汽车轮胎压力监测系统设计毕业设计 精品.docx

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摘要

随着社会经济和科学技术的发展,公路交通已经成为关系国民经济命脉和社会、经济发展的重大系统,但随之而来的交通事故给人的生命安全和经济发展造成了重大损失。

爆胎是引起交通事故的主要原因,保持标准的车胎气压行驶是防止爆胎的关键,胎压检测系统TPMS（TirePressureMonitoringSystem）是由此应运而生的一项汽车安全防范系统。

胎压检测系统主要用于汽车行驶过程中对汽车胎压与温度的实时检测,当出现异常状态时进行报警,从而保障驾乘者的行车安全。

本课题主要研究的是一种用于机动车辆上的轮胎压力与温度监控系统。

文中提出了一种基于无线技术的轮胎压力与温度监控系统的方案，设计综合运用了检测技术、单片机技术及无线通信技术,其中发射模块能实时检测、处理轮胎的压力和温度参数,并运用无线方式将处理后的数据传输到接收模块;接收模块能校验数据并显示结果,用以告知驾驶员各个轮胎的情况。

本系统采用了有效的节能措施,不仅在硬件上选用了具有睡眠功能的芯片,而且在软件设计上通过将判断功能置于发射模块中,减小了系统的发射频率,从而降低了能耗,保证了不会因为更换能源问题而频繁的拆装轮胎,提高了系统的实用性,因而具有广阔的应用前景。

关键词:

轮胎；无线通信技；抗干扰；节能

Abstract

Alongwiththedevelopmentofsocialeconomyandscienceandtechnology,highwaytraffichasbecomethelifebloodofnationaleconomyandtherelationshipbetweensocialandeconomicdevelopmentofimportantsystem,buttheresultingtrafficaccidentstothehumanlifesecurityandeconomicdevelopmenthascausedgreatlosses.FlatTireisamajorcauseoftrafficaccident,keepthestandardTirePressureisthekeytopreventblowout,TirePressureMonitoringSystemTPMS（TirePressureMonitoringSystem）isthusarisesatthehistoricmomentofsafeguardSysteminacar.Tirepressuremonitoringsystemismainlyusedforthecarofautomobiletirepressureandtemperatureintheprocessofreal-timedetection,andalarmwhenabnormalstate,thusensuringthedrivingsafety.Thepurposeofthisresearchistodevelopakindofappliedtomotorvehicletirepressureandtemperaturemonitoringsystem.

Thispaperpresentsatemperatureoftirepressuremonitoringsystembasedonwirelesstechnology.Integrateduseofthehardwaredesignofdetectiontechnology,micro-controllertechnologyandwirelesscommunicationtechnology,thelaunchmodulecanreal-timetirepressureandtemperatureparametersdetection,processing,andusewirelesswaytotransmitdataafterprocessingtoreceivingmodule;Receivingmodulecancheckdataanddisplaytheresultstoinformthedriverofeachtire.

Thissystemadoptedtheeffectiveenergysavingmeasures,notonlyonhardwarechosechipswithsleepfunction,butalsoonthesoftwaredesignoftransmissionmodule,bywilljudgefunctioninreducingthetransmissionfrequencyofthesystem,reducingtheenergyconsumptionandensurethewon'tchangetheenergyproblemandfrequentdisassemblingtire,improvethepracticabilityofthesystem,thushasbroadapplicationprospects.

Keywords:

tire；wirelesscommunicationtechnologysensor；anti-jamming；

saveenergy

1绪论

环保、节能、安全是当今汽车发展的三大主题，作为影响人民生命财产全和国家经济命脉的重要因素的汽车安全性是汽车设计过程首要考虑的问题，汽车轮胎气压保持正常值是车辆舒适性和行驶安全的保证。

轮胎气压高于正常值时，与地面接触面积减少，摩擦系数降低，便会导致车辆侧滑、颠簸、爆胎，危及行驶安全；轮胎气压低于正常值，轮胎内部就会开始分离、脱层、最后导致爆胎[1]，在低速状态下行驶就会因轮胎变形过大而伤胎。

