基于單片機(jī)的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
基于單片機(jī)的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),基于,單片機(jī),汽車輪胎,監(jiān)測,系統(tǒng),設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系部名稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí): 車輛工程07-8班 學(xué)生姓名: 張龍飛 指導(dǎo)教師: 范德會(huì) 職 稱: 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign and Implemtation of Tire Pressure Detection System based on SCMCandidate:Zhang LongfeiSpecialty:Vehicle engineeringClass: 07-8Supervisor:Associate Prof. FanDehuiHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,公路交通已經(jīng)成為關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)命脈和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大系統(tǒng),但隨之而來的交通事故給人的生命安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了重大損失。爆胎是引起交通事故的主要原因,保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛是防止爆胎的關(guān)鍵,胎壓檢測系統(tǒng)(TPMS)是由此應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)汽車安全防范系統(tǒng)。胎壓檢測系統(tǒng)主要用于汽車行駛過程中對(duì)汽車胎壓與溫度的實(shí)時(shí)檢測,當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警,從而保障駕乘者的行車安全。本課題研究的目的是開發(fā)一種用于機(jī)動(dòng)車輛上的無線胎壓檢測系統(tǒng)。本文提出了一種基于無線技術(shù)的胎壓檢測系統(tǒng)方案,給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖,闡述了系統(tǒng)硬件電路和各模塊軟件的設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了檢測技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)及無線通信技術(shù),其中發(fā)射模塊能實(shí)時(shí)檢測、處理輪胎的壓力和溫度參數(shù),并運(yùn)用無線方式將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K;接收模塊能校驗(yàn)數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果,用以告知駕駛員各個(gè)輪胎的情況。軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)射模塊和接收模塊兩部分,具體為發(fā)射模塊和接收模塊的初始化、數(shù)據(jù)測量及處理,發(fā)射及接收程序。關(guān)鍵詞:胎壓檢測系統(tǒng);無線通信技術(shù);傳感器;射頻收發(fā);C語言ABSTRACTWith the socioeconomic and science and technology development,road traffic has become the major system of the national economy and the social,economic development,however,traffic accidents following resulted in significant losses about the lives and safety of people and economic developmentPuncture is the main cause of traffic accidents,keep driving in standards tire pressure is the key to prevent puncture,Tire pressure detection system(TPMS)which bom as a car security systemTire pressure monitoring system is mainly used for real-time tire pressure and temperature monitoring in the process of driving to protect the occupants of the driving safety when the abnormal state of alarmThe purpose of this research is to develop a wireless RF transmission tire pressure monitoring system which used in motor vehicleThis paper proposed a wireless technology based on the fire pressure monitoring systems programs,gave the overall system design block diagram and explain the system hardware circuit design and software design of the modulesHardware circuit mainly uses sensor detection technology,single-chip technology and wireless communication technology,transmitter module can detect,deal with the tire pressure and temperature parameters realtime,and transmitted data processed to the receiver module use the way of wirelessReceiver module cail calibration data and display