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1、 存档日期： 存档编号： 本科生毕业设计（论文）论 文 题 目：基于单片机的胎压监测系统设计姓 名： 学 院： 电气工程及自动化 专 业： 电气工程及其自动化 班 级 、 学 号： 指 导 教 师： 江苏师范大学教务处印制摘要随着时代发展和科技进步汽车已成为了人们常用的且离不开的交通工具。随着汽车数量的增多交通事故发生的数量也越来越多，而其中汽车轮胎压力正常与否成为重要因素。据汽车工程师学会统计,美国每年由于轮胎欠压以及渗漏造成的有26万左右起交通事故。而在中国这原因也高达有大约70。所以,对汽车爆胎的监测和解决方法已成为安全驾驶的重要发展方向,而其中确保轮胎有着正常合适的胎压是解决的这个问题
2、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。 因为直接测量方法可靠方便，所以在本文中我选用了这种方法。另外在文中对多种传感器进行了比较最终确定方案为使用SP12传感器，SP12作为一种数字式汽车专用胎压监测传感器具有优良的性能。为了降低功耗，本文采用了低频唤醒方法。所谓的低频唤醒方法，就是在驾驶室内用MC33690芯片构成了低频信号发射电路，同时我在轮胎内部安装了LC低频信号接收电路，用于接收唤醒信号，从而唤醒单片机。最后，为了提供稳定的电源用于给系统供电，我选用了ABLE（爱博尔）公司的ER2450。 另外因为文中数据大多为通过无线传输，所以我选用NRF24L01射频芯片进行传输
3、信息。而定位问题则是利用频分方法结合跳频接收方式来确定车轮位置。该监测系统的使用范围是100-400千帕,系统精度可以达到1.4千帕。关键词: 汽车胎压 监测 SP12 NRF24L01IIAbstractWith the development of science technology and economics, car has been important vehicle that people can not been without. However, the increasement of the amount of cars leads to more and more tra
4、ffic accidents happened. In these, the pressure of tyre is key factor.According to SAE (society of automotive engineers), about 260,000 accidents is caused by the lack of pressure of tyre. And in china, about 70% accidents are caused by tyre burst. So, preventing tyre burst has been an important iss
5、ue. As far, TPMS is divided into two kindsdirectly and indirectly. In this paper, I select the first one for its convenience.In addition, compare of three kinds of sensors is made. At last, SP12 is chosen. As a kind of sensor used specially in car, SP12 has a good character. To lower the power consu
6、mption, I choose the mode of awakening by low frequency. MC33690 is used to transfer a signal with a low frequency. And this signal is received by a LC circuit. To support a steady power, ER2450 was used, which is made by ABLE company. The most of information is transferred in the mode of wireless.
