双向式汽车轮胎压力监测系统主机设计

本科生毕业设计双向式汽车轮胎压力监测系统主机设计 系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程 B05-17班 学生姓名： 张鑫 指导教师： 吕德刚 职 称： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院二九年六月The Graduation Design for Bachelors Degree The Design for the Main Engine of Bidirectional Tire Pressure Monitoring System Candidate：Zhang XinSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B05-17Supervisor：Lecturer Lv DegangHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin24 / 30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和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。汽车轮胎气压监测系统(TPMS)主要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，是驾车者、乘车人生命安全的保障预警系统。本文在对当前存在的各种TPMS系统结构形式分析和比较后，提出了一种新型的直接式TPMS系统。本课题主要研究直接式TPMS系统的主机模块，包括设计数据处理单元和无线网桥两大部分的内容。在整体研究了TPMS系统的基础上，重点论述主机模块的结构特点和设计依据、各模块的设计过程，以及各个元件的连接方式。关键词：TPMS；轮胎；汽车；压力；温度；监测ABSTRACTWith the development of social economy and technology. Road transportation has been playing more and more important role in our life. But the traffic accident attached do a great damage to our life and make a lot loss to economy. Tire blowout is the main cause. The key point to avoid tire blowout is to hold standard pressure and aware of the leakage of tire in ti- me. Tire Pressure Monitoring System (TPMS) is mainly used to monitor tire pressure when running and alarm the leakage and low pressure of tire, so it is a safeguard to drivers and p-assengers.This paper analysis the current structure of the various forms of TPMS systems and co- mparison them, then give a new direct-type TPMS system. The main research topics of dire- ct-type TPMS module mainframe systems, including the design of data-processing unit and a wireless bridge most of the content of the two. In the overall study of the TPMS system on the basis of the module focuses on the structural characteristics of the host and design based on the module design process, as well as ways to connect the various components.Key words: TPMS; Tire; Car; Pressure; Temperature; Monitor目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 与TPMS发展相关的技术11.1.2 存在的问题21.2 课题研究的目的和意义31.2.1 压力对轮胎性能的影响31.2.2 课题研究的意义41.3 TPMS的历史、现状和发展趋势41.4 主要研究内容7第2章 TPMS整体系统方案选择82.1 传统TPMS系统的实现方案82.1.1 间接式TPMS系统82.1.2 直接式TPMS系统82.1.3 