自动化仪表课程设计-轮胎胎压自动监测系统剖析
汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计研究
汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计研究汽车轮胎气压是影响行车安全和汽车性能的重要因素之一。
气压不足或过高都会影响汽车的操控性能和燃油经济性，甚至会导致爆胎等严重事故。
实时监控汽车轮胎气压并提醒驾驶员保持正常气压对于提高行车安全和保护轮胎寿命非常重要。
本文将对汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计进行研究探讨。
一、系统概述汽车轮胎气压实时监控及提醒系统是一种基于传感器和数据处理技术的智能化设备，通过安装在汽车轮胎上的传感器采集轮胎气压和温度信息，再通过数据处理装置对数据进行处理和分析，最后将结果显示在驾驶员仪表盘上或者通过手机APP实时提醒驾驶员。
二、系统设计（一）传感器设计汽车轮胎气压实时监控系统的关键组成部分是轮胎气压传感器。
传感器需要能够准确、稳定地监测气压和温度，并能够适应恶劣的环境条件。
传感器一般采用压力传感器和温度传感器组合而成，其中压力传感器采用压阻式或电容式传感器，能够准确测量出轮胎内的气压，温度传感器则能够监测轮胎温度，以便防止因为高温引起的气压过高情况。
（二）数据处理和传输传感器采集到的气压和温度信息需要经过数据处理和传输才能够呈现在驾驶员面前。
数据处理装置通常采用微处理器或者单片机，可以通过编程和算法实现对传感器数据的实时处理和分析，然后将结果传输到驾驶员仪表盘上或者通过无线传输到手机APP上。
传输方式一般采用蓝牙或者无线射频技术。
（三）显示和提醒传感器采集到的气压和温度信息经过数据处理后显示在驾驶员仪表盘上，一般会有一个独立的显示屏来显示各个轮胎的气压和温度情况。
系统可以设置气压和温度的上下限，一旦超出范围系统会立即发出声音、光线或者振动等报警信号提醒驾驶员。
一些系统还可以通过手机APP实时提醒驾驶员，以便驾驶员在车外的情况下也能及时了解到轮胎气压情况。
三、系统优势汽车轮胎气压实时监控及提醒系统相比传统的手动测量有着明显的优势。
实时监控可以让驾驶员随时了解车辆轮胎的气压情况，避免因为长时间行驶或者气温变化等原因导致的轮胎气压异常。
车辆轮胎气压监测系统设计与实现
车辆轮胎气压监测系统设计与实现一、引言车辆轮胎气压监测系统的出现使得汽车的驾驶更加安全和经济。
未经监测的轮胎气压可能导致车辆性能下降、燃油消耗增加、甚至引发危险。
对于高速公路和长途运输来说，车辆轮胎气压监测系统显得尤为重要。
本文将介绍车辆轮胎气压监测系统的设计和实现。
二、系统设计1. 系统框架车辆轮胎气压监测系统主要由传感器、数据处理器、通信模块、显示器组成。
传感器用于检测实时轮胎气压情况并将数据传输给数据处理器，数据处理器将气压数据进行处理并通过通信模块传输给显示器，最后显示器将数据反馈给驾驶员。
2. 传感器传感器是车辆轮胎气压监测系统中最核心的组成部分。
传感器分为内置式和外置式，内置式传感器直接固定在轮胎内部，外置式传感器则安装在轮胎外固定在轮毂上。
传感器除了用于检测轮胎气压，还可以检测轮胎温度、车速等参数。
3. 数据处理器数据处理器主要负责气压数据的计算、处理和存储。
对于多模式的车辆轮胎气压监测系统，处理器还需要对传感器测量出来的数据进行自适应的匹配处理。
4. 通信模块通信模块是将处理器计算出来的数据传输给车内显示器的关键组件。
通信模块可以分为有线和无线两种，有线通信模块通过CAN总线或其他总线实现数据传输，而无线通信模块则可以通过Bluetooth 或 Wi-Fi实现数据传输。
5. 显示器最后一个重要组成部分是显示器。
显示器可以分为运动式和静态式，运动式显示器应用于长途运输的卡车和客车上，它能够显示当前车辆轮胎的气压和温度数据，并能随时反馈到驾驶员。
静态式显示器引入了更多的虚拟系统的概念，帮助司机更加快速和准确地判断车辆状态。
三、实现过程1. 系统设计轮胎气压监测系统的设计首先需要确定监测点的位置，一般情况下，车辆轮胎气压监测系统一般安装在车辆轮毂上。
其次需要确定传感器的类型，根据其内部结构和测量原理的不同，传感器的性质是各不相同的，需要根据实际应用场景选择合适的传感器。
2. 车辆实测进行车辆实测可以更加科学地分析轮胎气压及温度等参数的变化，进而优化设计方案。
教学项目8轮胎压力检测系统的分析设计
项目八轮胎压力检测系统的分析设计知识目标：1，掌握压电传感器结构原理。
2，掌握压力测量的主要方法。
3.了解压力传感器的使用能力目标：1.学会压力测量电路的调试。
2.能进行压力测量电路的设计。
3.学会轮胎压力检测系统的设计素质目标：1．培养耐心细致的工作态度；2．培养严谨扎实的工作作风；3．培养团结协作的合作精神。
技能训练目标要求:1. 了解压电传感器的原理和用途2. 学会压电传感器测量电路的设计3. 轮胎压力检测系统的分析设计任务1 压电式传感器的工作原理时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带当沿电介质极化方向对其施加电场，这些电介质会产生几何变形。
压电晶体、压电陶瓷压电材料的主要特性参数有①压电常数它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。