7、NRF24L01 is used to transfer pressure. And which tyre can be located because the frequency of transferring in every tyre is different. The range of working is from 100KPa to 400KPa. The precision is 1.4KPa.Key words: tyre pressure monitoring SP12 NRF24L0目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1课题产生背景及其意义11.2国内外发展状况11
8、.3拟采取的研究方法及选用技术21.4本论文的内容简介32 TPMS分类及原理介绍42.1 间接式42.1.1 计算式间接42.1.2 磁敏式间接42.1.3 基于SAW方式52.2直接式53 系统的总体设计73.1系统的需求分析73.1.1 工作环境73.1.2 技术分析73.1.3 汽车轮胎爆胎原因分析73.2 系统的总体设计83.2.1总体设计83.2.2检测模块设计93.2.3主机部分设计94 元器件介绍104.1 传感器104.1.1英飞凌的SP12，SP12T,SP30104.1.2飞思卡尔的MPXY8300系列114.1.3 GE的NPX系列124.1.4三种传感器比较124.2
9、 MCU134.3 RF射频收发芯片134.3.1模块简介：134.3.2模块电气特性144.3.3 模块引脚说明144.3.4 模块与单片机接口电路154.3.5 工作模式控制164.3.6 数据和控制接口164.4 MC33690174.4.1特点174.4.2 引脚图184.5 供电电源184.6 天线184.7 液晶屏194.8 结论195 系统关键问题的解决205.1 功耗问题205.2 轮胎定位问题205.3 NRF24L01跳频接收216 硬件设计226.1 传感器部分电路设计226.2采样端RF发射部分电路设计226.3 低频信号接收电路236.4 显示电路246.5 低频信号
10、发射电路246.6主机电路257 软件设计及仿真结果267.1 总体设计267.2 运行LCD显示子程序277.3射频发射子程序287.4射频接收子程序297.7 液晶屏显示仿真结果30总结32致谢33参考文献34附录35VI江苏师范大学本科生毕业设计 基于单片机的胎压监测系统设计1绪论1.1课题产生背景及其意义随着交通运输的不断发展，汽车数量和车速也越来越高。而伴随着的则是对安全严重考验。而爆胎，疲劳驾驶，超速已经成为了三大交通事故杀手。而其中以汽车爆胎的难预测和不确定性成为了司机头疼不已的事情。据统计，在中国因为爆胎引发的事故比例达70%，在美国更是高达80%。因此怎么样防止汽车爆胎原因成
11、为了一项重要课题。据国家轮胎质量监督中心专家研究发现，汽车轮胎气压正常与否是一项重要因素。因此汽车轮胎压力监测系统（Tyre Pressure Monitoring System简称TPMS）则变成了最理想的工具。汽车轮胎压力监测系统应运而生。所以轮胎气压情况检测是必须的，而气压量是无法通过肉眼观测的，而且在高速行驶时也是不实际的，TPMS可以帮助人们随时随地不间断的监测气压量。从经济性上考虑，据统计和试验验证气压量每下降十分之一而轮胎的寿命会缩短四分之一1。不仅如此，从油耗上看，汽车轮胎气压量下降时会使得轮胎与地面摩擦力下降，而且轮胎抓地力不牢导致油耗会上升。根据实验研究气量下降十分之一时在
12、相同油量下汽车行驶会下降2%。同时在汽车保养方面，当气压量下降时汽车底盘下沉，悬挂系统也会受到损伤，时间一长造成极大的经济损失。不仅如此，这些损伤还会造成交通事故，造成人身安全危害。因为这些重要方面原因，各个国家先后将TPMS列为汽车必备系统之一。而其中美国作为先驱者始终保持着领先地位。1.2国内外发展状况 美国早在2003年就通过了TRAD法案，其规定了美国所有汽车2007年起必须安装TPMS。另外2004年美国国家公路安全管理局规定了TPMS在汽车胎压低于标准值的25%-30%时向司机报警。继美国之后，欧洲也开始着手制定其标准2。第一个TPMS的是由英国美达公司成功研制的。2004年，在美