the result to inform the driver of the situation of all tiresSoftware design contains transmitter module and receiver module,specific for transmitter module and receiver module initialization,data measurement and processing,send and receive proceduresKey words:tire pressure monitoring system,wireless communication technologysensor,anti-jamming,RF transceiver,C languageII目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒 論11.1選題的背景11.2 課題的目的及意義31.3 課題主要工作4第2章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)52.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求52.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案52.2.2 發(fā)射模塊62.2.2 接收模塊62.3 元器件選擇62.4 關(guān)鍵技術(shù)研究72.4.1 頻率選擇72.4.2 信號(hào)編碼方式72.4.3 輪胎定位技術(shù)82.5 本章小結(jié)8第3章 發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)93.1傳感器單元的硬件電路設(shè)計(jì)93.1.1 DS18B20工作方式93.1.2 ADC0809工作方式103.1.3 DS18B20溫度檢測程序133.2發(fā)射單元的硬件電路設(shè)計(jì)173.2.1 發(fā)射單元控制電路173.2.2 發(fā)射單元發(fā)射電路183.3發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)183.3.1 編程工具選用193.3.2編程語言及開發(fā)軟件的選用193.3.3通信協(xié)議193.3.4軟件設(shè)計(jì)213.4 本章小結(jié)25第4章 接收模塊的設(shè)計(jì)274.1接收模塊的硬件電路設(shè)計(jì)274.1.1射頻接收單元的硬件電路設(shè)計(jì)274.1.2射頻接收單元工作方式294.1.3顯示報(bào)警單元電路設(shè)計(jì)354.1.4蜂鳴器報(bào)警單元電路設(shè)計(jì)354.1.5電源單元設(shè)計(jì)364.2接收模塊的軟件設(shè)計(jì)364.3 本章小結(jié)40第5章 系統(tǒng)測試415.1 概述415.2 信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸顯示測試415.3 溫度超過預(yù)警值報(bào)警測試425.4 模擬壓力超過預(yù)警值報(bào)警測試435.5 模擬壓力和溫度超過預(yù)警值報(bào)警測試435.6 本章小結(jié)44結(jié) 論45參考文獻(xiàn)46致 謝47附錄48第1章 緒 論1.1選題的背景本世紀(jì)初,由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問題,造成了超過100人死亡和400人受傷,此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關(guān)注,普利斯通、凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)最近的調(diào)查,美國每年有26萬交通事故是由于輪胎壓力低或滲漏造成的,此外,每年75的輪胎故障是出于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,美國政府要求汽車制造商加速發(fā)展胎壓檢測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System,簡稱TPMS),以減少輪胎事故的發(fā)生。近年來汽車電子產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展,并已經(jīng)形成了獨(dú)立的汽車電子產(chǎn)業(yè)。汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是一項(xiàng)集先進(jìn)傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)、信息處理實(shí)時(shí)測控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等于一體的高新技術(shù)汽車電子產(chǎn)品。TPMS實(shí)時(shí)的對(duì)汽車輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測,對(duì)輪胎漏氣,低氣壓,氣壓過高及溫度過高等輪胎狀況進(jìn)行預(yù)警,以保障汽車行駛安全。目前TPMS主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式:直接TPMS和間接TPMS。間接TPMS是與車輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)一起使用的。ABS采用車輪轉(zhuǎn)速傳感器測量每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)一個(gè)輪胎的氣壓減小時(shí),滾動(dòng)半徑就減小,而車輪的旋轉(zhuǎn)速度就相應(yīng)地加快。指示燈會(huì)提示司機(jī),有一個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。但是,間接TPMS有一定的局限性。第一是指示燈無法指出是哪個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。第二,當(dāng)同一車軸或同一側(cè)的兩個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí),它無法檢測出究竟是哪個(gè)輪胎充氣不足。第三,如果所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài),該系統(tǒng)不會(huì)發(fā)現(xiàn)這一故障。另外,氣壓不足時(shí)輪胎直徑的減少和氣壓的降低非常微小。對(duì)于薄胎來說,69kPa的壓降只會(huì)使輪胎直徑減小1 m m 。