直接式TPMS系统与间接式TPMS系统的比较92.1.4 传统直接式TPMS系统的缺陷92.2 TPMS系统整体结构设计102.3 TPMS系统安装方式112.4 本系统与传统TPMS系统比较所具有的优点112.5 本章小结11第3章 TPMS主机模块总体设计123.1 TPMS主机模块设计要求123.2 TPMS系统主机方案133.2.1 TPMS系统主机框图133.2.2 TPMS系统主机模块组成133.3 TPMS系统主机技术指标143.4 本章小结14第4章 TPMS系统主机硬件设计154.1 基于单片机PIC16F877的中央处理器的设计154.1.1 单片机PIC16F877简介154.1.2 PIC16F877异步/同步收发器(USART)的设计与应用164.2 显示/报警电路设计164.2.1 LED指示灯的设计174.2.2 液晶显示模块设计174.2.3 显示/报警电路原理图174.3 键盘输入电路设计184.4 主机数据处理单元原理图194.5 本章小结19第5章 TPMS系统主机的软件设计205.1 汇编语言205.2 显示/报警电路程序设计215.2.1 LED报警子程序215.2.2 喇叭报警程序设计235.2.3 LCD显示程序的设计235.3 单片机程序设计255.4 本章小结26结论27参考文献28致谢30附录31附录A.系统程序31附录B.外文文献原文41附录C.外文文献翻译46第1章 绪 论1.1 课题背景轮胎压力监测系统（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。1.1.1 与TPMS发展相关的技术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。应用于汽车工业的最典型的电子控制装置是汽车发动机点火控制系统。该系统从早期单一控制发动机点火时刻开始，经过逐年完善，已从单功能控制发展到多功能控制，即从单一的点火时刻控制开始逐步扩展到废气循环，空燃比以及怠速转速等多项内容的控制，实现了汽车发动机的综合控制。由于电子应用技术在汽车发动机综合控制中取得了显著成效，从而促进了世界各知名汽车生产企业对汽车电子应用技术的引进和推广。现在，电子控制技术已渗透到汽车的各个组成部分中，如制动防抱死系统、自动变速系统、信息显示系统等都在不同程度上采用了微机处理技术和电子控制技术，它们对提高汽车的安全性、灵活性、和方便性直至汽车整体综合性能具有十分重要的意义。事实证明，采用电子控制装置对提高汽车的安全性、可靠性、舒适性、经济性、操纵性，以及改善汽车的运动学和动力学性能并减少废气排放，都具有显著的效果。相关统计表明，当前汽车内部电子产品的价值已经达到了整车价值的30%左右，并且在进一步的提高。（3）微机电技术微机电系统是指集微机型机构、微型传感器、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。此外，由于容易集成和复合，可以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。1.1.2 存在的问题随着TPMS核心技术压力、温度传感器技术和其他重要技术的发展，TPMS系统的到了快速的发展，但是在目前的TPMS系统中，由于没有能够突破结构设计中的瓶颈，仍然存在以下问题：（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。（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，但是目前并没有像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 压力对轮胎性能的影响在影响轮胎性能的诸多因素中，充气压力是极其重要的一个。轮胎气压对轮胎的承载性能、高速性能、制动性能、防滑性能、耐久性能、抗刺穿和耐爆破性能都有着重要影响，可以说气压是轮胎的生命。（1）气压过低对轮胎性能的影响气压过低，轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力随着胎温升高，易使胶料的物理性能受到破坏，从而导致以下影。1）轮胎在负荷下变形加大，胎肩与地面接触部分的磨耗增大，胎面磨耗不均，轮胎生热快，造成脱层。2）轮胎碰到障碍物时，由于冲击力大，胎体帘线易断裂，致使轮胎爆破。3）轮胎生热高，加速内胎损坏。4）并装双胎气压过低，相邻的两胎胎侧互相挤压、摩擦而损坏。如一胎气压过低 则加大另一胎的负荷而促使轮胎早期损坏。5外胎在轮辋上有时发生转动，易引起气门嘴脱落，而且驱动轮上的轮胎易损坏。 6）轮胎滚动阻力增大，燃料消耗增加，转向性能差。7）在坏路面上高速行驶，造成胎冠损伤有小洞眼、花纹掉块。8）在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱离、胎里和胎体碾伤。9）轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增加或移位导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散。