基于单片机的胎压测试系统的设计与实现

毕业设计（论文）题目：基于单片机的胎压测试系统的设计与实现

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2014年05月15 日

摘要

本文完成了胎压测试系统的设计与实现。实现了测试汽车轮胎压力的功能，由三种不同的计量单位通过LCD显示给用户，如果超出预设阈值就会发出警报提醒司机安全行驶。另外，在正常状态下可实时显示日期和时间，有断电保护功能，并可对日期和时间进行设置。

首先硬件采用气压传感器MPX4105、STC5A60S2单片机、DS1302 时钟电路和1602LCD等。通过气压传感器MPX4105获取与汽车胎压相对的模拟电压值，经过V/F 变换输入到单片机进行处理，最终由通过LCD显示电路显示相应气压值。另外，DS1302时钟电路与单片机连接实现了LCD显示日期和时间，并可断电保护的功能。

其次采用C语言作为开发工具软件，在Keil C环境下进行了对单片机各个端口以及定时器工作方式和串行口工作方式进行设置，并对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯和联络的设定，以及分配地址空间交代程序中各个变量等的设计和编码。

最后完成系统的可靠性、稳定性等性能的测试。压力超出阈值会自动报警提醒驾驶员安全行驶。不工作状态下，可显示日期与时间并有断电保护功能。具有可携带、测试操作方便、价格低廉等优点。

关键词：气压传感器；胎压；单片机

Abstract

This paper completed a tire pressure measurement system. It realizes the function of the test tire pressure. It from three different units of measurement through the LCD display to the user, if you exceed a preset threshold alerts will remind drivers to drive safely. In addition, in the normal state it can be real-time display date and time. There is power failure protection and on the date and time settings.

First of all, hardware used pressure sensor MPX4105, STC5A60S2 single chip, DS1302 clock circuit, 1602LCD and so on. The pressure sensor MPX4105 and automotive tire pressure relative to the analog voltage value, after the V / F transform the input to the microcontroller for processing, and ultimately by the circuit through the LCD display shows the corresponding pressure values. Besides, DS1302 clock circuit and microcontroller connection to display the date and time and power protection.

Secondly, as a development tool with C language software, Keil C environment for all ports of microcontroller and timer mode set the serial port work, it initializes the timer and serial port to achieve each function module chip microcontroller, it explains the program address space allocation of the variables such as the design and coding.

Finally, to complete the system reliability, accomplished stability and other properties of the test. Pressure above the threshold will automatically alarm to remind the driver drive safely. When it does not work, it can display the date and a power-off protection. The merits are portable, easy to operate, low price and so on.

Keywords: pressure sensor; tire pressure; MCU

目录

绪论 (1)

1 系统的总体设计 (5)

1.1 总体设计思路 (5)

1.2 硬件设计部分 (5)

1.2.1 A/D转换 (6)

1.2.2 数据处理 (6)

1.2.3 气压传感器的选择 (6)

1.2.4 三端稳压器的选择 (7)

1.3 软件设计部分 (7)

2 系统的硬件设计 (9)

2.1 硬件设计思路 (9)

2.2 单片机外围电路 (9)

2.2.1 复位电路 (9)

2.2.2 振荡电路 (10)

2.3 电源部分 (11)

2.4 按键部分 (11)

2.5 显示部分 (13)

2.6 报警电路部分 (13)

2.7 元件简介 (14)

2.7.1 单片机STC5A60S2简介 (14)

2.7.2 气压传感器MPX4105简介 (16)

2.7.3 MC78L05电源电路简介 (17)

2.7.4 DS1302时钟电路简介 (18)

2.7.5 键盘控制模块简介 (19)

2.7.6 1602字符型LCD简介 (19)

2.7.7 1602LCD的指令说明及时序 (21)

2.8 PCB的制作 (22)

3 系统的软件设计 (23)

3.1 软件设计思路 (23)

3.2 如何由频率计算出气压值 (24)

3.3 程序流程图 (24)

4 系统的调试 (25)

4.1 硬件调试 (25)

4.1.1 调试步骤 (25)

4.2 软件调试 (25)

4.2.1 Keil软件简介 (25)

4.3 整体调试 (26)

4.3.1 系统仿真 (26)

4.3.2 实现结果 (27)

