数字胎压计的设计.doc
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数字胎压计的设计
摘要
摘要：
车胎压力对汽车的安全行驶至关重要，保障车胎压力正常的汽车轮胎压力监测系统监测系统受到国内外汽车工业界越来越多的重视。
本文介绍基于Novasensor公司NPC1210型压阻传感器和89S51单片机的数字胎压计的设计方法。
关键词：
数字胎压计压力传感器传感技术
Abstract：
Tirepressureiscriticaltovehicledrivingsafety.Thusthetirepressuremonitoringsystem（TPMS）isbecominggrowingresearchinterestsathomeandabroad.BasedonNPC1210piezoresistvesensorand8bitscmof89S51,themethodofintelligentelectricalpiesismeterdesignisintroduced.
KeyWords:
Digitalphygmomanometer
目 录
第一章：
绪论 4
1．1数字胎压计系统设计背景及应用前景 4
1．2数字胎压计系统的概述 5
第２章 系统的总体设计 5
2.1系统总体设计方案论证 5
2．1．1方案一：
5
2．1．2方案二：
5
2.1.3.方案三：
6
2．2 系统配置 7
2．3 硬件与软件功能的简要介绍 7
2．4系统的基本构架 8
第３章 系统的硬件的设计 8
3．1 系统的硬件设计 8
3.1.1系统电路相关知识和原理 8
3．2硬件的设计电路图 10
3.2.1系统硬件电路图如下：
10
3.2.2系统电路图动作说明 10
3．3 重要元件的说明 11
3．3．1AT89C51单片机 11
3．3．2NPC1210压力传感器 12
3．3．3 A/D转换芯片TLC1549 14
3．3．4LED 17
3．3．5晶体三极管PNP 17
3．3．6普通运放的仪表放大器LM358 18
第４章 系统的软件设计 19
4．1 软件的设计思想 19
4.1.1系统各功能模块的设计思想 19
4.1.2软件系统框图 21
4.2设计环境及开发工具 21
4.2.1设计环境 21
4.2.2运行环境 21
4.3主要程序流程图 22
4.3.1A/D转换流程图………………………………………………………………………20
4.3.1LED动态显示流程图………………………………………………………………21
4.3.1数据处理程序流程图………………………………………………………………..22
4.4主程序………………………………………………………………………………………23
第5章调试 26
第1章：
绪论
1．1数字胎压计系统设计背景及应用前景
近几年来，电子技术已越来越多地渗透到各种汽车功能中。
过去轮胎常被人们忽视，但如今随着人们对驾驶安全性与舒适性的追求，轮胎故障越来越受到人们的重视。
据统计，在美国高速公路上发生的交通事故有80%由于爆胎引起，在我国这一比例也高达70%。
在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶员最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要起因。
因此怎样防止爆胎，已成为安全驾驶的一个重要课题。
据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气，是有效防止爆胎的关键。
在这个背景下诞生了汽车轮胎压力监测系统，它主要用于汽车行驶时实时地对轮胎气压参数进行自动监测，对轮胎漏气和低压进行报警，以保障行车安全的智能系统。
数字胎压计是汽车上一种新的主动安全技术产品。
近年来,在国内外发展迅速，由于它能够实时监测汽车轮胎的气压,并能及时给驾驶员以警告,因而可以最大限度地避免由爆胎引发的交通事故,提高了汽车的行车安全。
目前汽车轮胎气压监测系统的发展,包括间接式轮胎气压监测系统，直接式轮胎气压监测系统和下一代无电池轮胎气压监测系统（被动式TPMS），展望了未来轮胎气压监测技术的发展趋势:
无电池TPMS将取代现有类型,成为未来TPMS发展的主流。
1．2数字胎压计系统的概述
我们采用半导体压力传感器NPC1210，将我们要测量的胎压信号转换成电压信号，此电压信号极为微弱，因此我们必须将其通过运算放大器LM358，将其放大才能够为我们所用。
由此我们将放大后的电压信号由89S51单片机将其进行A/D转换，再由软件部分将我们所得的数据进行处理，最后由驱动部分将其送入显示部分进行数码显示。
此数字胎压计由压力传感器、微控制器、LED显示器等构成。
在开始测量时打开气阀并把测量结果进行处理和显示。
整个测量过程由89S51控制并完成各种计算，其中重要的进行A/D转换以及LED数码管动态显示的软件处理.这也是我们研究的重点和关键所在，下面将作详细说明。
第２章系统的总体设计
2.1系统总体设计方案论证
2．1．1方案一：
采用模拟分立元件以及相关芯片，如电容、电感或晶体管等非线形元件、以及MAX138等相关功能芯片，实现实时的胎压的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。
2．1．2方案二：
采用集成的单片机主控，通过压力传感器将胎压信号送入带A/D转换的单片机中，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。
原理原理框图如下：