這種壓降不符合美國的最終判定規(guī)則所規(guī)定的25%原則,采用間接方法進(jìn)行檢測在很大程度上依賴于輪胎和負(fù)載因子。直接TPMS采用固定在每個(gè)車輪中的壓力傳感器直接測量每個(gè)輪胎的氣壓。然后,這些傳感器會(huì)通過發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析,分析結(jié)果將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同,它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓,甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此,直接TPMS可以連接至顯示器,告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足。由于直接TPMS可直接測量每個(gè)輪胎的氣壓,因此當(dāng)任何一個(gè)或幾個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)時(shí),它們都會(huì)被檢測出來,當(dāng)車輛的所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)也可以檢測到。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測到7 kPa的壓降。國外對(duì)于TPMS系統(tǒng)的研究起步較早,20世紀(jì)70年代末歐洲的一些發(fā)達(dá)國家就開始對(duì)輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究。英國Lucas公司早在1981年就推出了駕駛室設(shè)置接受器和每個(gè)車輪均有傳感器的裝置模型。隨后,CRK公司和Marketing公司也相繼開發(fā)出了自己的產(chǎn)品,基本結(jié)構(gòu)是由傳感器、信號(hào)發(fā)生器和接收器三部分組成,傳感器安裝在輪輞上,直接檢測輪胎的內(nèi)壓。德國Doduco公司研制的Primac系統(tǒng),可以同時(shí)監(jiān)測輪胎的壓力和溫度。德國Wabeo公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS(制動(dòng)防抱死系統(tǒng))傳感器監(jiān)測輪胎壓力的新裝置。wabCO系統(tǒng)由一個(gè)32通道的控制閥和一個(gè)與輪胎氣門嘴相接的氣缸組成,當(dāng)輪胎氣壓變化時(shí),氣缸活塞使ABS傳感器信號(hào)發(fā)生變化,與ABS共用一個(gè)電子控制單元。Bosch公司的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由裝在輪輞上的壓力傳感器、帶有顯示器的電子部件和高頻收發(fā)機(jī)三部分組成,與ABS一起工作,已經(jīng)開始成批量的裝載汽車上。英國SP公司研制的DWS系統(tǒng)(漏氣報(bào)警系統(tǒng)),可以把輪胎壓力降低的信號(hào)通知駕駛員,系統(tǒng)利用ABS傳感器測量輪胎的滾動(dòng)半徑,通過計(jì)算程序監(jiān)測輪胎氣壓。國外因立法較早,其開發(fā)生產(chǎn)的TPMS已經(jīng)相當(dāng)成熟,能夠經(jīng)受57萬公里的使用測試。主要生產(chǎn)商有加拿大斯馬輪胎設(shè)備(SmarTire Systems)公司,固特異輪胎橡膠公司,米其林集團(tuán)公司,諾基亞輪胎公司,日本橫濱公司等?,F(xiàn)在國外的TPMS的研發(fā)重點(diǎn)在于開發(fā)無源的TPMS,如采用SAW這類無源器件的頻率變化來監(jiān)測輪胎壓力的變化。日本阿爾卑斯電氣公司開發(fā)的不需電池的汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)最近通過有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,符合歐洲及美國的電磁波相關(guān)法律規(guī)定,今后將以行駛條件及輪胎種類等因素的影響為中心進(jìn)行評(píng)測,計(jì)劃在歐美、日本等地進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn),2004年8月開始提供樣品,2006年投入批量生產(chǎn)。國內(nèi)對(duì)于TPMS的研究起步較晚,只是近幾年才開始進(jìn)行研究。最新的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件”中的安全防護(hù)裝置條款中規(guī)定:“車長大于6m的長途客車和旅游客車、最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于12000kg的載貨汽車和載貨牽引車應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置;有關(guān)部分機(jī)動(dòng)車應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置的要求,自本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起第25個(gè)月開始對(duì)新注冊車實(shí)施”??梢娢覈呀?jīng)開始重視汽車輪胎氣壓監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用?,F(xiàn)在國內(nèi)有許多汽車配件商開始代理銷售國外的TPMS系統(tǒng)。在上海和重慶及廣東等地有幾家公司開始投入生產(chǎn)并銷售TPMS,典型產(chǎn)品如:上海泰好電子科技有限公司的“泰好”牌TPMS-204型汽車輪胎壓力監(jiān)測器,重慶三信電子有限公司的TPMSS1R4A輪胎壓力監(jiān)測顯示系統(tǒng),福州東球金口哨輪胎防爆有限公司的“金口哨汽車輪胎漏氣報(bào)警哨”,上海保隆工貿(mào)有限公司的“迪吉泰”輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng),佛山市安力信科技有限公司“泰杰”牌TPM系列輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)等。吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、鄭州大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校都有學(xué)者對(duì)直接型TPMS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行理論研究,設(shè)計(jì)出了一系列方案,也有一些監(jiān)測報(bào)警裝置申報(bào)了專利。