13、国博览会上，加拿大的一家汽车轮胎设备制造厂展出了世界上第二套TPMS。2003年日本的阿尔卑斯电气公司成功研制出了无需电池的TPMS。生命是极其可贵的。随着外国标准的制定以及技术的发展，我国对于汽车使用的TPMS也开始制定标准。而今，随着国家政策的投入和批准，以及人民对生命安全的重视，这项产业也开始蓬勃发展。我国在2000年开始TPMS系统的研究和引入，并于2004年步入高潮。1.3拟采取的研究方法及选用技术大部分的TPMS系统主要部分有：位于汽车轮胎内部的远程胎压监测模块（Remote Tyre Pressure Monitoring）即是使用nrf24L01和SP12组合而成的检测模块和安
14、在驾驶台上的监视器（LCD显示器）即接收器与液晶屏显示。安装在每个轮胎内部的测量轮胎压力，将测量得到的信号经过nrf24l01调制后通过高频无线电波（RF）发射出去。通常情况下一个TPMS系统有4个RTPM模块。驾驶室内的监视器接收由nrf24l01模块传回的信息，并将数据在屏幕上显示，供驾驶者加以参考。一旦汽车轮胎发生了异常情况，驾驶室内的监视器可以根据不同的异常情况，发出报警信号。TPMS大体分为两种类型：间接式，它利用的是轮胎速度差，从而可以监测轮胎状况，但其缺点是无法对多个轮胎不正常状态做出准确判断且在高速下也无法做出判断。第二种直接式TPMS，它使用压力传感器直接测量压力得出数据，并
15、通过高频传出信号。监视器可以动态显示气压值，并可以在不正常状态下向驾驶员提出报警。经实验证明直接式要比间接式方便和精确。因此许多汽车制造厂商采用了直接式方式。现在国内各个汽车厂家也开始追随世界潮流，在自己的汽车上安装直接式检测系统，但大多为国外成品，自主能力较差发展潜力较深。本设计选用的是直接式测量方法。它以PIC16F628单片机为核心,并包括三合一集成式传感器芯片SP12和2.4 GHz全双工无线通信收发模块nRF24013。SP12在单片机控制下检测压力传输数据。并以数字量形式输出,再经过单片机MCU打包后通过nRF2401调制成高频发射出去。而同时,也可以利用24l01传输控制信号4。
16、而在接收方在接收信号后经过数据调整再通过液晶屏显示。1.4本论文的内容简介本论文的章节安排如下：第1章：主要介绍了汽车轮胎压力监测系统的研究背景和意义，分析了汽车轮胎压力对汽车运行的影响，并介绍了国内外TPMS发展状况。第2章：介绍了TPMS的分类和测量原理以及对爆胎原因进行了介绍。第3章：大体介绍了该系统的设计方案，以及该设计所需达到的要求，外界环境状态，以及对技术要求进行了分析。第4章：详细的介绍了文章所使用的各种芯片，以及选用芯片的标准。重点介绍了射频芯片和低频发射芯片和比较了压力传感器的优缺点。第5章：提出了在设计中所遇到的关键的两个问题，并提出了多种解决方案，在这些方案中选择了最为合
17、适的方案加以实际解决。第6章：将各部分电路图展示，并加以详细的说明介绍。第7章：大体说明了软件设计流程，对软件设计提供了详细的指导。另外对结果进行了仿真测试。2 TPMS分类及原理介绍2.1 间接式所谓的间接式就是非直接接触测量，气压值不是由传感器直接给出数据的方式。现在较为常用的两种方法为计算式和磁敏式。2.1.1 计算式间接间接式的大体原理就是测量轮胎转速，当轮胎不正常时，汽车轮胎转速会变得不正常。利用当前速度与ABS5速度相比较可以得知当前轮胎压力状况，当轮胎漏气或者爆胎时，车轮直径会变小从而速度会变大，经过测速传感器测量到微处理器中进行处理比较最终得知车轮的变化。方法较为简单实用，且安
18、装方便。其方法框图如图2-1所示。但同时这种方法也具有很大的局限性和缺陷。首先当速度过大时比如大于100码时得出的结果就会不准确。另外如果两个轮胎发生了异常，司机也无法判断和解决。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 计算式间接TPMS结构图2.1.2 磁敏式间接所谓的磁敏式方法是在车轮内部安装磁性组件，当轮胎发生异常时会使得磁性组件发生偏移从而改变与外界磁敏器件（如;霍尔器件）之间的磁场强度，利用磁敏器件测量这些变化从而得知轮胎内部压力状况其框图如图2-2所示。利用这种
19、方法可以无需直接接触轮胎内部就可以得知压力状况。这种方法中所用的器件都是安装在轮胎外部所以在对器件选择时就不需要太高要求。如对其耐温，耐压能力无需太高大大降低了由器件造成的成本消耗。但同时其缺点也是显而易见的：首先无法定量的测量内部压力。第二，因为轮胎气量在不同温度下不同行驶条件下对气压要求是不一样的，比如：在夏天气压会比冬天得低。第三，由于汽车轮胎使用时会发生磨损表面会变薄，安装的磁敏组件与磁性组件之间的距离会变小，需要不断地调整标准量。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 磁敏式间接TPMS结构图2.1.3 基于SAW方式所谓的SAW就是Surface