因此，及时地了解和准确掌握轮胎的温度、压力状况是避免爆胎，提高汽车安全行驶水平的有效途径[2]。

国外因立法较早，TPMS（TirePressureMonitoringSystem）成为标配，市场占有率高。

中国国家标准管理委员会2008年发布的《中国TPMS标准意见征求稿》,标TPMS成为汽车的标准配件是必然的趋势。

TPMS对汽车轮胎压力、温度的监测技术主要有直接式和间接式两种形式。

直接式是利用安装在轮胎里的智能传感器来直接测量轮胎的气压、温度、电池电压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器随时显示轮胎的气压、温度、电池电压，当轮胎出现异常情况时，系统就会自动报警；间接式是借助防抱死制动系统（AntilockBrakingSystem,ABS）的轮速传感器来比较车轮转速，从而估算两个轮胎胎压的差别，当某个轮胎胎压低于预先设定的初始值时，向司机报警。

目前在TPMS轮胎压力监测系统的研究中存在三个技术难点：

低功耗实现、无线信号传输、射频天线设计。

本课题进行直接式汽车轮胎压力与温度监测系统的研究。

针对该系统目前存在的技术难点，设计本文的系统方案，目的是实现一种可以实时监测行驶车辆轮胎内部气压、温度的预警系统。

1.1研究背景

汽车在高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

据统计[3]，在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

轮胎监测系统（TPMS）主要用于在车辆行驶时实时地对轮胎压力和温度进行自动监测，对轮胎漏气、低气压、高气压进行预警，以保障驾乘者行车安全，是驾驶员、乘车人的生命安全保障预警系统。

中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车的需求量和保有量出现了加速增长的趋势。

因此，我国TPMS需求与日俱增，TPMS的研究具有重要的社会意义和经济价值。

为与世界先进国家保持同步，我国关于汽车安装TPMS的法规也将会出台。

目前我们国内已有很多家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。

因此一套安全、可靠、方便、成本低廉的轮胎监测系统将有广阔的应用前景[4]。

1.2轮胎压力与温度监控系统现状

目前市场上主流TPMS的实现方式是利用安装在每一个轮胎内部的轮胎监测模块来直接测量轮胎的压力、温度，并通过无线传输的方式发送到安装在驾驶室的中央控制模块。

中央控制模块实时显示每个轮胎的压力、温度，驾驶员可以直观的了解各个轮胎的压力、温度等状况，当轮胎压力、温度太低或者太高，系统会自动报警，提醒驾驶员，防止事故发生。

TPMS的性能主要取决于轮胎监测模块的实现方式。

根据轮胎监测模块供电方式的不同，TPMS可以分为有源TPMS和无源TPMS。

（1）有源TPMS，指TPMS的轮胎监测模块使用专用锂电池供电。

本课题研究的轮胎压力与温度监控系统即是一种有源轮胎监测系统。

有源TPSM的轮胎监测模块有以下几个部分组成：

压力温度传感器、微控制器、射频芯片、低频唤醒芯片、电池以及天线组成。

压力温度传感器是一个集成了压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理的片上系统。

为了增强传感器功能，不少传感器还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗及其它功能的数字信号处理单元。

（2）无源TPMS，指TPMS的轮胎监测模块不使用电池供电。

目前有两个发展方向，一种是利用RFID读头端的发射功率为轮胎监测模块供电，另一种是利用汽车行驶中的机械能为轮胎监测模块供电。

射频识别技术（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用了射频信号和空间耦合（近距离的电感耦合和远距离的电磁耦合）传输特性，其中电感耦合的依据是电磁感应定律，电磁耦合是以雷达原理为模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射同时带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

射频识别系统一般由两个部分组成，即标签端（Tag）和读头端（Reader）。

在无源TPMS中，标签端依附于轮胎监测模块，读头端依附于中央控制模块[5]。

1.3轮胎压力与温度监控系统研究意义

TPMS系统在提高汽车行驶安全性，减少生命财产损失以及减少能耗等方面都具有非常重要的研究意义，其具体优点体现在以下几个方面[6]：

（1）事前主动型安保

汽车现有安全措施，如ABS、EDS、EPS、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故发生后才起到保护人身安全的作用。