但是,國內(nèi)廠家生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進(jìn)國外公司輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)及生產(chǎn)線,核心技術(shù)都掌握在國外廠家手中,基本沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可言。目前國內(nèi)的TPMS系統(tǒng)問題不少:安裝繁瑣、影響美觀、整車廠難以配裝;不能設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)胎壓,無法保障輪胎合理使用:射頻效率、編碼糾錯(cuò)性能差、在惡劣環(huán)境下漏報(bào)嚴(yán)重;能耗較高,不能達(dá)到TPMS系統(tǒng)應(yīng)有的使用壽命要求;成本高昂,檢測范圍小,產(chǎn)品通用性不高。TPMS在中國的研究剛剛開始起步。高校及科研院所方面,吉林大學(xué)孫宏偉對(duì)現(xiàn)有F費(fèi)scale方案進(jìn)行了研究,提出了針對(duì)Ftcaale傳感器MPXY8020A的溫度補(bǔ)償算法;合肥工業(yè)大學(xué)沈俊峰提出了以SPl2傳感器,PICl6F683處理器,以及T5754射頻發(fā)射器構(gòu)成的輪胎壓力檢測方案;燕山大學(xué)張啟中通過分析輪速傳感器脈沖數(shù)相對(duì)差值的影響因素和影響規(guī)律,提出了基于脈沖數(shù)互比法氣壓異常報(bào)警系糾”;浙江大學(xué),屯子科技大學(xué),中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等也有學(xué)者對(duì)TPMS進(jìn)行了類似的理論研列”。1.2 課題的目的及意義目的:隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,基礎(chǔ)投資的不斷加大,以及公路設(shè)施的改善和高速公路里程的迅速增加,公路交通的平均車速有了很大提高。但同時(shí)交通事故尤其是爆胎事故、追尾事故也相應(yīng)增加,給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。交通安全已成為國家和個(gè)人越來越關(guān)注的重點(diǎn)。在汽車的高速行駛中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的,也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。在高速公路上行駛時(shí)一旦爆胎,駕駛員思想準(zhǔn)備不充分極易造成車輛側(cè)滑和不規(guī)則翻滾,輕則撞護(hù)欄,重則與其他行使車輛發(fā)生碰撞甚至車毀人亡,后果不堪設(shè)想。據(jù)統(tǒng)計(jì),輪胎爆胎的原因有:(1)輪胎壓力過高;(2)輪胎漏氣;(3)輪胎溫度異常升高;(4)輪胎松動(dòng)、掉胎。而追尾事故的主要原因有:(1)前方車輛爆胎失控;(2)視線不好,看不清前方車輛的剎車信號(hào);(3)不能提前獲知前方有事故車輛。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎氣壓和溫度的變化,保持汽車在標(biāo)準(zhǔn)的輪胎氣壓下行駛是防止爆胎的關(guān)鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測系(TPMS)的主要作用就是在汽車行駛時(shí),對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測,對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警,是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地防止輪胎在非正常氣壓下長時(shí)間行駛,提高汽車的主動(dòng)安全性。意義:保持正常的輪胎氣壓,不僅可以延長輪胎的使用壽命,減小滾動(dòng)阻力,還可減少油耗,提高車輛的使用經(jīng)濟(jì)性,而且可以大大提高汽車的行駛安全性。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng),將是一個(gè)永恒的主題,必將成為未來汽車必備的主動(dòng)安全保障系統(tǒng)之一。汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展使汽車上安裝了越來越多的傳感器,這將促進(jìn)TPMS的發(fā)展,使其技術(shù)更加成熟,性能更加穩(wěn)定,并且它的模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方面發(fā)展。1.3 課題主要工作課題的主要任務(wù)就是研究并設(shè)計(jì)一個(gè)無線胎壓檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)胎壓變化信息的實(shí)時(shí)采集和傳送,以達(dá)到汽車司機(jī)能夠在第一時(shí)間掌握汽車輪胎壓力變化的要求,并做出相應(yīng)的反應(yīng),從而避免事故的發(fā)生。課題主要工作有以下幾點(diǎn):(1)對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究并提出整體設(shè)計(jì)框架。(2)傳感器、單片機(jī)及顯示元件、報(bào)警元件的選取并連接電路。(3)進(jìn)行監(jiān)測模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊及其主模塊的程序編寫。(4)將軟件和硬件組裝并測試。第2章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)基于汽車輪胎安全使用的要求,胎壓檢測系統(tǒng)綜合運(yùn)用傳感器檢測技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)及無線通信技術(shù)來設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能檢測輪胎溫度和壓力波動(dòng)情況,并對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和實(shí)時(shí)處理。2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)采用直接式胎壓檢測系統(tǒng)。