②弹性常数弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
③介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容和介电常数有关，而固有电容又影响着传感器的频率下限。
④机械耦合系数在压电效应中其值等于转换输出量和输入量之比的平方根。
它是衡量压电材料电能转换效率的一个重要参数。
⑤电阻。
压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。
居里点。
是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
5.1.3压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。
其内部是由无数个细微的单晶组成的，每个晶粒具有一定的极化方向，在无外电场作用下，晶粒杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此压电陶瓷此时呈中性，即原始的压电陶瓷不具有压电性质，如图5—3（a ）所示。
石英晶体光轴电轴 横向压电效应压电效应纵向 压电效应不产生石英晶体的压电效应演示压电陶瓷材料有多种，最早的是钛酸钡（BaTiO3），现在最常用的是锆钛酸铅（PbZrO3-PbTiO3），简称PZT 等。
为了提高灵敏度，在使用中常把几片同型号的压电元件粘结在一起，如图5—8 是两个压电元件的组合形式。
胎压监测系统的设计)
成绩评定：传感器技术课程设计题目胎压监测系统的设计摘要轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)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。
市场研究机构Strategy Analytics的预测表明，直接系统技术将成为主流技术，2008年后所占份额将超过95%。
因为如果要使用间接式胎压监测系统，前提是车辆必须有ABS系统。
加上会影响轮胎转速的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高。
或者是当车子高速转弯时，车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮胎的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。
另外，当四条轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。
而且侦测功能仅在车辆行驶中才能发挥作用，对备胎或当车辆停滞时，便无法判断，还会出现误报现象。
关键词：胎压监测压力传感传感器 TPMS目录一、设计目的------------------------- 1二、设计任务与要求--------------------- 22.1设计任务------------------------- 22.2设计要求------------------------- 2三、设计步骤及原理分析 ----------------- 33.1设计方法------------------------- 3 3.2设计步骤------------------------- 43.3设计原理分析---------------------- 5四、课程设计小结与体会 ---------------- 19五、参考文献------------------------- 20一、设计目的轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣直接影响汽车行驶的可操纵性、安全性和舒适性。
汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计研究
汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计研究汽车轮胎气压的监控和提醒系统在现代汽车上已经成为一个非常普遍而重要的功能。
随着汽车的智能化和自动化程度不断提高，对于轮胎气压的实时监控和提醒系统的要求也越来越高。
本文将从设计研究的角度，探讨汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的原理、设计方法和关键技术等方面进行深入分析。
一、系统原理汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的原理比较简单，主要包括传感器、数据采集模块、数据处理与显示模块和警告模块四个部分。
1. 传感器：传感器是系统的核心组成部分，通常采用压力传感器或者温度传感器。
压力传感器用于实时监测轮胎内部的气压值，而温度传感器则用于监测轮胎的温度变化。
2. 数据采集模块：数据采集模块负责将传感器采集到的数据进行采集和处理，并通过无线通信方式传输到主控制单元。
3. 数据处理与显示模块：数据处理与显示模块将接收到的数据进行处理、分析，并将结果显示在汽车仪表盘或者中控屏幕上。