而TPMS属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾驶员可采取措施，将事故消灭在萌芽状态。

（2）延长轮胎使用寿命

统计表明：

轮胎气压不足行驶，车轮气压比正常值下降10%，轮胎寿命减少15%。

TMPS系统实时监测每个轮胎的动态瞬时气压，当轮胎气压出现异常时能及时自动报警，从而减少车胎的损毁，延长轮胎使用寿命。

（3）减少燃油消耗，利于环保

实验显示，轮胎气压低于标准气压值30%，油耗将上升10%。

如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，轮胎磨损加快。

油耗上升不仅增加车辆运行费用，而且增加废气排放，对环境的污染加大。

车辆安装了TPMS系统，就能及时发现车胎气压异常，有效避免上述现象的发生，不仅降低油耗，而且还可减轻对环境的污染。

（4）可避免车辆部件不正常的磨损

若汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘及悬挂系统将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统的磨损。

安装了TPMS系统，便能有效避免上述现象的发生。

1.4本文研究内容和结构

1.4.1研究内容

该系统实现的功能：

将通过在轮胎内部安装的压力和温度传感器，中央控制单元对轮胎内部的温度、压力值进行采集、处理后通过无线通讯的方式将数据发送给驾驶室内部的中央监视器。

中央监视器对轮胎的数据进行分析，如果发现轮胎的状态异常，则通过声光报警提示驾驶员进行处理。

针对上述系统功能，本课题的主要研究内容如下：

（1）分析直接式TPMS的工作原理，并深入分析了该系统的关键技术、国内外现状以及发展趋势。

（2）综合分析国内汽车各方面综合因素，设计系统的总体方案。

（3）轮胎模块硬件和软件的设计。

（4）主机模块硬件和软件的设计。

1.4.2论文的结构安排

第一章：

介绍汽车轮胎压力监测系统的提出背景和研究意义，当前的技术应用现状和未来的发展趋势，给出本文的研究内容和结构安排。

第二章：

介绍系统主要工作原理。

在对系统方案的论证基础上，确定系统的软硬件技术性能要求和实施方案，确定系统的总体设计方案。

第三章：

轮胎模块硬件和软件的设计。

以Freescale（前Motorola半导体部）的MPXY8300系列传感器、微处理器、发射芯片三件集成一体芯片为核心，构建轮胎模块；与主机模块搭建实现系统对轮胎状态信息的测量、无线传输、状态监控和异常报警。

第四章：

主机模块硬件和软件的设计。

主要介绍MPXY8300系列微控制器的基础上，以接收芯片MC33594、微控制器STC12C5416AD芯片为核心，构建主机模块；实现系统对数据的测量、模拟/数字转换、无线射频传输控制、系统状态监控和显示报警等功能。

第五章：

总结与展望。

对本设计的总结与展望。

2系统总体设计

汽车轮胎压力监测系统（TPMS）是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的微型无线传感装置采集轮胎压力和温度的数据，并将数据传送到驾驶室内的接收机中，以数字化的形式实时显示轮胎压力和温度的相关数据，并在轮胎出现危险征兆时进行报警的汽车主动安全系统。

主要功能是在汽车行驶时实时的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎快速漏气、高低气压和高温分级报警，从而达到预防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和经济行车。

针对在汽车恶劣的工作环境下，设计满足国内外TPMS标准的技术指标（中国的标准高于国外标准）[7]，综合目前市场存在的经典方案，分析了其中的关键技术，本文设计一种具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的轮胎压力监测系统。

2.1TPMS系统分类及其工作原理

目前TPMS主要有两种实现方式：

间接式TPMS系统和直接式TPMS系统。

2.1.1间接式TPMS

间接式TPMS系统是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。

ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。

当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。

间接式TPMS的检测原理如图2.1所示。

图2.1间接式TPMS检测原理

2.1.2直接式TPMS

直接式TPMS系统主要由安装在轮胎上的轮胎监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器两个部分组成。

轮胎监测模块由压力/温度传感器、微控制器（MCU）、射频（RF）发射器组成，中央监视器由RF接收器、MCU以及LCD、按键、报警模块等组成。

一般情况下，一辆轿车或面包车的TPMS系统有4或5个（包括备用胎）监测模块，一辆卡车有8～36个监测模块，本系统设计主要面向四轮轻型汽车的轮胎状态监测，其安装位置示意图如图2.2所示，固定在每个车轮中的压力、温度传感器直接测量每个轮胎的气压和温度，然后通过RF发射器将传感器数据发送到中央监视器。

中央监视器接收到轮胎监测模块发射的信号后进行分析，并将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。

