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1、 电脑控制系统设计性实验报告 学生:学 号：学 院:自动化工程学院 班 级:自动卓越 131 题 目:汽车轮胎压力控制系统 目 录 1.选题背景.0 2.方案论证设计理念.1 间接式汽车轮胎压力控制系统.1 直接式汽车轮胎压力控制系统.1 主动式 TPMS.2 3.过程论述.3 TPMS 工作原理.3 TPMS的总体结构.3 TPMS 硬件设计.3 传感器.4 微控制处理器与无线发射芯片 ATAR862-3.4 轮胎模块电源.5 无线射频接收芯片.5 3.3.5 无线接收处理系统电路设计.5 3.3.6 接收模块电源.5 3.3.7 显示报警单元.6 TPMS 软件设计.8 4.结果分析.9
2、5.结论.10 6.设计心得体会.11 0 1.选题背景 汽车的普及和交通网络的迅速扩张使人们的出行越来越依赖汽车。作为汽车的关键组成部分的轮胎在汽车行驶过程中起着重要作用。它是汽车行驶功能的执行器，关系在行驶过程中汽车的安全性与汽车的做工效率。汽车行驶是否安全可靠及汽车使用效率是否高与汽车的轮胎压力直接相关。轮胎压力在合理范围内，汽车可安全行驶，做成效率高。如果轮胎压力过低或过高将严重影响汽车的安全性，或发生爆胎等严重的交通事故，直接威胁到乘客的生命与财产安全。那么能否设计一套设备监测汽车轮胎压力，在轮胎压力偏离正常范围时通知驾驶员采取相应的措施，防止事故的发生呢？汽车压力监测系统就是这样的
3、一套设备，它能实时监测轮胎压力，在轮胎压力出现异常时通过某些方法告知驾驶员及时采取相关的措施。汽车轮胎压力控制系统主要解决的问题是实时监测汽车轮胎状态，并通过显示器显示给驾驶员参考，在汽车轮胎压力过低或过高时通过报警系统通知驾驶员。这要求该系统具有压力传感器实时监测轮胎压力。因传感器是放在轮胎内的，所以该系统要有无线发射装置和无线接收装置。同时配置液晶显示器显示轮胎压力，还要有报警系统以便在压力出现异常时报警。本设计是在研究了当今市场上流行的直接主动式TPMS 的工作原理而提出总体设计方案的。考虑到轮胎的工作环境，本系统组成框图如图 1-1所示。由气压测量模块，无线发射模块，无线接收模块，显示
4、模块，报警模块等部件组成。气压测量模块 信号处理模块 报警模块 信号发送模块 显示模块 信号接收模块 信号处理模块 图 1-1 系统组成框图 1 2.方案论证设计理念 监测汽车轮胎压力的方法很多。大致可分为间接式监测和直接式监测两种。间接式汽车轮胎压力控制系统 间接式汽车轮胎压力控制系统是与车辆的防抱死系统ABS一起使用的。ABS 采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。间接式 TPMS 是通过汽车 ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差异，以到达监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收 4 个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径
5、就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而报警。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过 100 公里/小时的情况进行判断。同时，由间接式 TPMS 判断轮胎缺气的原当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。这个比率可用以下等式来表达，见公式 2-1。如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，间接 TPMS 有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，
6、当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa的压降只会使直径减小 1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则Final Ruling所规定的 25%原则，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。直接式汽车轮胎压力控制系统 直接 TPMS 采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和
7、当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎RRFLRLFRRLFRRRFL 12 2 的气压。因此，直接 TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接 TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们都会检测出这种状态，当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接 TPMS 也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7 kPa的压降。直接式 TPMS 技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主要区别是主动式 TPMS 中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电
