单片机的数字胎压计的设计
目 录
1 引言 1
1.1 技术发展背景 1
1.2 技术概述及选用方式 2
1.3 TPMS技术分析 2
2 系统总体设计方案 4
2.1 系统需求分析 4
2.2 器件的选择 5
2.3 系统硬件设计 7
2.4 系统软件设计 8
3 硬件系统详细设计 8
3.1 采样发射模块 10
3.2 主机接收模块 10
3.3 元器件说明 10
4 软件系统详细设计 17
4.1 射频发射子程序 17
4.2 射频接收子程序 18
4.3 LCD液晶显示模块 19
4.4 按键扫描模块 19
4.5 蜂鸣器报警模块 20
5 调试 21
5.1 焊接注意 21
5.2 结果分析 22
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 27
附录A 实物图 27
附录B PCB图 28
附录C 主要代码 30
1 引言
随着交通运输行业的不断进步，中国家庭拥有汽车已是普遍现象。与此同时，这也带来了很多安全问题，诸如疲劳驾驶、超速行驶、车胎爆裂等，而由这些问题造成的交通事故一直居高不下。其中，最让驾驶员无能为力的就是轮胎发生胎爆的不可预知性。据调查统计出，在我国由胎爆而引起的突发性交通事故比例[1]已经占到了70%，在美国所占比例更高。正是因为它的不可预测及其不可控制性，给我们带来了巨大的经济损失，人们的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
驾驶安全更是受到了极大的威胁。所以轮胎压力的监测是确保安全、稳定驾驶的重要条件。但是由于我们无法通过肉眼来观测气压值，在高速行驶时下更是不切实际。因此汽车轮胎压力监测系统则变成了最理想的工具。TPMS（Tyre Pressure Monitoring System简称TPMS）可以帮助人们准确及时的对胎压进行检测，并在胎压异常情况下进行报警。它是减少由胎爆引起的交通事故的重要途径[2]。部分专家研究指出，胎压是衡量车辆状况的重要指标之一。因此，汽车胎压监测系统能够保持汽车胎压的正常，避免爆胎等安全问题的发生[3]。
1.1 技术发展背景
早在2003年，美国TRAD议案就已经颁布法案，自2007年起TPMS就必须被安装在每一辆汽车上。除此之外，美国公路安全管理部门于2004年出台一项关于胎压的规定，如果TPMS系统检测到的胎压与标准胎压值之差低于1/4-3/10时，系统必须能够实现向汽车驾驶员警报的功能。之后，欧洲等国家也相继出台有关TPMS系统的相关标准[4]。
英国的美达公司是世界上第一个成功研制出TPMS系统的公司。
美国举办的2004年博览会中，加拿大的某轮胎制造企业展示了他们研发的第二套TPMS系统。
2003年日本阿尔卑斯电器公司经过探索研究，推出无电池的TPMS系统。
在国际社会的快速发展下，我国也开展相关领域的探索，并逐渐形成一套我国的TPMS系统标准。近年来，在国家支持和政策的引导下，TPMS系统研究、发展快速。2000年前后，我国开始从国外引进TPMS系统，2004年时期逐渐进入高潮阶段。而现阶段，其系统的性能已经基本达到了与国际同业媲美的水准。
1.2 技术概述及选用方式
目前TPMS大体划分为两种形式：其一是间接式，利用汽车ABS(防抱制动系统)的转动速度差，经过一定的运算得出汽车的轮胎气压，进而实现对胎压的监测和报警。这种方式比较简单，但是无法准确对轮胎不同状况的判断，并且当转速很高的时候并不能获得胎压值。第二种情况就是通过直接采集方式设计TPMS，它将以锂离子电池安放在每一个气胎里作为电源，凭借压力传感器直接测量压力得出数值，并通过无线通信方法传送数值[5]。监视器部分可以实时获得汽车轮胎的胎压数据，在胎压非标准情况下发出报警，从而确保行车安全。经过不断验证，直接式要比间接式更加方便并且精确[6]。所以本文选用的是直接式的测量方法。国内外汽车制造厂商根据这一性能特点，都改采用直接式的方式，汽车设计和生产过程中，就加入直接TPMS相关电路模块。当前，我国汽车市场所使用的TPMS系统主要是从国外引进的，所以在TPMS系统方面我国需要不断提升研发能力，以应对我国潜在的发展市场。
1.3 TPMS技术分析
TPMS轮胎压力监视系统，监测汽车轮胎气压，确保汽车行驶时安全。
1.3.1 间接式
间接式TPMS系统所得到的气压值并非直接来源于传感器。目前间接式TPMS系统主要有计算式和磁敏式，它们在日常生活中应用比较广泛。
1.3.1.1 计算式间接TPMS系统