如果胎压或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。

图2.2直接式TPMS检测原理

2.1.3间接式和直接式TPMS的比较与选择

间接式TPMS的优点是只要具备ABS系统，就可以增加TPMS的功能，另外所需的只是软件，因此成本比较低。

但是间接式TPMS有以下几个主要缺点：

无法同时监测到同轴两轮胎、同侧两轮胎以及四个轮胎全部漏气的情况；不能对温度进行测量；受速度影响较大，一般不能超过100km/h；轮胎重新安装或者TPMS复位后，TPMS传感器标定比较麻烦。

相比于间接式TPMS，直接式TPMS具有很多优点，如能在任意瞬时监测4个轮胎内的压力和温度大小，测量精度和准确度均高于间接式TPMS且不受行驶速度的限制等。

但是它也存在一些弊端，比如，直接有源式TPMS的监测模块质量较大，安装在轮胎内会打破原先的动平衡，而且成本比较高；在恶劣潮湿的环境下，电池会出现漏电现象，使得系统使用年限缩短。

而基于SAW的直接无源式TPMS主要优点是传感器部分不需要电池供电，而且质量较小，目前已经开发出的实验传感器只有5g左右，同时可在高低温等恶劣环境下工作，但是它需要将转发器（Transponder）整合至轮胎中，这需要各轮胎制造商建立共同的标准才有可能实现[8]，因此，无源式TPMS短期内还难以流行。

2.2直接式TPMS总体设计

2.2.1系统组成

本课题所要实现的TPMS为直接式电池供电的TPMS。

TPMS主要由两个模块（见图2.3）组成：

安装在汽车每个轮胎内部的轮胎模块和安装在汽车驾驶室中的主机模块。

轮胎模块一般由传感器、微控制器和射频发射芯片组成，负责压力和温度数据采样、处理和射频发送。

主机模块一般由射频接收芯片、微控制器、数据显示屏和按键组成。

负责压力和温度数据接收、显示、报警和系统设置。

轮胎模块和主机模块之间采用射频无线通信。

图2.3TPMS模块布局示意图

2.2.2系统设计要求

由于现在汽车轮胎大多是没有内胎的子午胎，因此，将TPMS的轮胎监测模块安装在轮毂上是十分方便和容易的。

但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度是十分恶劣的，压力、温度、湿度变化特别大，所以该模块的设计要按汽车级的要求来选用元器件。

而对于中央监视器，由于其安装在汽车车厢内，环境温度变化不大，电源可以使用汽车的12V～24V电源，因此器件的选用只要是工业级即可，省电的要求也不高。

轮胎监测模块设计的具体要求为：

低功耗、介质兼容性以及无线信号传输的可靠性。

（1）低功耗

在TPMS实际使用过程中，不可能频繁地拆卸轮胎来为监测模块更换电池，故需要做到轮胎监测模块与轮胎同寿命。

本设计采用降低功耗的方法是利用拥有内置加速度计的传感器来检测轮胎是静止的还是运行的，只有当车辆运行时，系统才进行相应的检测和传输，当车辆处于停车状态时，TPMS可以休眠或以很低的频率运行以节省电量。

一般的车辆在公路上行驶的平均时间大约占总使用时间的15%，即车辆处于停车状态的时间比真正行驶的时间要长得多[9]，因此这种方法可以大幅度降低TPMS的功耗。

（2）介质兼容性

组件除了要尽可能的低功耗外，传感器的介质兼容性和可靠性对TPMS而言至关重要，如果没有这些关键特性，整个系统的精确性和可靠性将成问题。

所谓传感器介质兼容性，主要指的与不同种类的介质，如水杨酸、污水、磷酸钠等接触时所表现出来的不受干扰性。

因为轮胎模块是置于轮胎内部的，所以电子组件面对的将是轮胎内部的恶劣环境，包括－40℃～+125℃的宽工作温度范围以及潮湿、灰尘和刹车油等其他介质的侵袭[10]。

TPMS传感器特别容易被腐蚀，因为它的压力进气口必须与空气接触才能监测周围的压力，而好的介质兼容性可以确保传感器能得到全面保护。

（3）无线信号传输的可靠性

TPMS需要着力解决的另一个关键技术是无线信号传输的稳定性和可靠性，特别是高速行驶时的信号传输的稳定性。

由于高速行驶及工作环境比较恶劣，而且汽车内电子产品丰富，信号会出现漂移及时有时无的情况；另外在使用手机、汽车音响等产品时，信号相互会有干扰，信号的稳定性会受到影响，因此，屏蔽和抗干扰等问题就显得尤为重要。