它以鋰離子電池為電源,通過埋于輪胎罩的傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度,并經(jīng)無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的接收模塊上。發(fā)射模塊處于輪胎的封閉狀態(tài)中,體積要??;另外由于在輪胎中更換器件很不方便且系統(tǒng)必須長時(shí)間工作,故而要求功耗低。工作中輪胎狀態(tài)為當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值(小型車為275kpa)12倍時(shí),因輪胎與地面接觸的面積減少,單位壓力增高,使輪胎胎面的中部磨損增加。通過試驗(yàn)證明:,一般認(rèn)為氣壓提高25%,輪胎壽命將會(huì)降低15%20%;氣壓降低25%,壽命大約降低30%。一般轎車的輪胎正常氣壓值在210kPa左右,多座位商務(wù)車在240kPa左右為宜。此外,汽車輪胎溫度越高,輪胎的強(qiáng)度越低,變形越大(一般不能超過80,當(dāng)溫度達(dá)到95時(shí),輪胎的情況非常危險(xiǎn)),每升高1,輪胎磨損就增加2%,行駛速度每增加一倍,輪胎行駛里程將降低50%。因此,本系統(tǒng)告警值設(shè)定為胎壓158KPa和262KPa,溫度小于80。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)功能及技術(shù)要求,系統(tǒng)方案的總體框圖如圖2.1所示:圖2.1 系統(tǒng)方案的總體框圖系統(tǒng)由置入輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊和安裝汽車駕駛臺(tái)上的接收模塊組成。發(fā)射模塊每檢測一次壓力,都會(huì)判斷此輪胎是否出現(xiàn)異常;如果判斷出現(xiàn)異常情況,則形成一幀數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)射。接收模塊判斷是否接收到完整的數(shù)據(jù)幀,如準(zhǔn)確無誤,則點(diǎn)亮和輪胎對(duì)應(yīng)的LED指示燈。2.2.2 發(fā)射模塊發(fā)射模塊包括傳感器單元、微處理器和射頻單元。傳感器單元定時(shí)采集輪胎內(nèi)壓力、溫度數(shù)值。微處理器(簡稱MCU)和射頻單元集成在同一芯片內(nèi),微處理器讀取來自傳感器的數(shù)據(jù),進(jìn)行處理并通過射頻單元發(fā)射出去。發(fā)射模塊的框圖如圖22所示。圖2.2 發(fā)射模塊框圖2.2.2 接收模塊接收模塊完成信號(hào)的接收、校驗(yàn)和處理,并通過LED指示燈顯示報(bào)警。接收模塊的框圖如圖23所示。圖2.3 接收模塊框圖信號(hào)接收電路將由輪胎發(fā)射出來的射頻信號(hào)放大解調(diào)后,將數(shù)字信號(hào)送給微處理器串行接口。微處理器再進(jìn)行譯碼,從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎號(hào)、壓力值以及溫度值,然后做出相應(yīng)的處理。顯示報(bào)警部分主要包括LED指示燈。2.3 元器件選擇無線胎壓檢測系統(tǒng)開發(fā)所需的元器件主要包含傳感器、MCU、射頻收發(fā)芯片、電池幾個(gè)部分。()傳感器本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器,DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上,從而抗干擾力更強(qiáng)。 ()單片機(jī)本系統(tǒng)選用STC98C52系列,它是一種高性能的8位單片機(jī)系列,具有速度快、功能強(qiáng)、功耗低、價(jià)格低等特點(diǎn)并且自帶看門狗復(fù)位,非法指令碼檢測復(fù)位和非法地址檢測復(fù)位等系統(tǒng)保護(hù)特性。發(fā)射模塊的MCU選用STC89C51。()射頻收發(fā)芯片接收和發(fā)射芯片的選擇主要從芯片的接收靈敏度以及性價(jià)比兩方面考慮。本系統(tǒng)選用2RF24L01B射頻收發(fā)芯片。2.4 關(guān)鍵技術(shù)研究2.4.1 頻率選擇在眾多的無線通訊頻段中,由于ISM頻段(工業(yè),科學(xué),醫(yī)學(xué)頻帶)屬于公共頻段,使用者無需申請(qǐng)頻段許可證,這給用戶帶來了很多的方便,因此當(dāng)今大部分無線傳輸所使用的操作頻率一般都選擇處于ISM頻段的頻率。而對(duì)采用無線技術(shù)的應(yīng)用來講,通常又采用屬于ISM頻段中的LPRD(Low Power RadioDevice)頻段作為操作頻率,此頻段有兩個(gè)頻率范圍,分別為:43305MHz434790 MHz和868 MHz870 MHzi眩l。在本系統(tǒng)中采用的工作頻率設(shè)置為43392 MHz。2.4.2 信號(hào)編碼方式在本文設(shè)計(jì)的胎壓檢測系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)以9600bps的速率發(fā)送,信源編碼方式采用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼以數(shù)字信號(hào)來描述就是:在每個(gè)比特周期,取值在周期中間點(diǎn)進(jìn)行高低電平間的轉(zhuǎn)換。如圖2.4所示,一個(gè)數(shù)字0被描述為周期前一半為低電平,后一半為高電平;而數(shù)字1則是先高后低。圖2.4 曼徹斯特編碼示例FSK又稱頻移鍵控,是指以信號(hào)頻率在兩個(gè)值之間的偏移來描述數(shù)字l和數(shù)字0信號(hào)。在本系統(tǒng)中,數(shù)字l具有較低的頻率,而數(shù)字0則具有較高的頻率。也就是說,如果載波頻率是43392MHz,總體頻率偏移,數(shù)字1就是(43392)MHz,而數(shù)字0是(43392)MHz。圖25是FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼信號(hào)波形示意圖。圖2.5 FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼信號(hào)波形示意圖2.4.3 輪胎定位技術(shù)胎壓檢測系統(tǒng)中的輪胎定位是指系統(tǒng)接收各個(gè)輪胎發(fā)射模塊發(fā)出的信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別,然后判定是哪個(gè)輪胎發(fā)出信號(hào)的過程。各輪胎發(fā)射模塊中的傳感器把胎壓的變化傳遞給MCU,由MCU處理并加上該模塊的識(shí)別ID編碼(用于區(qū)分各輪胎發(fā)射模塊的編碼,然后通過發(fā)射芯片進(jìn)行調(diào)制并發(fā)射出去。