一般包括轮胎气压值、温度值以及警告信息等。
4. 警告模块：警告模块会根据数据处理结果和预设的阈值进行比较，当轮胎气压或温度超出预设范围时，会发出警报以提醒驾驶员。
二、设计方法汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的设计方法主要包括传感器选择、数据处理算法设计和系统集成等方面。
1. 传感器选择：传感器的选择对于系统的性能和精度起着至关重要的作用。
一般而言，压力传感器需要具备高精度、高稳定性和较宽的工作温度范围，以确保在不同工况下能够稳定准确地监测轮胎内部的气压值。
而温度传感器则需要具备快速响应、高灵敏度和良好的线性度等特点。
2. 数据处理算法设计：在数据处理和显示模块中，需要设计相应的算法来对采集到的数据进行处理和分析。
一般需要进行数据滤波、校准和修正等过程，以确保监测结果的准确性和稳定性。
还需要设计相应的警报算法，当监测数值超出预设范围时，能够及时准确地发出警报。
3. 系统集成：系统集成是一个综合性的工程，需要考虑传感器、数据采集模块、数据处理与显示模块以及警告模块的集成方式和通信方式。
胎压监测系统课程设计
胎压监测系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解胎压监测系统的基本构成、工作原理及功能。
2. 掌握胎压监测系统中传感器、控制器等相关知识，并了解其在汽车安全中的作用。
3. 了解胎压异常对行车安全的影响，认识胎压监测的重要性。
技能目标：1. 能够运用所学知识分析胎压监测系统在实际应用中的问题，并提出解决方案。
2. 学会使用相关工具和设备进行胎压监测系统的检测和维护。
3. 培养学生的团队协作能力和实践操作能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对汽车电子技术的兴趣，激发其学习热情。
2. 增强学生的安全意识，使其认识到胎压监测系统在行车安全中的重要性。
3. 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯。
分析课程性质、学生特点和教学要求：1. 课程性质：本课程为汽车电子技术领域的一门实用技术课程，旨在帮助学生了解并掌握胎压监测系统的相关知识。
2. 学生特点：学生为高年级学生，已具备一定的电子技术基础，对汽车电子技术有一定了解。
3. 教学要求：注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力，培养学生解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 胎压监测系统的基本概念与组成- 介绍胎压监测系统的定义、分类及发展历程。
- 分析系统的主要组成部分，包括传感器、控制器、显示屏等。
2. 胎压监测系统工作原理与功能- 阐述胎压监测系统的工作原理，包括传感器的信号采集、处理与传输。
- 介绍系统的主要功能，如实时监测、报警提示、历史数据查询等。
3. 胎压监测系统的应用与维护- 分析胎压监测系统在汽车安全领域的应用，强调其在预防交通事故中的作用。
- 介绍胎压监测系统的维护方法，包括传感器校准、电池更换、故障排查等。
4. 胎压异常案例分析与实践操作- 分析胎压异常导致的典型事故案例，使学生认识到胎压监测的重要性。
- 安排实践操作环节，让学生学会使用胎压监测设备进行检测和维护。
5. 教学内容的安排与进度- 本教学内容分为理论教学和实践操作两部分，共计8学时。
轮胎气压监测系统TPMS解析
轮胎气压监测系统TPMS（译文）Tire pressure monitoring system TPMSTPMS tire pressure monitoring system abbreviation, Chinese meaning for the tire pressure monitoring system. TPMS is divided into direct and indirect type two.Direct TPMS is a wireless intelligent sensor, monitoring system, mainly composed of two parts: hardware, sensor and transmitter is mounted on the inside tires (sensor and transmitter combo, integrated into a complete modular unit) and a receiver is arranged in a driving room and display device (for after market TPMS, usually the receiver and the display of two in one, integrated into a complete modular unit). Sensor for bridge type electronic induction device, real-time sensing accurately, pressure and temperature measurement