计算式间接TPMS系统主要原理是借助转速，轮胎气压处于不正常的情况时，轮子的转速会受到影响。将轮子实际采集到的转速和标准转速进行对比，继而得出轮胎压力的状态情况[7] *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
。所以，如果轮胎发生漏气（或者爆胎），这时车轮的半径就会减小，继而轮子转速就会变大。测速传感器测得转速后，单片机接收到采集的数据，并进行一定的数据分析，从而获得轮胎情况。这种方式系统结构简单、设计方便，并且容易安装，但是存在很多问题。第一，当车速过大时（如超过100码），所测量的数据结果准确性低；当汽车有多个轮胎出现问题时，无法准确判断。
1.3.1.2 磁敏式间接TPMS系统
磁敏式间接方式必须在轮胎中加入一定的磁性组件。当轮胎气压不正常时，内部安装的磁性元件的位置就会发生偏移，从而改变与外部磁性器件间的磁场强度（例如，霍尔装置）。 这种方式主要依靠磁敏元件感知气压变化，系统框图见图1.1。
图1.1磁敏式间接TPMS结构图
它是一种不用直接接触轮胎内部，便可以采集轮胎气压的测量方法。系统所有部分均分布在轮胎外部，相对元器件的要求也无需过高（譬如：对其耐温、耐压性能不过高的话，可以显著降低系统成本），因此系统设计简单、安装方便。这种系统也有一些难以避免的缺点：一是，系统不能实现轮胎气压的定量测定；二是，轮胎的气压情况随着季节、气温、路况等不同而存在差异；三是，当车辆行驶造成轮子磨损时，磁性组件部分之间的感应距离就会减小，这样测量结果就存在较大偏差，需要进行一定的调整才能正确采集。
1.3.1.3 SAW式间接TPMS系统
这种方式是后来推出的一种方式，全称为Surface Acoutic Wave[8]，称作表面声波方式。表面声波早期由英国伟大科学家瑞利于1885年研究发现[9]。
它的基本工作原理是发射一定频率的信号给SAW组件，当该组件接收到信号后，会返回一定的信号。而返回的信号受到环境压力、温度等因素的影响，基于这一原理实现对胎压的测量。
1.3.2 直接式
直接式TPMS系统中，通过压力传感器直接对轮胎压力进行测量。传感器收集到轮胎气压数据后，经过A/D变换为数字信号[10]，并通过一定方式传输给控制器。它可以分为两种基本类型：电子式TPMS、机械式TPMS，二者主要区别在于所采用的压力传感器类型。
1 引言 1
1.1 技术发展背景 1
1.2 技术概述及选用方式 2
1.3 TPMS技术分析 2
2 系统总体设计方案 4
2.1 系统需求分析 4
2.2 器件的选择 5
2.3 系统硬件设计 7
2.4 系统软件设计 8
3 硬件系统详细设计 8
3.1 采样发射模块 10
3.2 主机接收模块 10
3.3 元器件说明 10
4 软件系统详细设计 17
4.1 射频发射子程序 17
4.2 射频接收子程序 18
4.3 LCD液晶显示模块 19
4.4 按键扫描模块 19
4.5 蜂鸣器报警模块 20
5 调试 21
5.1 焊接注意 21
5.2 结果分析 22
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录 27
附录A 实物图 27
附录B PCB图 28
附录C 主要代码 30
1 引言
随着交通运输行业的不断进步，中国家庭拥有汽车已是普遍现象。与此同时，这也带来了很多安全问题，诸如疲劳驾驶、超速行驶、车胎爆裂等，而由这些问题造成的交通事故一直居高不下。其中，最让驾驶员无能为力的就是轮胎发生胎爆的不可预知性。据调查统计出，在我国由胎爆而引起的突发性交通事故比例[1]已经占到了70%，在美国所占比例更高。正是因为它的不可预测及其不可控制性，给我们带来了巨大的经济损失，人们的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
驾驶安全更是受到了极大的威胁。所以轮胎压力的监测是确保安全、稳定驾驶的重要条件。但是由于我们无法通过肉眼来观测气压值，在高速行驶时下更是不切实际。因此汽车轮胎压力监测系统则变成了最理想的工具。TPMS（Tyre Pressure Monitoring System简称TPMS）可以帮助人们准确及时的对胎压进行检测，并在胎压异常情况下进行报警。它是减少由胎爆引起的交通事故的重要途径[2]。部分专家研究指出，胎压是衡量车辆状况的重要指标之一。因此，汽车胎压监测系统能够保持汽车胎压的正常，避免爆胎等安全问题的发生[3]。
1.1 技术发展背景
早在2003年，美国TRAD议案就已经颁布法案，自2007年起TPMS就必须被安装在每一辆汽车上。除此之外，美国公路安全管理部门于2004年出台一项关于胎压的规定，如果TPMS系统检测到的胎压与标准胎压值之差低于1/4-3/10时，系统必须能够实现向汽车驾驶员警报的功能。之后，欧洲等国家也相继出台有关TPMS系统的相关标准[4]。