（2）气压过高对轮胎性能的影响气压过高，轮胎帘线过度伸张，胎体弹性降低，刚性增大，单位压力增大，胎冠部接地面积减小，同时磨耗增加，胎面花纹易裂口，行驶中一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。汽车在同样使用条件下行驶，轮胎缓冲性能差，冲击震动大，操纵性能差，特别是在坏路面上行驶时，轮胎易产生机械损伤，影响行车安全。（3）气压与行驶里程的关系气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程。气压过低，轮胎变形为外张内缩，导致生热增加，加速橡胶老化、疲劳，出现脱层现象等；气压过高，轮胎接地面积小，磨耗量增大1。1.2.2 课题研究的意义轮胎压力监测系统可以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通过轮胎压力监测系统-TPMS及时地对驾驶员进行预警，可以提高轮胎的安全性能，进而可以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，目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，目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。通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常，就可以有效的解决因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。轮胎压力监测系统蕴含着巨大的经济效益。目前，世界汽车市场正在稳步扩大，这种状况在中国更加明显，因为随着中国经济的增长和汽车整体价格的下降，将会有越来越多的中国消费者具有购买汽车的能力和愿望。另一方面，随着因轮胎压力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越来越多的厂家开始重视轮胎压力监测问题，目前已经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系统。可以预见，在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和ABS、安全气囊一样成为汽车的标准配置。巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企业将会出现，创造巨大的经济效益。1.3 TPMS的历史、现状和发展趋势（1）TPMS的历史轮胎压力监测系统-TPMS的概念出现在上世纪80年代，到90年代已经有部分欧洲的高档轿车配备了用于测量轮胎温度和压力的传感器。到90年代末，轮胎压力和温度问题开始备受人们关注，这是因为当时的一些汽车组织对1995年汽车事故的研究过程中发现，在1995年发生的致命的汽车交通事故中，有647次与汽车轮胎胎压有关。同时期的另一项调查研究表明，85%的轮胎损毁是因为轮胎的胎压不足和胎压渐失引起的，美国 轮胎商业 杂志对76辆汽车的统计表明，有72.3%的汽车的轮胎胎压不足。由此可见，一方面轮胎压力和温度对交通安全有重要影响；另一方面，缺少一种可以方便的帮助汽车驾乘人员查看汽车轮胎压力和温度状况的设备。所以，轮胎压力监测系统开始迅速发展。最初的轮胎压力监测系统是间接式TPMS，它的最大优点是不受压力传感器的限制，1997年通用公司的部分汽车中就配置了这种间接式TPMS。随着传感器技术的发展，压力传感器产品已经能够满足TPMS系统的要求，从此以后直接式TPMS开始迅速发展。在国际市场，2000年5月，直接式TPMS在美国上市；2002年发布的世界新车资料中显示，美国福特公司的林肯大陆，戴姆勒克莱斯勒公司夏天上市的道奇(Dodge)迷你厢型车，以及Chrysler 300M等系列车型，都将装设直接式TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中，其中包括:宝马公司的28、欧宝公司2002年版威达、雪铁龙公司的C5、阿斯顿马汀公司的超级跑车Vanquish、旁蒂克的旗舰BonnevilleSE等等。 国内汽车制造巨头也已开始考虑将TPMS作为原厂装备的标准配置。日本ALPS电气2003年5月从德国IQ-Mobil GmbH获得了不使用电池的TPMS技术并签订了独家专利授权合同，借用该技术开发的TPMS已通过欧洲和美国的电波法认证试验，于2004年6月起提供工业样品，2005年量产供货。（2）TPMS的现状在已有的TPMS系统中，有直接式和间接式两种类型，目前还没有具有实用价值的第三种类型的TPMS系统出现。直接式TPMS系统首先需要传感器实时测量每一个轮胎中的压力和温度，然后利用无线通信方式与TPMS主机(一般放置在汽车驾驶室内)进行通信，主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息，并且在轮胎气压过低、过高、有漏气或轮胎内温度异常时发出声音报警。