结论 (29)

致谢 (30)

参考文献 (30)

附录A 英文原文 .................................................................................. 错误！未定义书签。附录B 译文 ........................................................................................ 错误！未定义书签。附录C 系统设计原理图及PCB图. (31)

附录D 程序清单 (33)

附录E 元件清单 (57)

附录F 实物图....................................................................................... 错误！未定义书签。

绪论

如今，随着高速公路网的蓬勃兴起，交通的日趋发达，车辆行驶速度的不断攀升，交通隐患的防范问题迫在眉睫，如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故，很多是由轮胎的工作温度过高或者不合理胎压引起的。研究汽车轮胎胎压计，就对现代汽车行驶时的经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。

高速公路的速度和便利，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措施。据2002年美国汽车工程师学会调查，全美平均每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的；而在高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的；此外，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。统计表明：交通意外增加的主要原因是高速行驶中因轮胎故障引起的爆胎。另据统计，在中国，46%的高速公路交通事故是由于轮胎故障引起的，这其中仅爆胎一项就占事故总量的70%，这是多么惊人的数字！在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是杀伤力最大也是最难预防的事故隐患，是突发性交通事故发生的重要原因。如何解决轮胎故障、怎样防止爆胎，已成为全球关注的首要问题。2001年7月，为响应美国国会对车辆安装TPMS 立法的要求，美国运输部和国家高速公路安全管理局（NHTSA）联合对现有的两种轮胎压力监测系统（TPMS）进行了评价，报告第一次将TPMS 作为专用词汇，并确认直接式TPMS优越的性能和准确的监测能力。由此TPMS 汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视[1]。

随着高新技术的发展和现代汽车不断趋向高性能化，汽车用的轮胎也从长期的性能时代，开始进入功能化的新时期。当然，现代汽车的安全配置也在不断得到完善，如安全带、安全气囊、防撞杆等被广泛运用，不过这些都是属于交通事故发生后，才能对人、车起到保护作用的被动安全装置。然而轮胎爆胎预警系统，则不同于上述的装置，它在轮胎一出现危险征兆时就能够及时发现并同时报警，最大限度地将事故消灭在萌芽状态，从而极大地提升了车辆高速行驶的安全性，这一优势在高速公路上表现更为明显。

对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点问题。在轮胎爆胎预警系统及相关技术的研究发面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善的轮胎压力监测系统产品。

据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品有推出，但都是技术性能不甚完善简易系统产品，存在以下缺点：（1）系统工作寿命极短；（2）系统在低温或高温环境下失效；（3）工作可靠性较差。而性能可靠、功能完善、技术成熟的产品均是一些国外知名公司的品牌产品，但价格较为昂贵。因此，研制性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。国内汽车行业正迫切需求成熟的轮胎爆胎预警系统及产品的投放市场以解决因轮胎爆胎而引起的行驶安全性问题。

TPMS （轮胎压力监测系统）的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全[2]。

工作原理：

轮胎的轮毂上安装一个内置传感器，传感器中包括感应气压的电桥式电子气压感应装置，它将气压信号转换为电信号，通过无线发射装置将信号发射出来。

TPMS通过在每一个轮胎上安装高灵敏度的传感器，在行车或静止的状态下，实时监视轮胎的压力、温度等数据，并通过无线方式发射到接收器，在显示器上显示各种数据变化或以蜂鸣等形式提醒驾车者。并在轮胎漏气和压力变化超过安全门限（该门限值可通过显示器设定）时进行报警，以保障行车安全。

接收器也根据供电方式分为两类。一种是通过点烟器或者接汽车电源线的方式供电，大部分的接收器都是这种；另一种是通过OBD插口供电，即插即用，而且接收器是HUD抬头显示器，如台湾s-cat的TPMS就是这种。

驾驶者可以根据显示数据及时地对轮胎进行加气或放气，发现渗漏可以及时处理，让意外能在小处化解。

功能：

(1)全时监测轮胎压力；

(2)轮流显示当前轮胎压力及温度；

(3)高压低压报警，高温报警；

(4)快速漏气报警；

(5)主机电池低电量提示；

(6)停车时显示屏自动关闭；

(7)电池供电时主机可自动进入停车省电模式；

(8)可根据车型及轮胎位置设定相应的标准压力值。

TPMS (Tire Pressure Monitoring System) 轮胎压力监视系统，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测。目前各国研制的轮胎气压报警系统主要分为两种类型：一种是间接式，它通过汽车ABS（防抱制动系统）的轮速传感器及轮胎的力学模型，间接求出轮胎气压，以达到监视轮胎气压的目地；另一种是直接式，它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，而监视器随时显示各种轮胎气压，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，确保行车安全[3]。

