGNDNrf24L01图 4-4 N RF24L01 与 MCU 接口图注意：使用 AT89S52MCU 模块时，请将Nrf 24L01 通信模块的每个端口（MOSI、SCK、CSN 和 CE）连接到 4.7K 排阻

41、电阻上拉至 VCC，以增强其驱动能力。使用其他强驱动单片机连接Nrf 24L01通讯模块时，请串联一个2K电阻。4.3.5工作模式控制工作模式主要由 CE 和 PWR_UP 和 PRIM_RX 寄存器控制：表 4-6 工作模式选择表状态PWR_UP 单元PRIM_RX 单元CE 引脚先进先出寄存器接收状态11高的-启动状态10高的数据存储在FIFO寄存器中，所有数据都将被致发射模式1010数据存储在 FIFO 寄存器中，并将致数据待机状态10高的FIFO寄存器中没有数据待机状态1-低的没有数据正在传输断电状态04.3.6数据和控制接口模块的所有功能都可以通过以下六个引脚来实现：1、IRQ（为0

42、时有效，用于中断输出方式）2. CE（为1时有效，用于控制致和接收）3. 南航4. SCK5.莫西6.味噌所有的 SPI 指令在 CSN 开始由低跳到高时执行；在从 MOSI 写入命令时，MISO 实时返回 24L01 的状态值； SPI指令由命令字节和数据字节组成。 SPI 读写时序如图 4-6 所示。写寄存器时，芯片必须先进入待机状态或掉电状态，才能操作成功。SPI读取时序SPI写时序图 4-5 SPI 时序图4.4 MC33690本文为了降低采样端的功耗，采用低频唤醒方式，即主电路部分采用MC33690芯片制作的低频信号传输电路控制采样端MCU的操作。当汽车停止时，采样终端处于休眠状态，

43、汽车启动时被唤醒。下面详细介绍MC33690芯片 14 。4.4.1特征自同步采样保持解调器可以接收和致 AM 和 PM 波形具有高灵敏度低阻抗、大电流天线驱动器（150mA，2 典型值）宽输入电压范围：5.5V-40V；外接功放三极管，输出电流可达150mA；输出电压5V，误差正负5%低功耗：待机电流仅为150uA遵循ISO9141发射和接收标准4.4.2引脚图图 4-6 MC33690 引脚图4.5 电源我选择锂子电池供电，因为它体积小，在常温下可以在-40-125有效工作。基于这些考虑，我选择了ABLE（爱博尔）公司的ER2450。其性能指标如下：空载电压：3.66V负载电压：3.45V

44、容量：0.5Ah工作温度：-40-125储存时间：10年以上焊脚按键式，加厚外壳，可焊接在PCB上，安装更牢固，防震性能更好。4.6 天线天线是影响射频输出功率的重要因素，影响其效果的因素包括：天线形状、材料、传输介质等。另外，由于发射器位于轮毂内，轮子均为金属结构，电磁屏蔽严重。因此在设计中需要考虑金属屏蔽、车轮的连续转动、阻抗匹配等因素的影响。目前，大多数汽车选择使用阀门作为天线。该方案具有体积小、加工方便、成本低、易于标准化等优点。低频天线位于驾驶室内，因此可以使用专用的 125KHZ 天线 18 。4.7 液晶屏这次使用的是LCD1602。下面简单介绍一下它的性能：LCD1602的主要

45、技术参数见表4-11 16 ：表 4-11 主要技术参数可显示容量：16*2 个字符芯片工作的合适电压：4.5-5.5V适合工作的电流：2.0mA (5.0V)模块最佳状态下的电压：5.0V字符大小：2.95*4.35mm4.8 结论综上所述，本文使用英飞凌的SP12作为压力传感器，从机使用PIC16F627A单片机，使用NRF24L01作为射频发射和接收器，主机使用PIC16F877单片机作为核心，使用LCD1602显示具体数值。此外，三色LED发光二极管用于显示当前状态。5 关键系统问题的解决方案5.1 功耗由于传感部分深埋在轮胎中，更换轮胎极为不便，因此降低功耗和延长工作时间成为重要课题

46、。因此，当汽车停止运行或控制台未打开时，轮胎采样端系统应处于休眠待机状态。目前实现忙时唤醒，空闲时待机的解决方案主要有：1.加速唤醒这种方法是在检测电路中增加一个可以检测加速度的传感器。当汽车启动到一定加速度时，出现唤醒信号，即系统启动。其优点是减少了主电路部分的结构，降低了成本。但缺点是不能完全可控，即汽车刚启动时，无法获取胎压信息，无法立即做出判断和行动。2.低频唤醒方式该方法是在轮胎采样端配合主机复位端的低频信号接收装置，在主电路上安装低频信号发射装置。控制台启动时会向接收端致一个125KHZ的低频信号，然后采样端的低频信号接收到信号并复位开始工作。这种方法的优点是可以实时控制在汽车未启

