基于无线通信轮胎压力监测系统设计.doc
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1、基于无线通信轮胎压力监测系统设计100资料内容仅供参考,如有不当或者侵权,请联系本人改正或者删除。本科学生毕业设计基于无线通信轮胎压力 监测系统设计 院系名称: 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 李静 职 称: 讲师 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月The Graduation Design for Bachelors Design Of Tire Pressure Monitoring System Based on Wireless Communication Candidate: Specialty: Measurement-Control Technology and Inst
2、rumentationClass: Supervisor: Lecturer. Li JingHeilongjiang Institute of Technology -06Harbin 摘 要轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System, TPMS)是车辆安全行驶的重要保障之一, 在汽车电子技术高速发展和对汽车安全性能要求更高的前提下, 对TPMS系统的研究和设计具有广泛的应用前景, 并能带来良好的经济效益和社会效益。本设计深入分析了TPMS技术的研究现状和发展趋势, 并对比了间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。选择直接有源式TPMS作为本设计的研
3、究目标, 利用嵌入轮胎中的温度传感器和压力传感器检测轮胎的压力、 温度以及供电电池的电压等参数, 然后经过模数转换器的转换之后再经过无线射频方式发射到安装在驾驶室的监视器上。监视器实时显示各轮胎参数, 在出现异常时及时发出相关告警信息。设计针对直接有源式TPMS技术实现的主要难点问题, 包括系统预警的准确性和可靠性、 检测传感器模块的低功耗性能等, 开展了以下工作: 1) 对RF发射部分进行详细设计, 包括发射天线的匹配网络、 无线通信协议以及RF发射管理机制等; 2) 提出改进的基于多传感器融合技术的预警算法, 有效提高系统预警的正确性, 避免告警信号的漏报和误报; 3) 分析TPMS应用的
4、电磁环境, 在电磁兼容性设计层面上, 阐述了系统的软硬件设计方案; 4) 在选择极低功耗检测传感器等器件的基础上, 选择更适合应用环境的锂亚供电电池, 并采取良好的电源管理机制; 研究表明, 所设计的直接有源式TPMS系统有效地提高了检测精度和预警的准确率。关键词: 轮胎压力监测系统; 无线通信; 温度传感器; 压力传感器; 预警AbstractTPMS is one of the most important safeguards for vehicle to safely driveWith the high speed development of the Auto Electronic
5、 Technology and peoples more demands for safety, it would be of widely application foreground to research and design the TPMS, and meanwhile, it would also bring more social benefits and economical benefitsThe paper have deeply analysed the development status and direction of TPMS and compared the d
6、ifference between Indirect TPMS and Direct TPMSThe paper choose Direct TPMS as research object, Direct TPMS uses the sensors to measure the pressure and temperature of the Tires and transmits them to the monitor which is installed in the driving platform by radio frequency modulationThe monitor disp
7、lays all kinds of preferences of the tires in time and, when the preferences is abnormal, the alarms will works automatically and display related informationThe systems alarm exactly, reliability and promoting the battery life are the technical difficulties or the key point for Direct TPMSRegarding
8、these points, several aspects are studied: (1)Studying and Designing the RF Transmit detailedly, including the Matching Network for Antenna, the wireless communication protocol and the management of RF transmission(2)After insuring the accurate probability of wireless transmission, the paper researc