压力传感器
显示器
微处
理
器80S51
图2-1方案二原理图
2.1.3.方案三：
采用单片机主控，通过压力传感器、A/D转换采集数据信息，经过含有单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。
原理框图如下：
单片机控制的检测系统
单片机控制的主控制器
A/D转换器
压力传感器
显示器
总线
图2-2方案三原理图
综上所述，方案三电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标多，但方案三利用PC机平台实现软件操作，在操作运行复杂，并且性价较底，因为耗费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。
2．2 系统配置
我们以AT89C2051单片机为整个系统的核心，通过传感器对胎压信号的采集、放大等处理完成胎压参数的自动获取，以及进行数字显示等等。
AT89C2051单片机中自带有比较器，因此它给我们的设计提供了很大的方便。
我们可以直接利用其一端输入我们的胎压转换后发电压信号，另一端输入我们的标准波形电压信号将其进行A/D转换。
在此过程当中我们还必需利用AT89C2051单片机内部的定时器对其进行度量，再使用软件模块对起进行处理，即得到了我们的 A/D转换的结果。
进行多次A/D转换后，我们就可以采集到一序列的数据，对这些数据进行适当的处理，把其送入显示模块进行显示，进而达到了我们对整个系统设计的基本要求。
2．3 硬件与软件功能的简要介绍
一个系统的设计很大部分决定于我们的硬件设计。
有了足够的硬件资源，软件设计的功能才有实现的可行性。
在硬件的设计上最为重要的是传感器和出处理器单片机的选择，当然电源的稳定性和可靠性也非常关键。
在硬件设计中我们采用NPC1210型压阻式传感器，由硅光电池供电，在没有使用时会自动将转化后的电能储存在蓄电池中，这款蓄电池的蓄电能力将可以提供给我们4次左右的测试电量。
当输入一个为P的压力时，经NPC1210压阻式传感器将压力P转化为模拟电信号I进入放大器，再由89S51单片机的比较端口将其进行A/D转换，再有软件部分将我们所得的数据进行处理，最后由驱动部分将其送入显示部分进行数码显示。
从胎压信号的A/D转换到有用数据送入显示模块都少不了软件模块的强大处理功能。
本胎压计实现方案需使用单片机的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及P0口因此，笔者选用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９S５１单片机，该器件与８９S５１兼容，具有２ｋＢ的可重复编程闪存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作电压范围，１２８Ｂｙｔｅ的内部ＲＡＭ以及两个Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２个１６位的计数器／定时器和６个中断源，并可直接驱动ＬＥＤ输出，同时带有可编程的串行通讯口。
另外，该单片机还具有体积小，价格低等特点。
首先我们要把AT89S51单片机的内部个模块及端口进行初始化以准备各个功能模块的调用。
我们送入AT89S51单片机内的是模拟信号，因此我们需要用软件编程的方式将信号进行A/D转换，数据采集，数据处理。
2．4系统的硬件基本构架
我们设计的数字胎压计的系统基本结构图如下图所示：
显示器
微处
理
器80S51
A/D转换器
压力传感器
图2-3系统基本结构图
第３章 系统的硬件的设计
3．1 系统的硬件设计
3.1.1系统电路相关知识和原理
3.1.1.1何谓胎压
不同类型的车胎，在出厂之前都有一个标定的额定压力，这个额定压力就是胎压。
在这个压力之下，会使汽车的负载能力、驱动动力、燃料消耗量和驾驶舒适性都综合达到最优。
低于或高于这个额定压力的一定范围，都会导致轮胎故障。
常见的轮胎故障有：
温度效应故障，自然压力流失，穿刺导致的缓慢压力下降，爆胎等。
3.1.1.2如何将胎压转换成电压
知道了胎压计的原理之后，我们选购压力传感器，主要的目的是想要将胎压这个物理量转换成电压的讯号，它的工作原理是透过pump的充气、漏气来调整气体的压力。
因为压力让压力传感器内部的材料发生形变，在经过惠司登电桥后反应出相对的电压差，反过来我们也可以从其电压的变化知道当时的压力。
3.1.1.3如何将讯号表达
我们将获得的胎压讯号经由A/DConverter的转换，再将其转换后的数据显示在LED数码管上。
3.1.2系统硬件整体组成
数字胎压计由压力传感器，电磁气阀、微控制器、LED显示器等构成。
在开始测量时，打开气阀，89S51单片机将A/D转换后的数据进行存储与处理，以便得到我们需要的数据，并进行LED动态显示。
3．2硬件的设计电路图
3.2.1系统硬件电路图如下：
系统硬件电路图见附图
（1）
3.2.2系统电路图动作说明
压力通过压力传感NPC1210压力传感器将压力转换成电压信号送给
A/D转换器TLC1549，TLC1549生成的数据送入单片机89S51，经过单片机处理在LED上显示出来。
3．3 重要元件的说明
3．3．1AT89C51单片机
89S51只比89C51增加了一个看门狗功能。
89S51的其它功能可以参见89C51的资料
所以下来主要介绍89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图3-1AT89C51实物图
主要特性：