接收模塊接收并進(jìn)行解調(diào),恢復(fù)原始數(shù)據(jù),通過讀取原始數(shù)據(jù)的ID編碼,當(dāng)接收到的信息中的輪胎內(nèi)壓力或溫度出現(xiàn)異常時(shí),MCU將發(fā)出報(bào)警信號(hào),駕駛員根據(jù)對(duì)應(yīng)輪胎的LED報(bào)警燈,便可及時(shí)地對(duì)該輪胎進(jìn)行處理,確保汽車行駛安全。2.5 本章小結(jié)本章對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的大體框架進(jìn)行了確定,包括本系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù),系統(tǒng)的工作流程,元器件的選擇和關(guān)鍵技術(shù)的的研究。這一章是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,是下面要進(jìn)行工作的思路和方向。第3章 發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)發(fā)射模塊主要由傳感器單元、發(fā)射單元組成。傳感器單元測得壓力和溫度,通過發(fā)射單元按照一定算法處理后發(fā)射出去。發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理發(fā)射兩部分。3.1傳感器單元的硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1 DS18B20工作方式溫度傳感器的種類眾多,DS18B20有著超小的體積,超低的硬件開消,抗干擾能力強(qiáng),精度高,附加功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20工作原理及應(yīng)用: DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上,從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分,即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。18B20共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源,它們分別是: ROM 只讀存儲(chǔ)器,用于存放DS18B20ID編碼,其前8位是單線系列編碼(DS18B20的編碼是19H),后面48位是芯片唯一的序列號(hào),最后8位是以上56的位的CRC碼(冗余校驗(yàn))。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器,用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取,數(shù)據(jù)在掉電后丟失,DS18B20共9個(gè)字節(jié)RAM,每個(gè)字節(jié)為8位。第1、2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息,第3、4個(gè)字節(jié)是用戶EEPROM(常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存)的鏡像。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第5個(gè)字節(jié)則是用戶第3個(gè)EEPROM的鏡像。第6、7、8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器,是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的,同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。第9個(gè)字節(jié)為前8個(gè)字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體,用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù),上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù),DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在鏡像,以方便用戶操作。圖3.1 DS18B203.1.2 ADC0809工作方式ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和單片機(jī)直接接口。(1)ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由下圖可知,ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道,允許8路模擬量分時(shí)輸入,共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量,當(dāng)OE端為高電平時(shí),才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。(2)ADC0809引腳結(jié)構(gòu)ADC0809各腳功能如下:D7-D0:8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7:8位模擬量輸入引腳。VCC:+5V工作電壓。GND:地。REF(+):參考電壓正端。REF(-):參考電壓負(fù)端。START:A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE:地址鎖存允許信號(hào)輸入端。圖3.2 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)(以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換).EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳,開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平,當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE:輸出允許控制端,用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK:時(shí)鐘信號(hào)輸入端(一般為500KHz)。A、B、C:地址輸入線。 