间接式TPMS系统的依据是：当行驶中的汽车的轮胎气压变化时，车身的重量会使轮胎直径变化，轮速也会发生变化；此时通过汽车ABS（自动防抱死系统）的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，就可以达到监视胎压的目的。和直接式TPMS系统相比较，间接式TPMS系统相对便宜，己经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级即可使用间接系统。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，而且无法监测出多个轮胎同时低压或高压的情况，这些缺陷限制了间接式TPMS系统的发展。另一方面，随着传感器技术的发展，压力传感器的成本已经大幅度下降。由此可见，在未来的TPMS系统中，直接式TPMS系统必将占据主导地位。（3）TPMS系统展望汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个具有极强生命力的主题。因此，TPMS将成为汽车安全保障系统之一。而TPMS发射模块将向高度集成化、单一化、无线化和无源化方向发展。随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，在未来几年内将会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时胎压遥测模块只由一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。TPMS系统发展的进一步发展有可能会是智能轮胎。米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，压力测量、温度监测和信号发射装置被埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间(一般为1-7年)发挥作用；作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而TPMS汽车胎压监测系统毫无疑问将是理想的工具。美国、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码7.5元美金，差不多是中国工人的日工资，面对量大的产品需要降低生产成本，TPMS的生产正在转向中国。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。因此，目前我们国内己有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。目前，TPMS主要分为两种类型：一种是间接式TPMS，它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的，其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂亚电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压、温度，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、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS。国内多数汽车厂家目前已开始进行这方面的研究，中国加入WTO以后，随着国际化的要求，和国产汽车的出口，相信国内厂家会跟上这个步伐。中国TPMS的前装和后装市场己经启动，预见前装市场（汽车生产厂家原装）将比后装市场（汽车购买后安装）跑得更快, TPMS产品技术TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的发射模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。除此之外中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点2。本文中凡是没有明确说明的，所提到的TPMS均是指直接式TPMS。1.4 主要研究内容由以上论述可知，直接式TPMS系统主要由主机模块和从机模块组成。本课题主要研究直接式TPMS系统的主机模块，包括设计数据处理单元、显示/报警电路、RF射频电路三大部分的内容。在整体研究了TPMS系统的基础上，重点论述主机模块的结构特点和设计依据、各模块的设计过程，以及各个元件的连接方式。全文比较全面的介绍了TMPS系统概念，体现了本课题的意义；对TPMS系统整体结构和安装方式进行研究，并且说明当前的TPMS系统的结构和安装方式，对本系统和当前TPMS系统作比较，论述本TPMS系统的优势；提出主机模块的总体设计方案，该设计方案不仅使主机模块完善的具备了TPMS主机模块的功能，且具备较强的扩展性能；详细论述TPMS主机系统数据处理单元设计，论述数据处理单元内各模块的设计方法和过程；论述系统软件的设计，对数据处理单元进行编程，完成规定的作用；论述系统测试与对TPMS系统的展望，证明本TPMS系统的可行性和优越性，并对整个研究过程作总结。