· 8031CPU与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
·全静态工作：
0Hz-24KHz
·三级程序存储器保密锁定
·128*8位内部RAM
·32条可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
· 6个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
3．3．2NPC1210压力传感器
传感器以及电路的工作原理：
采用Novasensor公司的压阻式传感器。
代号为1210（单引压管的为1210，其余两个是形成差动的410/1220型）。
其芯片图如下所示。
其主要特点是：
低成本，可互换性；图3-2NPC1210压力传感器实物图
双列直插式（DIP）结构，可用于印刷电路板（PCB）安装；
可测液、气等兼容介质；
恒流1.5mA供电；
压力范围：
0~2.5Kpa至0~700Kpa；
高精度：
±0.1%。
1210芯片的主要工作原理：
在芯片的上方有一个引压管（差压的为两个引压管，以达到相互补偿抵消部分误差的作用）。
通过这个引压管将被测量引入到电路来。
在芯片的内部有一个电桥，当压力引入或者压力改变的时候，电桥上的四个电阻中的一个或者几个当有输入的时候，由于本次实验采用的是单引压管，所以：
V0（U0/4）*（△R1/R1）。
没有形成差动，故将增加一定的误差。
性能指标
特性
单位
NPC-1210（微压）
压力
范围
Psi
0—10water
0--1Psi
过载
额定压力
5Psi
物理特性
重量
克
2.5
介质兼容性
材料为：
玻璃，陶瓷，硅，环氧树脂，RTV及傈等；
表压，差压（正压）接口可接触兼容性湿性介质；绝压，差压（负压）口可接触兼容干燥气体
环境条件
补偿温度
°C
0—60
工作温度
°C
-40—125
储存温度
°C
-55—150
电参数
测试环境温度25°C
Min,Typ,Max
供电
mA
-1.52.0
零点输出
mV
--2
满度输出
mV
（10）255070
（iPsi）5075110
线性
±%FSO
--0.5
压力迟滞
±%FSO
--0.1
表11210芯片性能指标
3．3．3 A/D转换芯片TLC1549
1．概述
TLC1549是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器。
它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSBMax（4.8mV）等特点。
1．1TLC1549的引脚及功能
TLC1549是10位串行A/D转换器。
各引脚及功能如下：
（1）REF+：
基准电压的“+”端，通常接+VCC。
（2）ANALIN：
模拟信号输入端，使用要求被测量信号要有大于10mA的电流驱动能力。
（3）REF-：
基准电压的“-”端，通常接GND。
（4）GND：
模拟信号和数字信号的接地端。
（5）CS（-）片选信号端，低电平有效。
（6）DATAOUT：
转换数据输出端，当CS（-）=0时，在时钟的作用下，将数据从高位到低位依次输出；当CS（-）=1时，呈高阻态。
（7）I/OCLOCK：
时钟输入端，允许的最大时钟频率为2.1MHZ。
在时钟的下跳沿输出数据。
（8）Vcc:
电源输入端，电压范围：
+4.5V≤Vcc≤+5.5V。
1.2TLC1549与单片机的连接
工作原理：
在芯片选择（CS）无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。
当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。
串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。
I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。
开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。
图3-3TLC1549与单片机的连接图
在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。
10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。
为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。
如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。
在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。
由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低电平。
1．3应用介绍
1）TLC1549的理想转换特性。
（1）此曲线基于下列假设：
VREF+和VREF-已被调整以便从数字0至1跳变的电压（VZT）为0.0024V，满度跳变电压（VFT）为4.908V。
1LSB=4.8mV。
（2）满度值（VFS）是指其额定中点（midstep）值具有最高的绝对值的那级台阶。
零度值（VZS）是指其额定中点（midstep）值等于零的那级台阶。
3．3．4LED
1.静态显示：
当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。