20、Acoutic Wave 的缩写6，即使表面声波它是在1885年英国物理学家瑞利发现的。该研究表明在弹性晶体表面存在一种波动，也就是我们所说的表面声波7。当外界向由晶体构成的SAW组件发射一定的频率的高频电波时，SAW会接收并发回一定频率的信号，当该组件处在不同压力和温度时返回的信号频率也不同，由此可以测量轮胎内部压力。2.2直接式所谓的直接式就是使用压力传感器直接埋入轮胎检测压力值安装位置8如图2-3所示，并将其转化成数字信号传出的方式。其中又包括机械式和电子式，这是由其传感器的类型所决定的。当谈到直接式系统时为了直观的理解我们需要了解的是发射装置的安装情况其安装位置也是需要我们仔细考虑的问
21、题。目前发射装置安装位置主要分为两类：第一种安装在轮毂上，另一种安装在气门芯上。无论安装在何位置都要考虑的是平衡问题。所以在汽车安装时都会做平衡校验。事实上安装在气门芯上是现在的主流。因为可以把发射天线用气门芯代替。 图 2-3直接式TPMS安装图3 系统的总体设计3.1系统的需求分析3.1.1 工作环境TPMS的采样端位于轮胎内部，工作在密封的环境中。故而需要无线通信实现信息交换。另外由于轮胎高速旋转，所以必须固定牢靠。另外车胎内部空间狭小对于系统体积必须有着严格控制。而且由于被深埋入轮胎内部取出极不方便，所以必须采用微功耗设计。综合起来，设计的主要要求如下：1. 体积小，系统的体积应尽可能
22、的小；2. 微功耗，采用电池供电电量有限，所以应做到功耗低延长工作时间；3. 抗干扰性能要好，因为采用无线通信采取适当方法抑制干扰提高通信可靠性；4. 发射距离要适当，应保持在4米到8米之间，过小信号无法到达接收端3.1.2 技术分析本设计的汽车胎压监测系统所采用的是直接式检测轮胎压力的方式。它采用的是锂电池供电，通过埋入轮胎的压力传感器检测压力，再通过无线调制发射到驾驶台的监视器上，监视器可以监测每个轮胎的压力，从而司机可以及时作出调整。具体要求如下：1. 可以实时监测以及显示每个轮胎的压力情况；2. 在气压过高或者欠压时能发出报警并警告驾驶员；3.1.3 汽车轮胎爆胎原因分析汽车爆胎是汽车
23、行驶时遇到的最常见的危害，而其原因也是多样的。负荷过大，胎内气压，温度，行驶速度都是很重要的因素。所以研究汽车轮胎爆胎也成为了一项系统而重要的研究课题。而目前汽车所使用的子午胎（即无内胎）爆胎原因更为复杂，但其中最多的也是最常见的是轮胎欠压。目前子午胎为了提升轮胎的强度，会在外层加上一圈钢丝。当轮胎欠压或是漏气时会使车体下沉，随之温度因轮胎摩擦加重而升高。温度的升高会使轮胎老化加快，钢丝变形，最终内部断裂。其原因如下：1. 漏气 因外界锐器扎破轮胎导致气压迅速下降，这会使汽车迅速偏向并失去控制，在交通安全中这是一种极为危险的事；2. 胎压过低 由于使用时间长轮胎内部气体量下降到一定程度，在高速
24、行驶时，摩擦急剧加重，并在突然拐弯时轮胎壁接触地面，从而导致爆胎。这种现象在发生交通事故时极为常见。所以为了交通安全，行驶前必须仔细检查汽车轮胎胎压是否气量过低。3.2 系统的总体设计3.2.1总体设计根据功能及技术要求，系统的总体设计如图3-1所示SP12PIC16F628ARF发射第一轮台模块RF接收单片机液晶屏显示及报警SP12PIC16F628ARF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 总体系统结构图3.2.2检测模块设计检测模块功能主要是收集压力信息，转换成数字信号，并通过处理单元处理数据，再通过射频无线传输出去。由传感器将信息传入微处理器中，再由微处理器对格
25、式转换，再进行编码处理变成合适调制系统的数据格式。具体设计如下：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，接收之后传入MCU进行处理，从这些数据中提取各个轮胎压力，在进行进制转换后成为十进制数据再在液晶屏上显示。再经过比较程序处理比较大小。最终由比较结果进行相应的报警提示处理。接收装置MCU显示及报警人机接口图3-3 主机部分结构图4 元器件介绍本文中所使用的元器件主要分为两部分：采样并发射部分以及主机接收部分。其中主机部分主要有MCU，射频芯片RF，显示屏LCD，由于其位于驾驶室内所以芯片性能达到商用基本即可。目前采样发射部分有