第2章 TPMS整体系统方案选择 2.1 传统TPMS系统的实现方案TPMS系统，根据其判读轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类：第一类是间接式TPMS，这是一种基于车轮转速监测轮胎压力的TPMS，它通过比较各个车轮转速的不同监测汽车的某一个车轮的轮胎气压状况。第二类是直接式TPMS，这是一种通过温度/压力传感器测定轮胎压力和温度的TPMS，测定的数据需要通过无线方式发送到主机模块处理。主要说明传统的直接式TPMS系统的主机模块的实现方案。2.1.1 间接式TPMS系统间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。上海通用别克轿车安装的即是这种间接式TPMS。当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足。该类型系统的主要缺点是无法对速度超过10公里/小时的情况进行判断。同时，由间接式TPMS判断轮胎缺气的原理可知，当多于两个轮胎同时低压或高压时，系统将无法正常工作。2.1.2 直接式TPMS系统直接式TPMS是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和温度，并通过无线调制将数据发送到TPMS系统主机。安装在汽车驾驶台附近的主机监视器实时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状态，当轮胎气压出现太高、太低或有渗漏情况时，系统会自动报警。直接式TPMS系统的结构框图2.1所示。传统TPMS系统的主机直接安装在汽车仪表盘下方。从机安装在轮胎的轮毂或者是轮胎气嘴附近。直接式技术的优点是：它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各个品牌的轮胎。2.1.3 直接式TPMS系统与间接式TPMS系统的比较直接式TPMS系统和间接式TPMS系统各有其优点，如表2.1所示。主机模块无线信号收发数据处理单元从机2从机4从机3从机1从机模块图2.1 传统直接式TPMS系统结构框图表2.1 直接式TPMS与间接式TPMS比较直接式TPMS间接式TPMS测量方式直接测量间接测量物理参数压力、温度不同轮胎的旋转半径关键硬件构成传感器、中央处理器ABS系统、中央处理器压力测量精度0.1Pa30%温度测量精度2无成本需要附加成本，较高基于ABS系统，较低由上表可知，直接式TPMS系统相对于间接式TPMS系统具有更好的测量精度。在人们对测量精度的要求越来越高的今天，直接式TPMS系统是更好的选择，本系统设计即是基于直接式TPMS的，通过改进系统结构、增加系统功能，设计适用于当前汽车的TPMS系统。2.1.4 传统直接式TPMS系统的缺陷在传统直接式TPMS系统中，用一个RF接收电路，与所有安装在轮胎轮毂上的从机模块中的RF电路通信。采用这种结构的TPMS系统存在的缺陷如下：（1）RF接收电路与从机电路的距离较远，而且由于RF接收电路安放位置的局限，在轮胎高速转动时，容易发生无线屏蔽，导致通信中断和数据丢失，这种中断有可能引起主机模块无法正常工作。（2）用一个RF接收电路同时与所有的从机模块中的RF电路通信，则当所有的从机模块中的RF电路同时发送数据时，由于占用的频段相同，很容易使几个RF接收电路引起数据冲突，导致发送的数据无法被准确接收。（3）由于从机电路安装在轮胎内部，RF接收电路与从机电路的距离较远，所以要求从机电路的无线发射功率较大，从而大大减少了电池的工作寿命。（4）从机模块安装在轮毂上，导致从机模块受到很大的离心力的影响，降低了从机模块的工作效率，而且从机模块的维修需要先扒掉车辆的轮胎，给野外维护带来极大的不便。由以上分析可知，传统的TPMS系统在无线通信、系统维护、功耗等方面存在缺陷，这也是现有TPMS产品无法大规模使用的关键原因。2.2 TPMS系统整体结构设计本课题TPMS系统采用直接式，设计主机模块的结构。主机模块由数据处理单元、显示/报警电路和RF射频电路组成。本课题TPMS系统采用的结构形式如图2.2所示。主机模块数据处理单元 RF射频电路从机4从机1从机2从机3从机模块 图2.2 TPMS系统结构框图由图可知，本设计的TPMS系统中，主机模块包括一个数据处理单元、LCD显示模块、报警模块、射频收发模块、转速传感器等。基于以上结构的TPMS系统工作过程如下：从机模块首先通过每个从机电路中的传感器采集轮胎内部的压力和温度信息，然后处理并存储；从机电路中的无线收发芯片接收到主机发送的数据请求后将信息以无线方式发送；主机模块中的无线收发芯片接收信息并存储；当主机模块中的数据处理单元给从机发送接收数据请求后，从机将数据送入数据处理单元；数据处理单元接收到数据后通过相应的处理，实时显示各个轮胎的压力/温度状况，并且提供在轮胎压力/温度出现异常时及时报警等功能。2.3 TPMS系统安装方式TPMS系统安装分两部分：主机模块的安装和从机模块的安装。本课题TPMS主机模块的安装方式如图2.3所示。天线天线传感器/发射器显示器接收器图2.3 TPMS主机模块安装方式由图中可以明显的看出，本系统的主机采用创新性的结构和安装方式，虽然复杂了一些，但是为解决当前TPMS系统的局限提供了良好的基础。