静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。
2.LED动态显示器：
一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的某一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
若显示器的位数不大于8，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各位所显示的字型也只需一个8位口。
3．3．5晶体三极管PNP
晶体三极管是由形成二个PN结的三部分半导体组成的，其组成形式有PNP型及NPN型。
我国生产的锗三极管多为PNP型，硅三极管多为NPN型，它们的结构原理是相同的。
三极管有三个区、三个电极。
其中基区（三极管中间的一层薄半导体）引出基极b；两侧有发射区引出发射极e及集电区引出集电极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。
在电路符号上PNP型管发射极箭头向里，NPN型管发射极箭头向外，表示电流方向。
电话机中常用的PNP型三极管有：
A92、9015等型号；NPN型三极管有：
A42、9014、9018、9013、9012等型号。
晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法：
共发射极电路共集电极电路（射极输出器）共基极电路在我们的设计中主要用的是共集电极电路。
3．3．6普通运放的仪表放大器LM358
3.3.6.1概述（Description）:
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
3.3.6.2特性（Features）:
内部频率补偿
直流电压增益高（约100dB）
单位增益频带宽（约1MHz）
电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
双电源（±1.5一±15V）
低功耗电流，适合于电池供电
低输入偏流
低输入失调电压和失调电流
共模输入电压范围宽，包括接地
差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
输出电压摆幅大
第４章 系统的软件设计
4．1 软件的设计思想
4.1.1系统各功能模块的设计思想
4.1.1.1初始化模块
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联络的设定。
同时开辟缓存区。
在主程序模块中我们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等。
其中最为关键的是连接子程序的各个功能模块。
4.1.1.2A/D转换模块
单片机接受传感器的电压值为模拟信号，它要和A/D转换模块的锯齿波发生装置发送过来的标准模拟信号相比较，即通过P1.0和P1.1引脚进行比较，同时开发定时器0，当待测模拟信号超过标准模拟信号时，P3.6引脚信号将会发生变化，此时的定时器0的值通过量纲转化就得到了相应的数字信号.
4.1.1.3数据处理模块
数据处理模块主要是对A/D转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进行处理，此处理过程主要是对采集的╰据进行最值的选起，以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲区，为后面的显示模块作好准备。
4.1.1.4显示模块
用AT89S51单片机的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口接数码管的a－h端，8位数码管的S1－S8通过74LS138译码器的Y0－Y7来控制选通每个数码管的位选端。
AT89S51单片机的P1.0－P1.2控制74LS138的A，B，C端子。
由于我们选用的数码管为4位，所以我们可以直接把P1.2接低电平上。
能够比较平滑地看到拉幕的效果。
在数据的显示模块中，我们采用的是LED动态动态显示的方式。
其具体的实现过程在上述设计思想中详细的说明。
7段数码管选用共阳连接方式，通过口输出编码后的段码，对应笔画为“高电平“时点亮。
位码要由译码决定：
“０００”时Ｌ１点亮；“００１”时Ｌ２点亮．．．．．。
4.1.2软件系统框图
数字胎压计系统模块组成
基于单片机的
胎压检测系统
初始化模块
A/D转换模块
数据处理模块
显示模块
图4-1软件系统框图
4.2设计环境及开发工具
4.3.1设计环境
在软件设计中，遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，使之具有良好的模块性、可修改性及可移植性。
根据MCU系统所完成的任务，对于人机交流环节采取直观易懂，操作简单的图形界面。
4.3.2运行环境
软件：
操作系统Windows95/98或WindowsNT3.51以上版本。
硬件：
结点设计部分以AT89S51为核心。
4.3主要程序流程图
4.3.1A/D转换流程图
片选有效，启动转换
读取前两位数据
前两位数据送R3
读取后8位数据
后8位数据送R4
关闭转换，时钟低电平
子程序返回
图4-2A/D转换流程图
4.3.2LED动态显示程序模块流程图
保护现场
设置动态扫描次数
查表显示十位数
查表显示个位数
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