英国的美达公司是世界上第一个成功研制出TPMS系统的公司。
美国举办的2004年博览会中，加拿大的某轮胎制造企业展示了他们研发的第二套TPMS系统。
2003年日本阿尔卑斯电器公司经过探索研究，推出无电池的TPMS系统。
在国际社会的快速发展下，我国也开展相关领域的探索，并逐渐形成一套我国的TPMS系统标准。近年来，在国家支持和政策的引导下，TPMS系统研究、发展快速。2000年前后，我国开始从国外引进TPMS系统，2004年时期逐渐进入高潮阶段。而现阶段，其系统的性能已经基本达到了与国际同业媲美的水准。
1.2 技术概述及选用方式
目前TPMS大体划分为两种形式：其一是间接式，利用汽车ABS(防抱制动系统)的转动速度差，经过一定的运算得出汽车的轮胎气压，进而实现对胎压的监测和报警。这种方式比较简单，但是无法准确对轮胎不同状况的判断，并且当转速很高的时候并不能获得胎压值。第二种情况就是通过直接采集方式设计TPMS，它将以锂离子电池安放在每一个气胎里作为电源，凭借压力传感器直接测量压力得出数值，并通过无线通信方法传送数值[5]。监视器部分可以实时获得汽车轮胎的胎压数据，在胎压非标准情况下发出报警，从而确保行车安全。经过不断验证，直接式要比间接式更加方便并且精确[6]。所以本文选用的是直接式的测量方法。国内外汽车制造厂商根据这一性能特点，都改采用直接式的方式，汽车设计和生产过程中，就加入直接TPMS相关电路模块。当前，我国汽车市场所使用的TPMS系统主要是从国外引进的，所以在TPMS系统方面我国需要不断提升研发能力，以应对我国潜在的发展市场。
1.3 TPMS技术分析
TPMS轮胎压力监视系统，监测汽车轮胎气压，确保汽车行驶时安全。
1.3.1 间接式
间接式TPMS系统所得到的气压值并非直接来源于传感器。目前间接式TPMS系统主要有计算式和磁敏式，它们在日常生活中应用比较广泛。
1.3.1.1 计算式间接TPMS系统
计算式间接TPMS系统主要原理是借助转速，轮胎气压处于不正常的情况时，轮子的转速会受到影响。将轮子实际采集到的转速和标准转速进行对比，继而得出轮胎压力的状态情况[7] *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
。所以，如果轮胎发生漏气（或者爆胎），这时车轮的半径就会减小，继而轮子转速就会变大。测速传感器测得转速后，单片机接收到采集的数据，并进行一定的数据分析，从而获得轮胎情况。这种方式系统结构简单、设计方便，并且容易安装，但是存在很多问题。第一，当车速过大时（如超过100码），所测量的数据结果准确性低；当汽车有多个轮胎出现问题时，无法准确判断。
1.3.1.2 磁敏式间接TPMS系统
磁敏式间接方式必须在轮胎中加入一定的磁性组件。当轮胎气压不正常时，内部安装的磁性元件的位置就会发生偏移，从而改变与外部磁性器件间的磁场强度（例如，霍尔装置）。 这种方式主要依靠磁敏元件感知气压变化，系统框图见图1.1。
图1.1磁敏式间接TPMS结构图
它是一种不用直接接触轮胎内部，便可以采集轮胎气压的测量方法。系统所有部分均分布在轮胎外部，相对元器件的要求也无需过高（譬如：对其耐温、耐压性能不过高的话，可以显著降低系统成本），因此系统设计简单、安装方便。这种系统也有一些难以避免的缺点：一是，系统不能实现轮胎气压的定量测定；二是，轮胎的气压情况随着季节、气温、路况等不同而存在差异；三是，当车辆行驶造成轮子磨损时，磁性组件部分之间的感应距离就会减小，这样测量结果就存在较大偏差，需要进行一定的调整才能正确采集。
1.3.1.3 SAW式间接TPMS系统
这种方式是后来推出的一种方式，全称为Surface Acoutic Wave[8]，称作表面声波方式。表面声波早期由英国伟大科学家瑞利于1885年研究发现[9]。
它的基本工作原理是发射一定频率的信号给SAW组件，当该组件接收到信号后，会返回一定的信号。而返回的信号受到环境压力、温度等因素的影响，基于这一原理实现对胎压的测量。
1.3.2 直接式
直接式TPMS系统中，通过压力传感器直接对轮胎压力进行测量。传感器收集到轮胎气压数据后，经过A/D变换为数字信号[10]，并通过一定方式传输给控制器。它可以分为两种基本类型：电子式TPMS、机械式TPMS，二者主要区别在于所采用的压力传感器类型。
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