values within each tire, pressure transmitter will be sensed, temperature data in a wireless (RF RF) way is transmitted to the receiver, display the received information displayed. In this way, the whole system of tire pressure, temperature conditions do real-time monitoring of the whole, when any one of the tire air pressure, temperature abnormal status, TPMS immediately to the driver by the sound, light alarm to remind the form. Indirect TPMS is not directly through the pressure temperature sensor in tyre, but the use of ABS (anti lock braking system) wheel speed sensor and an analysis software in the indirect conversion will change the wheel speed into the change of the tyre pressure, its hardware cost is essentially zero, the main part is an analysis software. Its working principle is that, when a tire pressure is insufficient, the tire diameter is relatively small, its speed relative to the other a tire on the diagonal speed becomes larger, this will change in indirect conversion speed for the tyre pressure changes, can discover whether there is a pressure shortage. The advantages of indirect TPMS, low cost, only need to install a software can analysis.Disadvantages are: 1) the monitoring precision is not enough, only an estimate of the results, only when a serious shortage of tire pressure can be detected. 2) when the system alarm when the tire pressure is insufficient, which tire is unable to display specific problems, must be tested to determine the four tires. 3) usually cannot display the air pressure value of the tyre, only in the alarm, have been warning symbols. And you cannot do the monitoring of high pressure and high temperature. 4) the vehicle in the static state, and at low speeds, or in the potholes driving system does not work. 5) when the four tire also insufficient air pressure, such as when the occurrence of seasonal temperature changes, the system can't tell. 6) easily lead to false positive change the spare tire, because the spare no wear, tire diameter than the other. 7) for snow tires, easily lead to false positives, because snow tires than the common tire diameter. 