8、池。主动式 TPMS 主动式 TPMS 是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。监视器随时显示各轮胎气压，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，系统就会自动报警。系统主要由传感器，发射器、接收器和显示器组成。主动式技术的优点是:它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式 TPMS 传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可防止的带来一些弊端，如电池的寿命有限;当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少，这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问
9、题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。被动式 TPMS 被动式 TPMS，也叫无电池 TPMS。用一个中央收发器(Central Transceiver)代替了一般直接式 TPMS 中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发(Transponder)(代替了发射器)接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能
10、。因此，无电池 TPMS 短期内还难以流行。综上看来，由于直接式 TPMS 有着测量精度高，稳定性好，体积较小，功耗较低等特点，因此本文主要论述直接式 TPMS 的设计。设计使用更加灵活，系统更加安全，可靠的汽车压力监测系统。3 3.过程论述 TPMS 工作原理 在轮胎的胎骰上安装一个内置气压感应装置,它将气压和温度信号转换为电信号,通过无线发射装置将信号发射出来。传感器发射出来的气压信息由接收机接收处理后,再安装在驾驶台上的显示器中显示出来,在行驶过程中实时地进行监视。驾驶员从监视器上就可以清楚地知道每个轮胎的气压值,当轮胎的气压低于设定的气压下限时,监视器将自动报警。驾驶员可以根据显示数据
11、及时地对轮胎进行加气或放气,发现渗漏可以及时处理。TPMS 的总体结构 TPMS 系统由轮胎发射模块和中央接收模块组成。以四个轮胎的轿车为例，系统由 1 个中央模块和 4 个轮胎模块组成。4 个轮胎模块分别安装在汽车的四个轮胎中，对轮胎的压力参数进行实时的测量，并将测量的数据通过射频(RF)通信接口发送到中央模块进行处理。中央模块接收来自轮胎模块的数据，对数据进行分析处理，并进一步进行判断轮胎参数是否正常，如果发现异常，则及时进行报警。其原理框图见图 3-1。图 3-1 TPMS 系统原理框图 TPMS 硬件设计 轮胎发射模块在汽车行驶时实时检测轮胎内部气压和电池电压，并通过无线方式将信息发送
12、到主机显示模块，所以检测模块主要包含传感器、微控制器、信号发射器以及供电电池。整个模块被放置在轮胎里面，在汽车高速行驶时轮胎内部产生高温情况下要能正常运行，并且能保证有效工作 510 年，所以模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计是十分重要。发射模块包括：具有压力、加速度、电压检测的智能传感器：48 位单片机MCU ；RF 射频发射芯片；锂亚电池；天线。压 力 传感器 信 号 处 理 MCU 信 号 发 射(RF)信 号 接 收(RF)信 号 处 理 MCU 声 光 报 警 4 外壳选用高强度塑料。所有器件、材料都要满足-40+125的使用范围。传感器 传感器选用 SP12 传感器。SP1
13、2 传感器是德国 Infineon technologies AG 英飞凌公司 面向汽车轮胎压力监视系统 TPMS 应用而推出的，是直接式 TPMS 的关键元件，该器件是个 SoC 模块，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检测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量，信号补偿与调整及 SPI 串行通信接口的 CMOS 大规模集成电路。微控制处理器与无线发射芯片 ATAR862-3 由于 TPMS 发射模块工作在剧烈震动，环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，适应工作在-40 到+125温度范围。为了缩小 TPM