2.4 本系统与传统TPMS系统比较所具有的优点 本系统是在传统的直接式TPMS系统优点的基础上改进而来的，主要改进了主机模块中的报警提示，其报警相对于传统直接式TPMS具有更准确和方便。双向式可以是系统更加省电，从而使使用寿命增加。射频收发模块的设计可以提高主机与从机的通信稳定性，而且可以大大减少从机的耗电量，从而提高使用寿命。2.5 本章小结本章首先对当前TPMS系统的实现方案进行了分析和比较，然后针对目前的TPMS系统的缺陷和对TPMS系统的要求，研究改进了TPMS系统的整体结构和各个模块的安装方式，最后说明了本课题研究的TPMS系统与传统直接式TPMS系统比较所具有的优势。第3章 TPMS主机模块总体设计3.1 TPMS主机模块设计要求随着TPMS系统的快速发展，目前满足市场需求的TPMS系统主机模块应具备如下特点：（1）具备LCD显示界面，能够在各种环境下清晰的显示各个轮胎的压力和温度信息；（2）具备用于人机通信的键盘，主要用于驾乘人员查看轮胎压力/温度状况和设置系统标准参数；（3） 具备声音警报装置，在轮胎气压或温度处于非正常范围，或是轮胎气压变化速度很快（例如轮胎漏气）时，提供不同的警报提醒驾乘人员注意，是驾驶者能够做出相应的措施，从而避免事故的发生；（4） 系统可靠性高，使用和维护方便。依据以上分析，TPMS主机的设计要求：（1）设计直接式TPMS系统主机模块。（2）与从机模块准确、稳定的通信。（3）报警功能。1）轮胎压力过低/过高：在汽车轮胎压力高于或低于正常工作电压范围时，系统应能够迅速报警，系统中应事先设定好轮胎压力的高压值和低压值并且系统能够方便的调节温度/压力的高压值和低压值；2）轮胎压力变化过快：当轮胎的气压发生迅速的变化时，系统应能够迅速报警。在判断压力变化时，系统可以通过监测轮胎压力变化的速度，分别报告“胎压慢漏” 和“胎压急漏”，压力变化的报警阀值应能够手动设置；3）轮胎温度过高：当轮胎温度过高或过低时，系统应能够迅速报警，系统中应事先设定好轮胎温度的高温值和低温值，轮胎温度的报警阀值应能够手动配置；4）轮胎模块故障：当轮胎TPMS系统主机模块长时间无法与从机模块进行数据通信时，系统应报警，提示驾驶员对相应轮胎模块进行维修或更换。（4）具备键盘接口和LCD显示。利用键盘和LCD显示，汽车驾乘人员可以查看任意轮胎的气压和温度状况，并能够在轮胎压力和温度超出规定的范围时在LCD中也会显示压力高出高压值或低于低压值，设置轮胎压力报警阀值和轮胎温度报警阀值，给轮胎从机模块发送复位信号等等。（5）其他要求。在满足基本的性能和稳定性的基础上，要做到尽量降低产品的成本、尺寸、重量和功耗等。3.2 TPMS系统主机方案3.2.1 TPMS系统主机框图TPMS系统主机模块结构方框图如图3.2所示。 主机模块键盘接口报警/LCD显示接口LLCD中央处理器RF电路主机稳压电路 天线 天线 天线 天线 天线 天线TPMS从机3TPMS从机2TPMS从机4TPMS从机1图3.2 TPMS系统主机模块结构框图（虚线框外为从机模块）3.2.2 TPMS系统主机模块组成由图3.2可知，本TPMS中的主机模块由数据处理单元、报警模块、显示模块、射频收发模块组成。RF电路有两个天线，分别与前两轮和后两轮从机模块中的RF芯片进行无线通信，及时把数据送入数据处理模块。数据处理单元根据接受到的数据判断轮胎参数是否正常，如果发现异常，则及时发出相应的报警。（1）数据处理单元中央处理器对从机发射的数据进行分析，如果发现轮胎的压力或温度的值超过所规定的值时则通过报警系统进行报警。（2）RF射频模块RF电路在转速达到一定的值后给从机发射监测信号，否则从机不进行工作，这样可以节省能耗；在从机进行工作后，RF电路接受从机发射的数据，并将数据传送给主机。3.3 TPMS系统主机技术指标车辆轮胎监测主机主要技术指标：1) 工作电压:12VDC24VDC；2）工作环境湿度:90%；3）显示方式: 数字及图案显示，压力/温度；4) 收发频率:433MHz/315MHz；5）传输速率:4.8 Kbit/S；6）静态功耗:5W；7）工作温度:-40 +80；8）报警模式:声音和LED；9）无线调制方式:FSK；10）接收灵敏度:-11OdB。3.4 本章小结本章首先分析了目前的TPMS系统的产品要求，据此得出了TPMS系统主机模块的设计要求，对报警电路进行了改进，设计出了一种具有较高数据通信稳定性的TPMS主机模块整体结构。第4章 TPMS系统主机硬件设计TPMS系统主机硬件设计包括中央处理器选择、人机接口电路设计、声光报警电路设计。中央处理器选择是设计的核心。本章主要内容是论述数据处理单元等四个模块的功能设计、器件选择、中央处理器模块与其他三个模块的互连以及控制方式等。在整个TPMS系统主机模块的构成中，数据处理单元的主要作用是：（1）以循环的方式串行采样各个轮胎的压力/温度信息数据；（2) 判断轮胎压力温度是否处于正常状态；（3) LCD显示器可以自动/手动显示相应轮胎压力温度值；（4) 轮胎压力故障时蜂鸣器提示出现压力异常或温度异常。4.1 基于单片机PIC16F877的中央处理器的设计4.1.1 单片机PIC16F877简介PIC16F877是美国微芯公司推出的16位RISC指令集的高性能单片机CPU。