8) in turn to speed fast, easily lead to false positives, because the outer tire speed is greater than the inner tyre. 9) under certain weather and road conditions, the tire may slip, causing several tire speed is different, also easy to cause false alarm.The high allocation of vehicles of some domestic brands have TPMS as the standard configuration, which is part of the direct TPMS, one part is the indirect TPMS. Currently about statistics, with the direct TPMS for Audi above 2.4 Deluxe Edition, Chrysler, Cadillac. With indirect TPMS for MAGOTAN luxury version, Buick series, and a portion of the BMW etc.. Indirect TPMS for the above shortcomings, but also failed to fully comply with the corresponding standard USA, use has few manufacturers in foreign countries; but because of low cost, the vehicle is still part of the domestic production of.In a word, how to identify your car is installed directly or indirectly type TPMS type TPMS, the tire chop down to see, if equipped with induction / transmitter module valve mouth rim, is the direct TPMS, if not, is the indirect type TPMSTPMS为tire pressure monitoring system的缩写，中文意思为轮胎气压监测系统。
胎压监测仪课程设计
胎压监测仪课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解胎压监测仪的基本原理，掌握其工作流程和关键部件功能。
2. 学生能掌握胎压监测仪的相关术语和概念，如胎压、传感器、数据传输等。
3. 学生了解胎压监测仪在汽车安全中的重要性，认识到其对社会和个人的意义。
技能目标：1. 学生能够操作胎压监测仪，进行简单的故障排查和维护。
2. 学生能够分析胎压监测数据，判断轮胎状态，提出合理的解决方案。
3. 学生能够运用所学知识，设计简单的胎压监测系统，提高解决问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对汽车安全设备的兴趣，增强学习热情，提高自主学习能力。
2. 学生认识到胎压监测仪在预防交通事故中的重要作用，树立安全意识。
3. 学生通过合作学习，培养团队协作精神，增强沟通与表达能力。
课程性质：本课程为实用技术课程，结合物理、电子、汽车等多学科知识，注重培养学生的动手能力和实际操作技能。
学生特点：六年级学生具备一定的物理知识和动手能力，对新鲜事物充满好奇，喜欢探索和实践。
教学要求：教师应采用启发式教学，引导学生主动探究，注重实践操作，提高学生的综合运用能力。
同时，关注学生的情感态度价值观的培养，使他们在掌握知识技能的同时，形成正确的价值观和安全意识。
通过分解课程目标，为后续教学设计和评估提供明确的方向。
二、教学内容1. 胎压监测仪原理及结构- 胎压监测仪工作原理介绍- 胎压监测仪关键部件及其功能- 与课本第四章第三节“汽车传感器”相关内容结合2. 胎压监测仪操作与维护- 胎压监测仪的安装与使用方法- 常见故障及其排除方法- 与课本第四章第四节“汽车维护与故障排除”相关内容结合3. 胎压数据分析与应用- 胎压数据读取与解析- 胎压异常情况判断与处理- 与课本第五章第二节“汽车数据采集与分析”相关内容结合4. 胎压监测系统设计- 简单胎压监测系统设计方法- 设计实例分析与讨论- 与课本第六章第三节“汽车电子控制系统设计”相关内容结合教学内容安排与进度：第一课时：胎压监测仪原理及结构第二课时：胎压监测仪操作与维护第三课时：胎压数据分析与应用第四课时：胎压监测系统设计教学内容注重科学性和系统性，结合课本相关章节，使学生能够循序渐进地掌握胎压监测仪相关知识。
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自动化仪表大作业轮胎胎压自动监测系统[在线检测胎内压力和温度，具有实时液晶显示及报警功能]学校：洛阳理工学院专业：自动化日期：2013年5月12日摘要:轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)(TPMS)是汽车安全领域重要电子装置,近年来已开始获得广泛应用,但传统的TPMS产品多为内置式,安装在轮胎内,安装和维护时需要拆卸轮胎造成很大不便,同时轮胎里的金属轮辋对位于胎内的压力传感器和无线发射装置有很强的屏蔽作用,信号衰竭很快,要保证信号传输到位于驾驶室内的接收器,必须提高发射功率,从而大大缩短发射器的电池使用寿命。