14、S 发射模块的体积，节省功耗和增强功能，采用处理器和无线发射天线一体芯片 ATAR862-3。其内部框图如图 3-2所示。图 3-2 ATAR862-3 内部框图 ATAR862-3 是 24 引脚封装，有 UHF ASK/FSK 发送器的微控制器，在单封装内集成了三个芯片，4 位微控制器，UHF ASK/FSK 发送器和 512 位 EEPROM，有用作应用程序的闪存控制器，发射功率要求 PA 在时能输出 7-10dbm。工作电压，频率范围 310-330MHz,数据速率高达 32K 波特，工作温度-40摄氏度到 125摄氏度，SSO24 封装，只有七个外接元件，可用在汽车接入和轮胎压力监视
15、以及工业和消费类电子产品。ATAR862-3 的 UHF RF 发送器其内部嵌入的是 T5754 UHF ASK/FSK 发送器，T5754 由 PLL，压控振荡器VCO，功率放大器(PA)等组成，外部晶振源经 XTO(串口谐振器)供应 VCO，PLL 向 MCU 提供时钟，MCU 将以编码的数据流经 PA 调制在 UHF 指定频率，交由天线发射，天线采用印制在 PCB 板上的环形天线。ATAR862-3 微 控 制 器 T5754 发射芯片 5 轮胎模块电源 轮胎模块的电源关系到轮胎模块的寿命，甚至整个系统的可行性和稳定性，轮胎模块的电源选择是整个系统的重要组成部分。轮胎模块工作环境非常恶劣
16、，不仅要耐高低温(-40 125)，而且还要能抗击振动、离心作用和高气压，因此要求非常高，所以电池也应该采用准军工级(汽车电子)的品类才能到达可靠和安全的目的。目前，工业级的电池中主要是锂亚电池(锂/亚硫酰氯，Li/SOCL2),锂锰电池(锂/二氧化锰，Li/MnO2)及锂氟化碳(锂/氟化碳，Li/CF)。无线射频接收芯片 摩托罗拉的 MC33594 器件是集成 UHF 超外差无线电接收模块。该芯片采用LQFP24 封装,工作频率在 300450MHz 频段,电压在范围内;接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口 SPI(Serial Peripheral Interf
17、ace)。通过 SPI,它允许 CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信,交换信息。SPI 接口使用四条线:串行时钟线(SCK),主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线 MOSI 和低电平有效的从机选择线 RESET。3.3.5 无线接收处理系统电路设计 接收系统由无线接收芯片 MC33594 和中央处理器 89C2051 芯片及外围电路组成的，其框图如图 3-3所示。图 3-3 无线接收系统电路原理图 3.3.6 接收模块电源 接收器模块采用的是汽车电源，由于绝大部分轿车的电源电压为 12 伏，并且电压波动范围大，干扰大，而接收器模块需要的电压为 5V，必须进行电平转
18、换。线性三端稳压器件具有使用方便、调整率高、纹波抑制大等优点。设计中采用固定电压线性稳压电源器件，进行电压转换。设计中采用 LM7805C 三端 5V正稳压器，输入电压范围为之间，输出电流可以到达 IA,满足接收器模块的容量需求，应用电路如图 3-4所示。MC33594 芯片 MCU AT89C2051 报警 显示 电路 6 其中电容Cl 用于输入电压的滤波，电容C2 用于提高输出电压的暂态相应，C1,C2的值参考器件厂家的典型应用设计。二极管 DI 起保护作用，当输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电，从而会引起三端集成稳压器的损坏，D1 在此时就起到保护稳压器的作用。3.3.7 显示报警
19、单元 在轮胎压力监测系统中，接收器模块能向驾驶员提供必要的信息：轮胎压力，轮胎温度，轮胎模块状态等；在报警时，能同时进行声光报警，迅速提醒驾驶员注意。因此系统应包括报警和信息显示两部分。报警部分分为语音报警和指示灯报警两部分，原理如图 3-5所示，指示灯报警与信息显示相关联。图 3-5 报警系统框图 根据香农定理，采样频率只有大于信号有限带宽信号的最高频率的 2 倍时，才能由采样信号唯一地决定出原始信号。人耳能听到的声音的最高频率大概在16-3000Hz之间，所以，将语音的采样频率定为 10KHz，以保证语言传送的清晰度。由语音处理技术可知，语音信号是由多种因素决定的，其中最重要的参数是“过零
20、率”。因此我们采用 1 位 A 心转换器，以 l0KHz 的频率工作，即可实现语音信号的报警。微控制器语音报警电路由 1 位 D/A 转换器外加一个滤波放大和扬声器组成，如图 3-6所示，触发器 74LS74 的 D 端与 Q 端相连，微控制器向触发器 74LS74 输送语音脉冲信号。每当 D 触发器 74LS74 的 CP 端接受到一个脉冲信号，就将是其输出端 Q 改变一次状态，从而完成 1 位 D/A 转换。信号通过放大滤波电路的输入端相接，放大滤波电路的输出驱动 8扬声器。图 3-4 接收模块电路 VI3VO1GND2LM7805CD1C10.22uFC20.1uFD2LEDR14.7k
21、VinVoutD/A 转换 滤波放大 扬声器 LED 指示灯 显示报警 7 图 3-6 声音报警电路 液晶显示模块采用的是 20*2 字符型液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度数值，同时也具有报警信息的显示功能。显示电路采用的方法通常有静态显示和动态显示两种显示方式，静态显示的缺点是硬件电路过于复杂，动态显示的缺点是占有的微控制器的时间较多，在设计中，采用与微控制器基于 SPI 接口进行通讯的集成数码显示驱动电路，有效的减少硬件电路，有利于提高可靠性和较低成本，在把显示数据串行通讯到微控制器之后，不再需要CPU 的参与，减少微控制器的使用率。在系统的设计中，用 89C2051 单片机进行显示的