26、两种安装方式：第一种安装在气门芯上，第二种安装在轮胎内部。该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采用的是没有内胎的真空子午胎，安装固定是容易的。但汽车行驶时轮胎内部压力温度变化剧烈所以该部分元件按照军用级选用。4.1 传感器目前由于数字式的传感器体积小，功耗低，性价比高，使用方便的各方面优越性能逐渐取代了传统的无源传感器。对于汽车胎压检测传感器世界上著名的有：英飞凌公司的SP12系列，飞思卡尔MPXY8300系列，GE的NPX1和NPX2。4.1.1英飞凌的SP12，SP12T,SP30SP12是德国英飞凌公司面向TPMS研发的重要元件。它是一种压电电阻式传感
27、器适用范围可达100-400kpa，自带有一个数字串行通讯口，可以方便的应用在单片机系统中以适应多种复杂的任务要求。SP12有14脚的精简封装，应用时无需其他外部器件。其精度为1.37Kpa/lsb9。另外SP12T与SP12所使用的电池电压和温度测量规格是相同的，但是未来更适用于重型车辆的要求，SP30是将传感器与MCU封装在一起，这也是今后英飞凌公司的重点发展方向。具体介绍如下:1.推荐工作环境如表4-1所示2. 测量性能需要注意的是对于一个数字式传感器的测量精度影响最大的是其所处环境的温度,另外需要理解的是SP12不仅仅只是压力测量传感器事实上它是一个集压力，温度，加速度，电压测量于一体
28、的四合一传感器。表4-1 工作环境表使用指标最小值min最大值max单位温度范围-40+125测量进行所需电压2.13.6V测量未进行时电压1.85.5V压力输入100450Kpa注：以上压力均为绝对值,只有电压在测量电压范围内时，测量的精度才会在表明范围内。3. 综上所述SP12传感器有以下特点：检测精度方面：因为SP12采用的是精度较高的半导体电阻应变片构成的惠斯通电桥作为力电变换测量电路的，所以其测量精度非常高（0.01%-0.03%FS）；可靠性方面：SP12具有误差补偿功能，可对压力电源电压信号的检测和补偿。准确的给出不同种类的轮胎在不同压力情况下的正确补偿值，从而可以有效的保证了结
29、果的可靠性；低功耗方面：SP12可以优先唤醒瞬态操作模式，当工作在此状态时功率消耗，仅为0.6微安秒，最大所需电流为6mA,大大的降低了功耗，延长了电池的使用寿命。4.1.2飞思卡尔的MPXY8300系列MPXY8300系列是专用于检测汽车轮胎各个参数以及行驶状态的传感器，在该传感器内包含了压力，温度等参数的测量电路，另外包含了MCU和射频输出10。其管脚图如图4-2所示。MPXY8300特点如下:1. MPXY8300测量时将由传感器测出的值经过内部4通道，10位模数转换器。2. 8位MCU：S08内核带SIM，中断和调试/监视器，512RAM，8K FLASH,32字节，低功耗，参数寄存器
30、。图4-2 MPXY8300 引脚图3. 内部具有315/434 MHZ RF发射器，无需外加。4. 差分输入LF探测器/解码器4.1.3 GE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的8位RISC微处理器，以及一个低频唤醒输入级有了这些就可以方便使用者选择型号类型，从而降低成本，节省开支，节约资源。其性能和基本参数如下：1. 高集成度:压力、温度、电压三种参数传感以及MCU集于一体；2. 数字式的压力、温度以及电压量的补偿和修正；3. 电源管理：最小化功耗，极低的待机静态电流，进一步节省能耗；4. 多种唤醒方式：内部时钟
31、唤醒;低频信号唤醒；外部触发唤醒；5. 12位低噪声ADC；6. 32位内置产品寻列号；7. 芯片内置过热保护功能和传感器故障监测功能；8. 压力，温度传感器可以断线检测；9. 电池电压检测10. 内部包含看门狗； 4.1.4三种传感器比较GE公司的NPX传感器因为开发需要专门的开发工具，成本会大大提高，所以不适宜用来实验。另外因为飞思卡尔MPXY性价比不高，且市面上单独出售较少所以也不被选用。而SP12致力于开发商用型汽车比较切题，而且市面上数量较多，性价比合适，因此我采用SP12传感器。 4.2 MCU本设计中对于轮胎内部MCU的要求是低功耗，汽车级温度适用性，体积合适，对于功能上只要够用