针对这些技术问题,提出了一种新型外置直接式数字胎压监测系统,它的胎压监测节点核心器件MCU选用Infineon的专用压力处理器芯片SP30,该芯片内置MEMS压力传感器可通过外连气门芯直接测量胎内气压,再通过无线方式与上位接收器进行无障碍无线传输通信,避免了信号屏蔽,延长了电池和产品的使用寿命以及安装成本。
给出了新型外置直接式TPMS产品的具体硬件设计、软件流程和通信协议。
测试表明该系统的无线信号传输可靠、抗干扰能力强、轮胎位置识别准确、反应灵敏、安装与维护方便及组态灵活等特点、有着广泛的市场应用前景。
关键词:无线传输;胎压监测;压力传感;编码;TPMS胎压监测系统(TPMS)能在汽车行驶期间实时监测轮胎内气压变化,并对胎压和温度异常进行报警,有效避免爆胎事故的发生。
目前,TPMS系统分为两种类型: (1)间接式TPMS通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以监视胎压变化,这种方式可靠性不高; (2)直接式TPMS利用安装在每个轮胎上的压力传感器来直接测量胎压,并与驾驶台的监视器无线通信,实时显示每个轮胎内的气压,这种方式简单可靠。
但是,许多汽车厂商只是在生产新车时采用内置安装方法配置直接式TPMS,这样不可能从根本上解决保有车辆加装TPMS的问题,安全隐患依然存在[1-2]。
直接式轮胎压力监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压。
很明显,直接传感系统更有效,是当前TPMS的主流和发展趋势。
直接式轮胎压力监控系统又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。
被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波(SAW)来设计的,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。
利用该技术研发的产品由于通讯距离短,需要在每个轮胎旁安装发射天线,所以应用范围受到限制[3]。
主动式TPMS是采用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器,将压力传感器安装在每个轮胎上,通过无线射频的方式将信号传送出去,安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力信号,经过一定的信号处理,显示出当前的轮胎压力。
主动式技术的优点是技术比较成熟,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎[4]。
本文介绍一种新型外置直接式数字胎压监测系统,该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上,直接监测胎内气压,再通过射频信号传送至驾驶室内的上位接收机,实时显示每个轮胎内的瞬压,当轮胎气压不正常时及时发出警报,保障行车安全。
该系统在通信可靠性、实时性、灵活性等方面有着明显的优势,填补国内TPMS后装市场的空白,有着广泛的应用前景。
1 TPMS系统原理和总体结构TPMS系统主要由胎压监测节点和接收机两部分构成,系统结构框图如图1、图2所示。
图1中,压力传感器采集轮胎压力和温度信号,经A/D转换,MCU获得压力值和温度数据,遵循特定的通讯协议进行编码后,再由RF发射芯片和天线将编码后的数据发射出来;图2中,安装在驾驶室内的接收机接收到胎压监测节点发射的高频信号,经去噪滤波后,射频接收芯片解调出该信号,送至接收机MCU,接收机MCU再遵循特定的通讯协议,将接收到的信号进行解码,读取各个轮胎的方位和对应的压力、温度值,然后进行分析、存储和显示,并对故障轮胎发出实时报警。
2 TPMS系统硬件设计与实现2. 1 胎压监测节点胎压监测节点采用轮胎气嘴上安装的外置式安装方式,所以要求胎压监测节点小型化,传感器采集精确、响应快,功耗低,无线通信效果好,性能可靠。
为此,胎压监测节点的主控芯片采用Infineon公司生产的SP30[5],它是一款嵌入式RISC处理器,采用8位哈佛结构,二级流水线指令,快速的执行时间大大降低功耗,适用于电池供电的设计。
SP30内置传感器硬模、看门狗定时器、多通道15 bitADC和两个片上振荡器,支持空闲掉电等多操作模式,支持低频唤醒(Low FrequencyWakeup)和内部时钟唤醒(In-tervalTimerWakeup)中断机制等等,因为微控制器外设功能全面,所以硬件设计电路非常简单,从而提高了胎压监测节点的稳定性。
胎压监测节点硬件设计框图电路如图3所示。
图 3 胎压监测节点硬件设计框图压力传感器芯片内部将两个低成本的硬模直接封装在一起,通过芯片内的增压管直接测压力和温度,芯片内部嵌入低噪声放大器和ADC,采集精度高。
MCU使用固件(Fireware)直接控制AD转换和读取胎内气压值与温度。