47、动的情况下，在已知气压的情况下采取措施。缺点是需要安装更多的元件，增加了成本，电路也比较复杂。本文采用第二种方案。5.2 轮胎定位问题TPMS的另一个重要问题是定位问题。数据传回主电路后，需要说明四个轮胎中的哪一个，否则驾驶员无法采取相应措施。要解决这个问题，首先要了解NRF24L01的通道频率。所谓射频通道频率是指nRF24L01使用的中心频率。频率范围从2.400GHz到2.525GHz，一个频点以1MHz区分，所以有125个频点可用。中心频率主要由参数RF_CH决定，公式为：F 0 = 2400 + RF_CH (MHz)。同样，当NRF24L01用作接收电路时，其接收频率必须与发射频率

48、一致，才能接收到相应的信息。所以我们可以把四个轮胎的中心频率设置成四个不同的频率再把采样端埋在轮胎里，主电路在接收时采用巡检的方式，既可以保证每个轮胎都被检测到，也可以保证检测成功定位。5.3 NRF24L01 跳频接收我们上面提到，为了解决定位问题，我们设置了FM技术，用于不同频率的发射和接收。目前，由于ISM 2.4GHZ频率范围没有使用限制，我们可以轻松选择其中四种不同的频率。为了便于统一管理，我们可以按照频率划分不同的频道范围。但需要注意的是，ISM频段对功率有严格的限制。6 硬件设计6.1 传感器部分电路设计图 6-1 检测电路如图 6-1 所示，单片机采用 20 脚 PIC16F6

49、27A 单片机，NCS 接 RA2，SDO 脚接 RA3，RA4 为开漏脚，RA5 为复位脚，因此可以接收低电平频率信号。电路连接。 SP12 的 SCLK 引脚与 RA0 相连以提供时钟信号，SDI 与 RA1 引脚相连。一个 4MHZ 晶振与两个 15PF 陶瓷电容一起使用。6.2 采样端射频发射部分电路设计图 6-2 射频发射电路RF 发射器电路如图 6-2 所示。首先要指出的是，E1天线实际上是一个特殊的阀芯，专门设计用作发射天线。使能端CE与单片机的RB0相连，CSN管脚与RB1相连，SCK与RB2相连，MOSI与RB3相连，IRQ与RB4相连，MISO与RB5相连。其中，ANT1、

50、ANT2接天线电路，XC1、XC2接外接晶振电路。6.3 低频信号接收电路图 6-3 LC 低频信号接收电路低频信号接收电路如图6-3所示。为了节省空间和成本，本文使用了一个简单的 LC 并联电路。在本文中，低频信号仅用作开关信号，因此不需要太精确，因此这种方法非常适合。在图中的LC并联电路中，当接收到125KHZ的信号时会发生谐振，使MCLR端口由低电平上升到高电平，从而唤醒电路。它的频率算法是f 0 =6.4 显示电路图 6-4 LCD 显示电路显示电路如图 6-4 所示。本文采用LCD1602液晶显示器，其中DB0、DB1、 .接P0.0、P0.1 .。 Vee管脚接10K电位器，RS接

51、P2。 7、R/W接P2.6，使能脚E接P2.5。 V ee 接对比度调节电位器，可调节液晶屏亮度与文字的对比度。6.5 低频信号发射电路图 6-5 MC33690 低频信号发射电路图 6-5 中，MC33690 是飞思卡尔专门用来传输低频信号的芯片。 TD1 和 TD2 引脚连接到一个特殊的 125KHZ 天线，并与电容器和电阻器组合在一起 15 。 AM 与单片机 RC1 相连，RC1 为中断触发引脚。当 MODE2 引脚为低电平时，芯片会进入休眠状态，芯片振荡器和辅助电路在此状态下不工作，从而进一步降低功耗。当 MC33690 连接到 MCU 时，如果没有 MOSFET，可以不连接。6.