汽车高速行驶中，由于轮胎的压力不正常而造成爆胎是驾驶员难以预防的，也是突发性和恶性交通事故发生的重要原因。引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有：

(1)轮胎工作温度过高；

(2)轮胎气压过大；

(3)轮胎使用时间过长；

(4)轮胎负荷过大；

(5)汽车行驶速度过快[4]。

为使汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮胎的超压、欠压、温度等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮胎胎压计具有以下的功能：

(1)实时监测轮胎的压力情况；

(2)当某个轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警指示灯亮。

当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，防止轮胎爆胎的发生，以达到安全驾驶的目的。由于汽车的迅速普及，人们对驾驶安全性与舒适性的追求越来越高，随车携带数字气压计可以保证人们安全驾驶，有效地降低由于爆胎导致的交通事故发生地概率。而服务商需要的是一种物美价廉的数字气压计，以满足有车一族的需要[5-6]。

本课题设计的是一种基于单片机的数字气压计，主要针对的是汽车轮胎胎压计的设计。汽车轮胎胎压计是通过气压传感器获取与汽车轮胎胎压相对应模拟电压值，并经过V/F变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应气压值。由于使用胎压计有一定的参数要求，设计数字气压计时要仔细了解这些参数以防止使用不当而损坏胎压计。汽车轮胎胎压计采用高性能绝对压力传感器，屏幕显示出高准确度的汽车轮胎胎压，实现了对轮胎压力的实时监测[7]。当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾

驶员，防止轮胎爆胎的发生，以达到安全驾驶的目的。

本课题设计充分利用了MPX4105芯片的功能，它满足数字气压计采集、控制和数据处理的需要，可提高系统稳定性和抗干扰能力。同时，由于大量的工作由单片机软件来实现，简化了设计电路，且调整方便、可兼顾的指标多，从而大大降低了成本。另外，作为一种功能强大的平台，该数字气压计具有很好的功能扩展性，具有精度高、稳定性好、功能易于扩展等优点，为仪器及电子产品设计后续技术升级以进一步满足市场的需要提供了条件。

本文完成了胎压测试系统的设计与实现。全文共分五个章节：第一部分是绪论，介绍国内外发展现状和实现意义；第二部分综述总体设计思路和设计方案，包括硬件设计和软件设计等；第三部分是硬件设计部分，具体阐述硬件实现过程，包括各元件简介以及模块功能；第四部分介绍软件设计部分，包括设计思路、频率与气压的换算以及程序流程图；第五部分简单介绍总体实现过程包括硬件的测试和软件测试以及实现结果。全文按照总体方案的设计，首先对硬件各模块完成了功能设计，其次利用软件程序设计连接各功能模块、完善功能，然后通过仿真测试，最终整体实现采集数据、显示胎压、险情预警并在正常状态下可实时显示日期、时间等功能。

1 系统的总体设计

1.1 总体设计思路

由于测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由单片机处理。因此，需要经过A/D 转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化）。通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后通过LCD 显示电路显示给用户。

系统总体框图如图1.1所示： STC5A60S2控制

气压

传感器

MPX LCD 显示

按键控制电源

DS1302

图1.1系统总体框图

通过对单片机各个端口的设置，以及定时器工作方式和串行口工作方式的选择，并对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯和联络的设定。在主程序模块中关键是使单片机初始化，以及分配地址空间交代程序中各个变量等。其中最为关键的是连接子程序的各个功能模块。

1.2 硬件设计部分

本系统采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带A/D 转换的STC5A60S2单片机中，以及在相关模拟分立元件的辅助下进行A/D 转换以及其它的数据处理，将处理的结果送显示部分进行显示。另外在设计过程中，除了以上主要功能外，本系统还加入了显示时钟，可时时显示时间并有断电保护，增加了硬件的趣味性和美感。