MCU使用软件中断方式调用固件,以执行ROM中的LIB函数, LIB函数中大量的特殊循环控制和循环移位指令优化了代码, SYS(软件中断)的机制隐藏ROM的字节传送,使得固件在应用程序中不可见,大大简化了固件读取模拟量的软件编写工作。
获取轮胎压力值和温度后,胎压监测节点通过射频发射芯片向接收机发送报文,本设计中射频发射芯片选用Micrel公司生产的MICRF112[6],其操作电压范围为1. 8~3. 6 V,适用于电池供电;发射频率范围为380MHz-450MHz,输出功率最大可达+10 dBm,可选择调制ASK或FSK的编码数据,数据(ASK, 433. 92 MHz,曼彻斯特编码数据)传输率高达50 kbit/s。
该芯片功能强大,射频信号传输可靠、抗干扰能力强。
为保证胎压监测节点的可靠运行, SP30使用芯片内部的看门狗定时器,它能阻止系统故障和掉电时的电池放电。
在胎压监测节点发生故障时,看门狗定时器溢出, SP30强制进入掉电模式。
进入掉电模式后,内部时钟开始计数,直至计数溢出,同时产生一个RESET 中断复位微处理器(也可通过低频唤醒直接产生一个RESET中断复位微处理器)。
胎压监测节点预留有一个Monitor接口,既可用于芯片编程,又可在线监控胎内气压、温度、电量等模拟量的采集和校验精度,调试方便灵活。
2. 2 TPMS接收机TPMS接收机安装在汽车的驾驶室内,而胎压监测节点安装在轮胎上,行驶过程中节点在不停的旋转运动,还受到气候影响变化,所以两者之间的通信环境非常恶劣,这就要求TPMS接收机必须能够高灵敏度地响应节点发送的射频信号。
本设计选用Micrel公司生产的MICRF211[7]作为射频接收芯片和Mirco-chip公司的生产PIC16F886[8]作为接收机处理器。
接收机硬件电路图如图4所示。
图4 接收机硬件设计框图MICRF211仅需要很少量的外围器件就能构成一个完整的射频接ASK或OOK的编码数据,MICRF211芯片抗干扰能力强,接收效果非常出众线,接收灵敏度可达-110 dBm。
PIC16F886是一款的高性能RISC微控制器,处理速度快, 200ns执行一条指令,芯片内置高耐用性闪存单元、增强型USART模块、看门狗定时器和主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模块,功能强大,抗干扰晶显示器实时显示节点方位、压力值、温度和电量状态,使用菜单式界警胎压、巡检频率、功能模式、操作优先级等),这些参数通过PIC16F886的MSSP模块保存在EEPROM芯片24 LC16[9]里。
为保证接收机可靠运行,PIC16F886使用芯片内部的看门狗定时器,在处理器发生故障,看门狗定时器溢出,同时产生一个信号复位微处理器。
芯片还留有ICSP调试口,可以编程和在线监测处理器的运行,调试简单方便。
由于接收机和胎压监测节点之间采取433.92MHz载频进行信号传输,因此在PCB设计时应遵循高频电路设计规则[10-11],对发射和接收天线也应仔细匹配与调整[12]。
接收机和与气门嘴相连的胎压监测节点实物图如图5和图6所示。
图5 接收机和传感发射器实物图图6 胎压监测节点实物图3 TPMS系统软件设计及通信协议数字式TPMS系统软件分为胎压监测节点软件和接收机软件,其中每个胎压监测节点的软件控制策略和通信协议是保障TPMS系统正常工作的关键[13]。
3. 1 胎压监测节点软件设计及通信协议胎压监测节点软件流程如图7所示:首先初始化微控制器SP30的寄存器的参数,看门狗定时器打开, MCU直接进入运行模式,先测量轮胎压力和胎内温度,遵循特定的通讯协议进行校验码计算和数据帧编码,然后无线发送N次相同的数据帧;发送完成后,延时等待看门狗定时器溢出,CPU进入掉电状态; 2 min后,SP30内部时钟定时唤醒,CPU 从掉电模式进入运行模式,如此循环反复执行。
图7 胎压监测模块软件流程图胎压监测节点与接收机通信协议是通过无线数据帧来实现的。
胎压监测节点向接收机发送数据帧采用固定的数据帧长度进行,具体数据帧格式如表1所示。
表1 TPMS系统无线通信数据帧格式数据帧7 6 5 4 3 2 1 0字节1 Unused电量值ID12 ID11 ID10 ID9 ID8字节2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字节3压力值字节4温度值字节5校验码3.2 TPMS接收机软件设计接收机的软件流程如图8所示,TPMS接收机上电复位后,初始化PIC16F886的内部寄存器,等待接收数据帧;接收到数据帧后,先判断数据帧是否有效,如果校验不对,则将数据丢弃;如果数据帧是有效的,再判断接收机是否处于自学习状态,如果处于自学习状态,则调用自学习模块,将ID信息保存至接收机内,如果处于普通工作状态,则实时显示压力值和温度,如发生故障就报警。
为解决轮胎位置识别问题和保证安装方便,胎压图8 接收机软件流程图监测节点外壳贴有LF(LeftFront)左前轮、RR(RightRear)右后轮等标签,而且接收机处在自学习状态时,必须将液晶显示的轮胎位置和标签对应,自学习完成后勿需再做修改。
实践证明,采用接收机自学习方式组态灵活,完全能解决TPMS系统轮胎位置识别问题。
4 胎压监测节点机械结构设计胎压监测节点安装在轮胎外面的气嘴上,称为/外置式0安装方式,因此节点的体积小、重量轻、防漏气和安全防盗是机械结构设计的关键问题。