圖3.3 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)ADC0809對(duì)輸入模擬量要求:信號(hào)單極性,電壓范圍是05V,若信號(hào)太小,必須進(jìn)行放大;輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變,如若模擬量變化太快,則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線:4條ALE為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí),地址鎖存與譯碼器將A,B,C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存,經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B和C為地址輸入線,用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線:11條 ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí),所有內(nèi)部寄存器清零;下跳沿時(shí),開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換期間,ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí),表明轉(zhuǎn)換結(jié)束;否則,表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào),用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù);OE0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路,所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供,通常使用頻率為500KHZ,VREF(),VREF()為參考電壓輸入。(3) ADC0809應(yīng)用電路原理圖 圖3.4 ADC0809應(yīng)用電路原理圖3.1.3 DS18B20溫度檢測程序 *-FileInfo-* File name:DS18B20.c* Last modified Date: 2009-09-3* Last Version:1.0* Descriptions:* Created by:* Created 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i+;i+; DS=1; i=8;while(i0) i-; else DS=0; /寫0部分 i=8;while(i0)i-; DS=1; i+;i+; * Name: tmpchange()* Function: 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的程序void tmpchange(void) /發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 dsreset(); /初始化DS18B20 delayb(1); /延時(shí) tmpwritebyte(0xcc); / 跳過序列號(hào)命令 tmpwritebyte(0x44); /發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令* Name: tmp()* Function: 獲得溫度的程序int tmp() /獲得溫度 int temp; float tt; unsigned char a,b; dsreset(); delayb(1); tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0xbe); /發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令 a=tmpread(); /連續(xù)讀兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) b=tmpread(); temp=b; temp0;n-)_nop_();/*NRF24L01初始化void init_NRF24L01(void) inerDelay_us(100); CE=0; / chip enable CSN=1; / Spi disable SCK=0; / Spi clock line init highSPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); / 寫本地地址SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); / 寫接收端地址SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); / 頻道0自動(dòng)ACK應(yīng)答允許SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); / 允許接收地址只有頻道0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 0); / 設(shè)置信道工作為2.4GHZ,收發(fā)必須一致SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); /設(shè)置接收數(shù)據(jù)長度,本次設(shè)置為32字節(jié)SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); /設(shè)置發(fā)射速率為1MHZ,發(fā)射功率為最大值0dBSPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e); / IRQ收發(fā)完成中斷響應(yīng),16位CRC,主發(fā)送/*函數(shù):uint SPI_RW(uint uchar)/*功能:NRF24L01的SPI寫時(shí)序unsigned char SPI_RW(unsigned char uchar1)unsigned char bit_ct
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基于
單片機(jī)
汽車輪胎
監(jiān)測
系統(tǒng)
設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)
- 資源描述:
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基于單片機(jī)的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),基于,單片機(jī),汽車輪胎,監(jiān)測,系統(tǒng),設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)
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