基于单片机的轮胎压力检测报警器的设计与实现

中北大学2009届毕业设计说明书

目 录

1 绪论 .............................................................. 1 1.1 课题的提出背景及研究意义 ........................................ 1 1.1.1 课题的提出背景 ................................................ 1 1.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势 .......................... 2 1.2.1 TPMS 的应用现状 ............................................... 2 1.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势 .................................. 3 2 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理 .................................. 5 2.1 系统工作原理 ..................................................... 5 2.1.1 轮胎爆胎机理 .................................................. 5 2.1.2 轮胎气压实时监测算法 .......................................... 7 2.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计 ................................ 8 2.2.1 系统方案论证 ................................................... 8 2.2.2 系统设计要求 .................................................. 9 2.2.3 系统方案设计 ................................................. 11 3 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计 ............................... 13 3.1 系统硬件设计 ................................................... 13 3.2 轮胎模块设计 ................................................... 13 3.2.1 核心微控制器 MC68HC908RF2 .................................... 14 3.2.2 测量电路设计 ................................................. 15 3.2.3 发射电路设计 ................................................. 16 3.3 主机模块设计 ................................................... 19 3.3.1 核心微控制器 MC68HC908KX8 .................................... 19 3.3.2 接收电路设计 ................................................. 20 3.3.3 人机接口 ..................................................... 21 3.4 显示电路设计 ................................................... 23 3.5 系统功耗设计 ................................................... 24 3.6 系统硬件设计的抗干扰技术 ....................................... 26 4 汽车轮胎气压实时监测系统的软件设计 ............................... 27

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4.1 系统软件设计 ................................................... 27 4.2 MC68HC908 系列微控制器的程序开发 ............................... 27 4.2.1 汇编程序框架结构 ............................................. 28 4.2.2 汇编程序框架结构 ............................................. 28 4.3 轮胎模块的软件设计 ............................................. 29 4.3.1 轮胎模块的监控软件及其中断子程序 ............................. 30 4.3.2 传感器测量程序及算法 ......................................... 31 4.4 数据无线收发模块的软件设计 ..................................... 32 4.4.1 数据无线收发的通信协议 ........................................ 33 4.4.2 数据无线发射软件设计 ......................................... 34 4.4.3 数据无线接收软件设计 ......................................... 34 4.5 主机模块的监控软件设计 ......................................... 36 4.6 汽车轮胎气压实时检测系统软件设计的特点 ......................... 36 5 结论 ............................................................. 39 5.1 本文工作总结 ................................................... 39 5.2 今后待研究的问题 ............................................... 39 参 考 文 献 ......................................................... 41 致 谢 .............................................................. 43

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1 绪论

汽车时代的到来，改变的不仅仅是人们的代步方式，更有人们的生活方式乃至整个社会文化。同样，一个时代的典型核心技术产品也带动着整个产业的技术发展趋势。随着家用汽车对现代家庭日常生活的冲击，汽车的安全与环保，已不仅仅是汽车产品性能的体现，更代表着未来汽车工程科学与相关学科的发展方向。智能化系统无处不在地发挥着它们的效能，为人类社会文明进步、经济发展保驾护航，同样也被大量地应用到汽车产品上。把现代电子技术的发展成果应用到汽车产品上的汽车电子技术，必将有力地推动安全、环保的汽车时代的到来。 1.1 课题的提出背景及研究意义

轮胎气压实时检测系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置，在汽车

行驶时对轮胎气压进行实时自动监测一种先进主动式安全装置，国际上通常又被叫做轮胎压力监测系统，英文通称 Tire Pressure Monitoring System，简称 TPMS[1]。轮胎压力监测技术是当前汽车工业领域汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车的智能安全及环保节能的发展方向，将成为未来汽车必备的安全驾驶配备之一，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。 1.1.1 课题的提出背景

轮胎是汽车行驶系统的重要部件之一，其性能的优劣，将直接影响汽车的行

车安全和运行效率。保持合适的轮胎压力是每个汽车驾驶员都应时刻关注的问题，轮胎充气压力超过或低于标准压力值，轻则增加车辆油耗，缩短轮胎使用寿命，重则威胁行车安全。轮胎气压不足，容易导致轮胎内壁帘线的松散断裂；轮胎气压高于标准值时，磨损加剧，花纹底部开裂，汽车的平顺性变坏，导致汽车操纵性能降低。行驶中如遇到障碍物的冲击，则易发生轮胎破裂，缩短轮胎的使用寿命，影响汽车的行驶安全性。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%~20%；对于轿车，其轮胎压力每下降 0.05MPa，其承载力就减少 100N[1]。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据，约 80%的轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。可见，标准的轮胎压力对汽车的正常行驶极其重要，这在汽车高速行驶时显得更为突出。

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当汽车高速行驶时，如果轮胎压力低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，会造成局部超载而加剧轮胎的磨损；由于气压不同的双轮胎并装，使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损或爆胎。安全专家指出：时速超过 160 公里以上，爆胎而造成的死亡率几乎接近 100%。在中国高速公路上发生的交通事故有 70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达 80%，每年有 26 万起交通事故是由于轮胎压力偏低、偏高或渗漏引起的，造成巨大的经济损失和生命危害。

综上所述，本文的研究意义主要体现在以下几方面：

首先，随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高，汽车越来越多地进入普通家庭，汽车行驶的安全性也越来越为人们所重视。潜在的巨大市场需求和系统实现上的技术可行性条件成熟，使得研究轮胎压力和温度监测系统已刻不容缓。

最后，随着美国政府出台对汽车轮胎压力监测产品强制性安装的法规，欧洲和日本也处于建议安装阶段，使得这一技术的应用前景极为看好。良好的应用前景和巨大的市场规模将有力地推动该技术的推广，并取得巨大的经济效益和社会效益。

1.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势

轮胎压力监测系统（TPMS）技术早在上世纪 80 年代就已提出，但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境，而仅停留在设想层面上。随着近几年来汽车工业和交通事业的发展，汽车的速度越来越高，拥有汽车的家庭越来越多，由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。结合新的无线射频应用技术和集成电路工艺，研制 TPMS 已经提到日程上来。 1.2.1 TPMS 的应用现状

在 TPMS 及相关技术的研究发面，西方汽车工业发达国家在近几年都取得了

相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的 MarkⅡ型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。2002 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程（AEl）评为当年 20 个最有价值的汽车产品之首。

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这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子 VDO 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵（Tire Guard）监测装置，英国 A.I.R.汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神（Tire Shield）监测装置；法国米其林集团公司与威柏可（Wabco）公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置；德国 BEAU 公司与美国 Lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。

从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了 TPMS。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力监测技术产品来看，通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的新发展方向，也揭示了一种新的行车安全防范理念。美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早，而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品，要么系统工作寿命极短，要么系统在低温或高温环境下失效，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理，如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严”，但价格高昂。因此，研制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。 1.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势

当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置[2]。

直接轮胎压力监测装置，要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。

间接轮胎压力监测装置，要求使用车辆防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力变化。ABS 是通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱

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