RF发射/接收IC选用时一般需要较高的接收灵敏度，以提高TPMS的工作效率并降低整个系统的生产成本。

第一代TPMS的发射器芯片设计运用的是ASK调制技术，通过SAW共振器产生合适的发射频率，这样的ASK系统非常便宜，但是载有发射器的车轮转动会导致接收场强发生变化，为此，目前的TPMS在晶体振荡器和PLL合成器的基础上运用FSK调制方式来产生中心频率和频率牵引。

在许多OEM应用中，FSK即使在轮子高速运转时都能提供可靠的RF通信。

2.2.3系统功能要求

直接式TPMS系统需要实现的主要功能有：

（1）实时监测每个轮胎的压力、温度、电压情况；

（2）可设定每个轮胎的压力报警上下限；

（3）当某个轮胎的压力过高、过低时，显示该轮胎的ID，温度和压力，并发出声光报警；当某个轮胎内部压力急速下降，并发出快速漏气报警；

（4）轮胎保养换位后，各轮胎ID可重设；

（5）可手动读取各轮胎当前压力值。

2.3系统硬件的总体设计

轮胎压力与温度监控系统是通过先进的传感技术，在汽车行驶过程中，利用传感器来直接测量轮胎的气压和温度，并通过无线调制发射到驾驶室的控制台上，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压和温度状况，并对轮胎漏气、低气压和高温进行自动报警，以保障行车安全。

还可以延长轮胎的使用寿命，有效降低油耗，能保持最佳车辆性能。

通过对TPMS方案设计分析，确定本文系统的总体设计方案如下文所述。

2.3.1轮胎模块的总体设计

轮胎模块实现系统的两个主要功能：

信号采集处理和信号发射。

从压力传感器出来的信号，由微处理器完成采样。

然后由微处理器进行数据分析处理，再进行软件编码，将数据流送给射频发射电路；信号经过调制、编码后发射给接收系统。

轮胎模块设计框图如图2.4。

图2.4轮胎模块设计框图

2.3.2主机模块的硬件总体设计

主机模块包括解调电路、接收数据处理、声光报警及人机接口四部分，如图2.5所示。

解调电路由轮胎发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微处理器串行接口。

微处理器再进行译码，从数据流中提取各轮胎的位置和压力值；然后作出相应的处理，如更新当前压力值，声光报警等。

人机接口部分要包括LED指示，按钮等。

LED主要起指示轮胎位置和显示当前安全状况。

按钮则可以进行系统的功能读取当前轮胎压力大小。

图2.5主机模块设计框图

2.4系统软件的总体设计

系统软件的设计就是为了在硬件电路基础上实现系统的应用智能化，系统软件设计的质量直接关系到系统技术性能的好坏。

在汽车轮胎爆胎预警系统的软件设计中，必须要考虑到系统应用的实际情况和具体技术性能要求，才能设计出符合现场要求的应用系统。

汽车轮胎爆胎预警系统的软件设计根据硬件模块划分，也分为轮胎模块软件设计和主机模块软件设计两大部分，为了开发的便利，其中双方涉及到数据无线收发功能的部分又可以合为无线收发模块。

图2.6是系统软件的功能框图。

图2.6系统软件的功能框图

从图中可以看出，轮胎模块的软件需要具有3种主要功能：

测量、处理数据和发射。

轮胎模块是由一块锂电池供电，锂电池的电池容量通常为750mAh因此需要综合考虑效率与时间，以得到高效率的算法，才能保证系统长期有效地可靠运行。

主机模块虽然没有严格的耗能标准，但接收效率和监控算法仍很重要，因为好的算法可以使主机模块电池使用寿命更长[11]。

软件总体分为4个运行模式：

调试模式（工厂诊断用）、初始化模式、睡眠模式（休眠）和测量模式。

下面对4个运行模式的功能进行介绍：

（1）调试模式

主要执行产品出厂的一些内部测试和诊断功能。

具体包括传感