9、hes and advances the arithmetic based on Sensor Fusion in order to avoid the TPMS giving wrong alarm(3)Analyse the application electromagnetism environment of TPMS and design the hardware and software concretely by considering the performance of EMC(4)Besides choosing the lowest power consumption IC
10、, in design, chooses the LiSOCl2batteryasthepower supply and uses a more effective manage method to reduce the systems power consumptionBy test, after taking these methods listed on the front, can effectively improve precision and veracity of the system, and at last, the design carried out the antic
11、ipative targetKey words: TPMS; Wireless Communications; Temperature Sensor; Pressure Sensor; Warning目 录摘要Abstract第1章 引言11.1课题的背景11.2课题研究的目的和意义21.2.1 课题研究的目的21.2.2 课题研究的意义31.3课题研究现状41.3.1 TPMS国外研究现状41.3.2 TPMS国内研究现状41.3.3 TPMS发展趋势61.4本设计研究的内容6第2章 方案论证82.1 系统设计要求82.1.1 系统工作环境介绍82.1.2 系统实现的功能介绍82.1.3 系
12、统工作原理框图82.2 系统方案设计92.2.1 TPMS系统的间接式92.2.2 TPMS系统的直接式102.2.3 TPMS系统直接式与间接式比较102.3 本章小结10第3章 系统硬件设计113.1 系统的工作原理113.2 模块分析113.3 TPMS系统主机模块113.3.1 TPMS系统主机部分的工作原理113.3.2 TPMS系统主机部分的结构框图123.3.3关于单片机PIC16F877的中央处理器的选择123.3.4显示/报警电路设计143.3.5 键盘输入电路设计163.4 TPMS系统从机模块173.4.1 TPMS系统从机模块的工作原理173.4.2. TPMS系统从机
13、模块的结构框图173.4.3 无线通信模块的设计183.4.4 传感器模块的设计213.4.5 电源管理模块的设计233.4.6 从机电路整体设计233.5 本章小结24第4章 系统软件设计254.1 TPMS主机系统软件设计254.1.1显示/报警电路程序设计254.1.2 喇叭报警程序设计264.1.3 LCD显示程序的设计274.1.4 单片机程序设计294.2 TPMS从机系统软件设计304.2.1数据传输协议304.2.2 RF通信软件设计304.2.3无线收发器配置334.2.4片内SPI寄存器配置344.2.5 SPI指令344.2.6 数据采集模块软件设计344.3 本章小结3
14、9结束语40参考文献41致谢43附录 A 硬件系统电路图44附录 B 程序代码46第1章 引 言1.1 课题的背景 随着汽车的普遍, 现在每家每户外出都离不开汽车。随着汽车的曾多, 交通事故也逐渐的增多, 人们讨论的问题不在是每家的经济情况, 而是汽车的安全驾驶的问题。TPMS是汽车轮胎压力检测系统的中心。轮胎压力直接影响汽车行驶的安全。轮胎压力监测系统( Tire Pressure Monitoring System, 简称TPMS) 的作用是在汽车行驶的过程中对轮胎气压和温度进行实时自动监测, 并对轮胎漏气、 气压过低和气压过高状况进行报警, 以确保行车安全。TPMS系统为汽车行业做出来很
15、多的贡献, 方便司机监测汽车减少了很多的交通事故的发生。安装汽车压力检测系统能够有效的防止汽车轮胎爆胎, 在汽车缺气行驶时能够及时的发出缺气信号, 避免汽车在缺气的状态下行驶造成轮胎损坏或者是造成交通事故。如果汽车在轮胎缺气状态下还在行驶那么耗油量将会大大的增加。安装TPMS的好处很多, 比如, 安装了TPMS之后能够使车辆把持在最佳的操控性能, 避免车辆的元件部件非正常磨损。TPMS系统的发展与以下几种技术的发展密切相关: ( 1) 胎压传感器组件技术。轮胎温度/压力参数的监测是TPMS系统设计的关键, 不但要保证参数测量的精度、 速度等指标满足系统的需求, 还要保证传感器在测量和待机过程中
16、消耗的电流较小以满足系统的供电需求。另外, 传感器工作在轮胎中, 环境状况十分恶劣, 因此传感器还应满足在温度、 潮湿、 震动等环境十分恶劣的条件下长时间工作的要求; ( 2) 汽车电子技术。汽车电子技术的发展为汽车的TPMS系统的实现提供了十分有利的条件, 其中包括元器件和整车环境等方面。随着汽车工业现代化进程的加快, 新技术、 新工艺、 新材料在汽车工业中得到广泛的应用。由于汽车制造业和电子制造业是当今世界的两大支柱产业, 且电子制造正处于蓬勃发展的黄金时期, 它能够给包括汽车制造业在内的其它产业提供全方位和多层次的技术支持; ( 3) 微机电技术。微机电系统是指集微机型机构、 微型传感器