32、即可。首先考虑的是断电模式，这直接关系到功耗的高低。另外最重要的就是时钟系统，这是降低功耗的关键。需要选择具有睡眠状态的MCU从而在不工作时降低功耗。另外，对于体积的要求我们选择18脚的单片机已经足够了。而位于驾驶室内的单片机选用的是8051单片机，因为对这种单片机非常熟悉再次不再赘述17。所以我选择了Microchip公司的PIC的单片机PIC16F627A12。下面具体介绍其性能：1. 内部自带了较高精度的4MHZ振荡器；2. 低功耗的内部48KHz振荡器；3. 看门口有独自的振荡器，确保可靠的运行；4. 低功耗性能：当电压为2.0V时，典型值仅为100nA5. 外设功能：16个具有独立方
33、向控制的I/O端口较高灌、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模块简介：nRF24L01是一种单片射频收发器件,正常工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM（工业开放频段）频段13。内置频率合成器、功率放大器等功能模块,并采用了增强型Shock Burst技术，输出功率和通信频道是可通过程序进行配置。另外nRF24L01功耗低可以适用于轮胎内部对于功耗的要求。nRF24L01主要特性如下： 1支持2.4GHz的开放ISM频率范围，最大发射功率情况下为0dBm22Mbps，传输速率高3功耗低，等待模式时电流消耗仅22u
34、A4多频点（125个），满足多点通信及跳频通信需求5在空旷场地，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 电气参数表参数数值单位供电电压5V最大发射功率0dBm最大数据传输率2Mbps电流消耗（发射模式，0dBm）11.3mA电流消耗（接收模式，2Mbps）12.3mA电流消耗（掉电模式）900nA温度范围-40+854.3.3 模块引脚说明 图4-3 NRF24L01引脚图具体引脚功能如表4-5所示：表4-5 NRF24L01引脚功能表管脚符号功能方向1GND电源地-2IRQ中断输出输出3MISOSPI输出输出4MOSISPI输入输入5SCKSPI时钟
35、输入6NC-7NC-8CSN片选信号输入9CE工作状态选择输入10+5V电源-11GND电源地-12IRQ中断输出输出13MISOSPI输出输出14MOSISPI输入输入15SCKSPI时钟输入16NC空-4.3.4 模块与单片机接口电路VCCI/0I/0I/0I/0I/0I/0GND单片机GNDMCU模块+5VCECSNCNCNSCKMOSIMISOIRQGNDNrf24L01图4-4 NRF24L01与单片机接口图注：使用AT89S52MCU模块时，请将Nrf24L01通讯模块各个端口（MOSI、SCK、CSN和CE）接上4.7K的排阻上拉到VCC从而增强其驱动能力。若使用其它驱动较强的单
36、片机与Nrf24L01通讯模块相连时请串联上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两寄存器共同控制：表4-6 工作模式选择表状态PWR_UP单元PRIM_RX单元CE管脚FIFO寄存器接收状态11高-发射状态10高数据存在FIFO寄存器中，将发射所有数据发射模式1010数据存储在FIFO寄存器中，将发射 一个数据待机状态II10高FIFO寄存器中无数据待机状态I1-低无正在传输的数据掉电状态0-4.3.6 数据和控制接口通过以下六个引脚，可实现模块的所有功能：1. IRQ（为0时有效，用于中断输出方式）2. CE（在为1时有效，用于控制发射与接收）3
37、. CSN4. SCK5. MOSI6. MISO所有的SPI指令均在当CSN由低到高开始跳变时执行；从MOSI写命令的同时，MISO实时返回24L01的状态值；SPI指令由命令字节和数据字节两部分组成。SPI读写时序见图4-6。在对寄存器进行写处理时，要先将芯片进入待机状态或掉电状态，才可以操作成功。SPI读时序SPI写时序图4-5 SPI时序图4.4 MC33690本文中为了降低采样端功耗，采用了低频唤醒模式即:在主电路部分使用MC33690芯片制作的低频信号发射电路，来控制采样端MCU的运行。当汽车停止时是采样端处于睡眠状态，当汽车启动时唤醒。下面仔细介绍MC33690芯片14。4.4.