52、6 主机电路图 6-6 MCU 主机电路7 软件设计与仿真结果7.1 整体设计开始开始初始化初始化对数据进行比较大小接收压力信号发出低频信号对数据进行比较大小接收压力信号发出低频信号屏幕显示与报警屏幕显示与报警否停止否停止是是结束结束图 7-1 总体设计流程图在本文的主程序中，对应图7-1中的子程序有5个子程序。当设备再次开机时，设备初始化，然后致低频唤醒信号，开始采样结束，回送数据。主机接收到数据后，对数据进行处理，进行显示和报警操作。7.2 运行 LCD 显示子程序到00H是否取表TAB3开始LCD初始化设置为第一行显示取表调用写入子程序取表指针加1取TAB2调用写入子程序返回将40H中高

53、位BCD码作为偏移量将41H中低位BCD码作为偏移量调用写入子程序图 7-2 数据显示程序到00H是否取表TAB3开始LCD初始化设置为第一行显示取表调用写入子程序取表指针加1取TAB2调用写入子程序返回将40H中高位BCD码作为偏移量将41H中低位BCD码作为偏移量调用写入子程序LCD 显示子程序的操作流程图如图 7-3 所示。因为本文使用的是LCD1602液晶屏，所以会显示两行数据。设计程序时要注意两行的切换。另请注意，每行只能显示 16 个字符。7.3 射频发射子程序开始开始拉低CE进入待机模式配置00H进入待机模式配置各个寄存器拉低CSN写入所有数据拉高CSN拉高CE启动发射等待1ms

54、拉低CE清除发射缓冲区数据返回图 7-3 射频传输流程如图 7-4 所示为射频传输子程序设计流程图。使用RF芯片时，严格参照时序图，因为这个芯片使用的是SPI线的规则。先拉低CE，最后在数据处理后再次拉低CE，最后清空缓冲区。7.4 射频接收子程序开始开始拉低CE进入待机模式写入00H配置为接收模式配置各个寄存器拉高CE启动接收拉低CE有错误跳到下个频率返回删除内容是否是否四个结束图 7-4 射频接收子程序7.7 LCD显示仿真结果本文使用的仿真是先使用WAVE仿真器对程序进行检测和编译，然后形成HEX文件。然后使用PROTUES仿真软件将之前生成的HEX文件添加到单片机中进行电路仿真。以下是

55、最终结果。如图 7-7 所示，系统启动时初始显示“WELCOME”，表示系统正常启动。然后就可以进入使用阶段了。图7-5 初始化结果图如图 7-8 所示，正常使用时显示。此时屏幕会显示当前轮胎状态，“norm”正常，“high”太高，“low”太低。图 7-6 行驶时效果图如图 7-9 所示，按下按钮后会显示各个胎压状态。 “LF”表示左前轮，“RF”表示右前轮，“RB”表示右后轮，“LB”表示左后轮。图 7-7 胎压显示总结这个毕业设计我自己实现了汽车胎压监测系统的基本方法，其功能基本达到了设计预期，在我们的日常生活中也非常常用。以前，我总觉得学这些东西没必要，也没什么感觉。但是当我真正做这

56、篇论文的时候，我发现我需要的东西很多，比如WORD软件的基本操作，也就是word和pages的基本操作。另外，这个毕业设计还测试了我的PROTEL软件与WAVE和PROTUES软件的操作。另外，为了更好、更准确地绘制流程图，我学会了使用Visio软件，不仅如此，我还学会了使用数学编辑器。通过这种设计，实现了大部分功能，采样端可以正常获取压力值并将其转换为数字信号。同时采样端可以接受来自主机的低频唤醒信号，从而实现低功耗、节能的要求。当采样端 MCU 收到主机发来的 125Khz 低频信号时，会复位并开始采样。当采样端MCU将数据打包并通过射频信号传输时，驾驶室主机也通过天线接收信号并通过射频芯

57、片将其转换为数字信号。然后通过BCD码转换数据进行比较，最后通过LCD显示轮胎状态，与各个胎压值进行比较。通过反复比较研究，确定了本文的特点：采用MC33690低频信号发射芯片，使采样端主机低频唤醒，最终降低功耗，延长工作寿命。采用跳频巡检定位技术，主机可以用不同的频率接收来自四个轮胎发射器的信号，定位不同轮胎的压力值。至这次毕业设计之所以能够顺利完成，主要是因为我们的导师和老师。在这里我想感受一下这个毕业设计给了我们这个机会，无论是理论上还是实践上都可以锻炼。这对我来说非常重要。我取得了很大的进步。其次，我要感谢我们的导师传虎先生。在老师的细心指导下，我完成了整个设计。无论从选题还是设计过程，老师都给了我很多指导。从纯理论知识到实际操作，我有了很大的提高。不仅了解了很多东西，还培养了独立工作的能力，树立了自己对未来工作和生活的信心，虽然这个项目不是很好。完美，但是我在设计过程中学到的，是这次毕业设计最大的收获和财富，让我受益终生。完成这个设计充满了喜悦，但同时也让自己看到了自己的不足，所以这个设计很有意义。通过它，我对以后的学习树立了信心和目标，也明白了只有不断努力，才会有收获。参考1 勇.直接胎压监测系统的设计与研究D.论文，20092 陆敏汽车。车辆胎压监测系统的研究与设计D论文，20103单。基于SP12的汽车轮胎状态监测系统设计J.电子元器件的应用。 20