17、、 微型执行器、 微型驱动器、 信号处理系统、 电子控制电路以及接口和通讯器件等于一体的几何尺寸极小的微型机电一体化产品。微机电技术的发展为汽车TPMS系统的实现提供了必须的条件, 如TPMS系统中的核心关键器件-嵌入式微型传感器就得益于微机电技术的发展才能得以实现。微机电产品的尺寸、 体积、 质量以及惯性均十分微小, 而其谐振频率高、 响应速度快、 性能稳定、 能耗极低, 有利于进行大批量、 低成本生产。另外, 由于容易集成和复合, 能够做成微传感器阵列和微执行器系统, 甚至做成可将微传感器、 微执行器、 微处理器和微控制器集成在一块芯片上的复杂微机电系统, 使之具有信号处理、 程序控制等多
18、项功能。这些优点和特色决定了微机电技术可在提升汽车行驶安全性能方面大有作为, 也昭示了汽车安全行驶保障技术及其装置的发展方向与应用途径。随着TPMS核心技术压力、 温度传感器技术和其它重要技术的发展, TPMS系统的到了快速的发展, 可是在当前的TPMS系统中, 由于没有能够突破结构设计中的瓶颈, 依然存在以下问题: ( 1) 轮胎从机模块安装在轮毂上, 可靠性较低, 车辆扒胎维护十分困难。( 2) 轮胎从机模块安装在轮毂上, 径向加速度产生的离心力将影响胎压的测量精度。( 3) 轮胎从机模块安装在轮毂上, 检测系统只能使用一次性锂电池供电, 车辆长期高速行驶下电源故障率较高, 维护十分困难。
19、( 4) 车后左右轮胎从机模块旋转过程至于车载主机进行无线通讯时可靠性低, 抗干扰性差。由于以上多个原因, 虽然车辆轮胎压力监测系统在防止因轮胎胎压和温度异常引起的交通事故方面具有十分重要的作用, 可是当前并没有像ABS、 安全气囊等安全保护措施一样得到广泛的应用。1.2 课题研究的目的和意义1.2.1 课题研究的目的本设计以无线通信系统对轮胎压力的监测为题目进行一系列的研究, 经过压力传感器和温度传感器相结合来设计一个轮胎压力检测系统, 用来防止爆胎引起的危险, 确保行车安全同时也能够使轮胎的使用寿命延长。随着社会的发展, 如今我们无论是经济上还是科学技术上都有了很大的进步, 人们的生活水平
20、都有了很大的提高, 人们对于舒适的生活也就要求的越来越高, 对于家居或者是外出的要求在方便、 快捷、 安全等方面的要求也越来越关注。特别是外出方面, 人们对汽车的安全系统特别的关心和关注, 要求也越来越高。如今, 人们的生活、 学习、 经济以及社会的经济发展、 国民经济命脉等重担都与公路交通有着紧密的联系。随着人们生活水平的提高, 汽车也就走进了千家万户, 由此, 人们最关心的问题也就是汽车的方便、 轻巧、 舒适、 安全等问题。特别是汽车的安全系统是人们最为关注的问题。汽车的增多也代表着交通事故的增多, 交通事故的发生不但造成了每家每户的很大损失, 同时也是社会的损失。交通事故造的最主要的原因
21、有两个, 一个是由于很多的人为的事故, 有些人的开车技术不好或者是在迷糊、 饮酒、 瞌睡的状态下驾车, 导致交通事故发生; 另一个是因为汽车爆胎, 造成人员伤亡已经社会损失。据统计, 在国内高速公路上, 由爆胎引发的交通事故占事故总数的70 %, 在美国, 这一比例更高达 80 % 。如今如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题,防止爆胎的关键就在于要保持标准的压力和温度, 经过无线通信压力传感器对汽车轮胎进行检测, 使人们在轮胎出现危机的时候能够及时的知道而且及时的预防或者是补救, 避免伤亡和损失。汽车轮胎压力监测系统 ( tire pressure monitoring system, T
22、PMS)就是用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测, 对轮胎漏气和低气压进行报警, 以保障行车安全。正因为TPMS对于汽车安全性上至关重要, 因此在1996年的时候, 美国就颁布了实施有关TPMS的法规了。在中国 初, 上海大众开始了TPMS的研发计划, 并开始了制定工作, 不过中国当前还没有正式的实施TPMS。1.2.2 课题研究的意义轮胎压力监测系统能够带来显著的社会效益和经济效益。轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面: ( 1) 大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大, 在轮胎出现故障或异常时经过轮胎压力监测系统-TPMS及时地对驾驶员进行预警
23、, 能够提高轮胎的安全性能, 进而能够有效地降低汽车行驶, 特别是高速行驶时发生交通事故的可能性。( 2) 减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。据世界卫生组织最新统计结果, 当前全世界每天有超过500万条废轮胎被丢弃。由于废旧轮胎回收和处理上的困难, 当前全球已有数以亿万计的轮胎等待处理, 成为了环保的一大顽疾。另外, 机动车尾气排放是当前城市空气污染的主要来源之一, 如何提高燃油的经济性, 降低尾气污染, 是人们密切关注的问题。实验证明, 轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切的关系。行驶相同的距离, 轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油, 同时也排放出更多的尾气。经过使用轮胎压力监测系统及
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