38、1特点1. 自同步采样保持解调器2. 可接收和发射调幅和调相波形3. 具有较高灵敏度4. 低阻抗，大电流天线驱动器（典型值150mA,2）5. 较宽输入电压范围：5.5V-40V；6. 配合外加功放晶体管输出电流可达150mA；7. 输出电压为5V误差为正负5%8. 低功耗：待机状态下电流仅为150uA9. 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 供电电源供电电源我选用锂亚电池，因为它具有体积小，在正常温度下在-40-125内可以有效工作。基于这些考虑我选择了ABLE（艾博尔）公司ER2450。 其性能指标如下：1. 空载电压：3.66V2. 负
39、载电压：3.45V3. 容量：0.5Ah4. 工作温度: -40-1255. 保存时间：10年以上6. 焊脚纽扣型，外壳加厚，可以焊接在PCB上，从而使安装更牢固，防震性能更好。4.6 天线天线是影响射频输出功率的一项重要因素，影响其效果的因素有:天线形状，材料，传输介质等。另外，因为发射器位于车毂内且车轮都为金属结构电磁屏蔽严重。所以在设计时需要考虑金属屏蔽，车轮的不断旋转，阻抗匹配等因素的影响。目前大多数汽车选择用气门嘴作为天线，这种方案具有体积小，加工方便，成本低，易于标准化等优点。而低频天线处于驾驶室所以可以使用专门的125KHZ的天线18。4.7 液晶屏本次采用的是LCD1602下面
40、简略介绍下它的性能：LCD1602 主要技术参数如表4-11所示16：表4-11 主要技术参数表可显示容量：16*2个字符芯片工作合适电压：4.5-5.5 V工作合适电流：2.0mA (5.0 V)模块最佳状态下电压：5.0V字符尺寸大小：2.95*4.35 mm4.8 结论综上所述本文采用以英飞凌公司的SP12为压力传感器，从机使用PIC16F627A单片机，并采用NRF24L01为射频发射接收器，主机采用的是PIC16F877单片机为核心，并使用LCD1602显示具体数值。另外使用三种颜色的LED发光二极管显示目前状态。5 系统关键问题的解决5.1 功耗问题由于传感部分深埋在轮胎内更换极不
41、方便，因此降低功耗延长工作时间成为一个重要问题。所以在汽车停止运行或者操纵台未开启时，轮胎内采样端系统应该处于睡眠待机状态。目前实现忙时唤醒，闲时待机方案主要有：1.加速度唤醒这种方法是在检测电路中加入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，是系统启动。好处是减少了主电路部分的结构，降低了成本。但坏处是不能做到完全可控，即当汽车刚启动时无法获知胎压信息，进而无法立即作出判断和动作2.低频唤醒方式这种方式是在车胎内的采样端主机复位端配合低频信号接收装置，在主电路上安装低频信号发射装置。当操控台启动时会向接收端发射125KHZ的低频信号，随后采样端低频信号接收到信号并使其复
42、位开始工作。这种方法好处是可以实时可控在汽车未启动时得知气压而采取措施。而缺点则是需要安装更多的器件增加了成本，电路也更加复杂。本文中采用的是第二种方案。5.2 轮胎定位问题TPMS中另一个重要问题就是定位问题。在数据传回主电路后需要说明的是四个轮胎中的哪个，否则司机无法对应的采取措施。想要解决这个问题我们首先要了解NRF24L01的通道频率。所谓的RF通道频率指的就是nRF24L01使用的中心频率，该频率范围是从2.400GHz到2.525GHz，以1MHz区分一个频点，所以有125个频点可使用。中心频率是主要由参数RF_CH确定，公式为：F0 = 2400 + RF_CH（MHz）。同样的
43、当NRF24L01作为接收电路时其接收频率必须与发射频率保持一致才能接收到相应的信息。所以我们可以在将采样端埋入轮胎之前将四个轮胎的中心频率设置为四个不同的频率，而主电路在接收的时候采取巡回检测方法，这样既可以保证每个轮胎都被检测到，又能保证成功定位。5.3 NRF24L01跳频接收上面我们提到为了解决定位问题我们设置了不同频率发射和接收的调频技术。目前因为ISM 2.4GHZ频率范围内的没有使用限制，所以我们可以轻易在其中选择四个不同的频率，为了方便统一管理我们可以以频率划分不同信道范围。但需要注意的是ISM频段对于功率是有着严格的限制的。6 硬件设计6.1 传感器部分电路设计图6-1 检测
44、部分电路如图6-1所示MCU采用的是20引脚的PIC16F627A单片机，将NCS连到RA2，SDO引脚与RA3相连，而RA4是漏极开路管脚，RA5是复位引脚所以与低频信号接收电路相连。SP12的SCLK引脚与RA0相连提供时钟信号，SDI与RA1引脚相连。使用的是4MHZ的晶振配合两片15PF的瓷片电容。6.2采样端RF发射部分电路设计图6-2 RF发射电路RF发射电路如图6-2所示首先要指出的是E1天线在实际中是特殊的气门芯，专门设计用来当做发射天线。其中使能端CE与单片机的RB0相连，CSN引脚与RB1连接，SCK与RB2，MOSI与RB3相连，IRQ与RB4，MISO与RB5相连。其中ANT1和ANT2连接的是天线电路，XC1和XC2连接的是外接晶振电路。6