22、控制，该单片机与中央处理器通过 SCI 串行口通信，这样减轻了中央处理器的负担，使控制逻辑更加简单。LED 指示灯的设计相对容易些，由 4 个 I/O 口直接控制 4 个LED 灯。电路如图 3-7所示。图 3-7 接收器显示电路 D2Q5CLK3Q6S4R174LS74R16.8kVCCGNDSIGNALR26.8kVCCR36.8kC120nFD1QNPN1R46.8kC220nFLS1SPEAKERVCCXTAL24RST1P1.012P1.113P1.214P1.315P1.416P1.517P1.618P1.719P3.2/INT06P3.3/INT17P3.4/T08P3.5/T1
23、9P3.0/RXD2P3.1/TXD3P3.711XTAL15U2AT89C2051XTAL24RST1P1.012P1.113P1.214P1.315P1.416P1.517P1.618P1.719P3.2/INT06P3.3/INT17P3.4/T08P3.5/T19P3.0/RXD2P3.1/TXD3P3.711XTAL15U3AT89C2051X11X22U03U14U25Y16Y27VP14D013W12Z111Z210ER9VN8VCCVCCGNDGNDC31nFR5D3LEDR6D4LEDR7D5LEDR8D6LEDR9VCC 8 TPMS 软件设计 系统的软件设计主要包括轮胎发
24、射模块的软件设计和接收器模块的软件设计两部分。轮胎发射模块软件设计包括压力温度数据读取程序设计和无线信号发射软件设计。接收模块的软件设计包括无线信号接收处理软件设计和显示报警的程序设计。其功能框图如图3-8所示。系统程序设计 轮胎发射模块 中央接收模块 数据读取程序设计 无线信号发射程序设计 显示报警程序设计 无线信号接收程序设计 接收数据处理程序设计 图 3-8 系统功能框图 9 4.结果分析 采用上述选用的器件用仿真软件进行电路连接，整套设备的基本功能可以实现。传感器采集压力信号，单片机将传感器信号进行处理和调制后，经无线发射电路把信号送给接收器接收，中央处理器对接收到的信号进行处理，以便
25、显示和报警。综上所述，本系统的研制实现以下五项功能：1 通过安装在轮胎内部的压力传感器，在线实时监测轮胎的压力信号。2 利用加速度传感器使系统具有唤醒功能，减少系统的功耗。3 通过装在轮胎内部的微控制器对测量的压力数据进行分析和处理，并控制无线发射模块进行数据处理的传送。4 主机接收无线信号，进行信号的转换和处理，对实际压力值进行轮流实时显示。5 通过主机系统进行判断，压力过高或过低时，轮胎模块发生故障时进行报警，提醒驾驶员注意。1 0 5.结论 汽车轮胎压力控制系统是目前汽车消费者最为关心的汽车安全技术，也得到了越来越多汽车厂商的重视，无疑有着广阔的市场。目前汽车轮胎压力监视系统己经有相关产
26、品问世。而相对于这些只监视轮胎气压的产品来说，我们所研发的新型轮胎压力无线监测系统无疑有着更高的实用价值和更强的市场竞争力。本论文主要进行了如下几个方面的研究与设 计工作：1 分析了当前轮胎检测系统的优缺点，综述了国内外轮胎压力检测系统的发展概况，提出了一种可行的系统设计方案；2 在轮胎模块上，采用微控制器对传感器进行设置，采样，并且通过无线信号进行采集数据的传送；3 采用集成化芯片以及低功耗技术，保证了轮胎模块要求体积小，重量轻，能耗小的要求，延长系统的使用寿命；4 在软件设计上，根据轮胎状态的不同，采用不同的运行模式，即保证系统数据的可靠性，也有效减少了轮胎模块的能耗。5 在无线数据传输上
27、，采用 FSK 模式的调频载波的方式，以及进行CRC 校验，提高系统数据传输上的抗干扰能力。6 通过对系统的软件编码，实现了软件的异步串行通信。7 进行硬件与软件的综合抗干扰设计，尤其是高频电路板的电路布局与布线设计，全面提高了系统的可靠性。1 1 6.设计心得体会 本次设计我花费了很长的一段时间，原因是第一次做设计性实验，设计的产品涵盖的知识面广，涉及的内容多，其中包括了很多自己不曾学过也不曾了解的知识。尽管有些知识是学过的但因为隔的时间久也忘得差不多了。通过这次设计，我系统的复习了以前学过的有关传感器的知识，protel 等仿真软件的使用，还掌握不少新的知识，包括无线发射与接收设备的使用，
28、A/D 与D/A 转换器的使用等。明显的提高了动手能力。同时我还熟练的学会了中国知网的使用。掌握了如何做好一次设计性实验，拿到一个不懂的题目如何入手。设计性实验是一个重要的教学环节，通过设计性实验使我了解到一些实际与理论之间的差异。通过设计性实验不仅可以稳固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。设计性实验给我很多专业知识以及专业技能上的提升。总之，这次设计性实验使我收获很多、学会很多、比以往更有耐心很多。感谢学校及老师给我这次设计实验的时机，最真挚的感谢老师，在设计过程中，老师精心的辅导和不厌其烦地的态度才使得我以顺利的完成这次设计，他那无私的奉献的精神照耀着我对学习的热爱，同时也增加我对知识的追求和欲望度。