该款单片机不仅集成了强大的外围功能模块，而且因其特殊的单片机特性（如:自振式看门狗、可编程代码保护功能、休眠省电方式等）及先进的FLASH技术（低功耗、高增强型FLASH技术，全静态设计，2.0V-5.0V宽范围的工作电压，工业级和扩展级温度范围），可以适用各种控制场合。其主要的性能特点5包括:（1）高性能的RISC CPU具有高达32KB的FLASH程序存储器和2MB的程序存储空间：高达4KB的数据存储器；高达10MIPS的执行速度；DC-40MHz时钟输入；4-10MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入；16位宽指令，8位宽数据通道；带优先级的中断；88单周期硬件乘法器。（2）外围功能模块具有PORTA-PORTE五组I/0端口：定时器/计数器TMRO-TMR3模块；捕捉/比较/PWM(CCP)模块；增强型捕捉/比较/PWM(ECCP)模块；主同步串行端口；可寻址的通用同步/异步收发器；10位A/D转换器模块；比较模块。由以上可知，PIC16F877完全适合本系统要求，而且设计方便。本课题主要使用PIC16F877的CPU、内部程序/数据存储器、I/O端口、通用同步/异步收发器。具体的引脚设置和模块设置将在下面详细论述。4.1.2 PIC16F877异步/同步收发器(USART)的设计与应用（1） PIC16F877单片机异步/同步发生器通用同步/异步收发器(USART)模块是由IPC16F877内的三个串行I/0模块组成的器件之一，可以配置为全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式三种工作方式。TXSTA是PICl6F877单片机串行通信发送状态和控制寄存器，RCSTA是接收状态和控制寄存器。本课题中采用异步工作方式。（2） USART 串行通信协议设计设计数据处理单元与从机的串行通信协议时，应尽量提高数据传送速度，同时充分使用系统以具有的串行数据通信模块。1）数据波特率为减少数据发送时间，数据传送速度应尽可能的大，定义数据波特率为96O0bps。2）USART串行通信报文格式USART串行通信使用的报文格式有两种。第一种类型的报文是从机接收到数据处理单元的数据请求后，向主机数据处理单元发送的包含压力/温度信息的一组数据构成的数据包；第二种类型的报文是需要调整从机的压力/温度校正参数时，主机数据处理单元向射频收发模块发送的包含压力/温度校正参数的一组数据构成的数据包。数据处理单元向从机发送的报文的格式如表4.1所示。表4.1 数据处理单元向射频收发模块发送的报文格式报头轮胎ID命令字压力校验系数温度校验系数奇偶校验报尾8-bit8-bit8-bit8-bit 8-bit8-bit8-bit表4.1中的数据包的构成的含义：报头是串行数据包的发送开始的标志命令字是主机发送给从机的控制信号，其内容是事先定义好的两个数据，当命令字为OxFFH时，为数据请求命令，此时数据包中不包含压力校正系数和温度校正系数：当命令字为0xFD时， 为从机模块调整校验系数命令，此时数据包中包含压力校正系数和温度校正系数；温度/校正压力系数用于修正从机模块中的传感器在使用过程中产生的测量精度下降问题；奇偶校验码用于射频收发模块分析接收到的数据是否是有效的；报尾是串行数据包发送结束的标志。4.2 显示/报警电路设计 系统的显示/报警单元包含两部分：液晶显示电路和LED指示灯。每个LED指示灯对应汽车的两个轮胎，系统上电复位后，每个LED指示灯具有相同的功能。4.2.1 LED指示灯的设计 系统处于工作状态时，LED指示灯用于指示轮胎的状态，具体的设计如下： （1）LED1常亮表示已长时间未收到来自轮胎模块发送的数据，怀疑是轮胎模块出现故障； （2）LED1不亮表示可以正常的接收到轮胎模块发送的数据； （3）LED1闪烁时间间隔1s表示轮胎的压力低于低压值； （4）LED1闪烁时间间隔3s表示轮胎的压力高于高压值； （5）LED2常亮表示已长时间未收到来自轮胎模块发送的数据，怀疑是轮胎模块出现故障； （6）LED2不亮表示可以正常的接收到轮胎模块发送的数据； （7）LED2闪烁时间间隔1s表示轮胎的温度低于低压值； （8）LED2闪烁时间间隔3s表示轮胎的温度高于高压值。4.2.2 液晶显示模块设计 液晶显示采用的是SMC1602A液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度值。 在系统工作过程中，液晶显示界面如下图4.1所示。其中各部分功能如下：（1) 轮胎位置指示：代表当前显示的模块，显示内容可以是LF (左前)、LR(左后)、RF (右前)和RR(右后)。系统工作时，LCD轮流显示各个轮胎的状态。（2）轮胎压力值：显示当前轮胎的实际压力值。（3）轮胎温度值：显示当前轮胎的实际温度值。（4）轮胎低压指示：如轮胎压力低于低压限，则显示LP，否则不显示。（5）轮胎高压指示：如轮胎压力高于高压限，则显示HP，否则不显示。轮胎低压值轮胎位置指示轮胎压力值（KPa） LF P: * LP T： * HP 轮胎温度值（）轮胎高压值图4.1液晶显示界面4.2.3 显示/报警电路原理图LCD显示、LED显示和声音报警原理详细设计：（1）LCD显示设计原理8：PIC16F877的I/0口具有很强的驱动能力，其PORTD口最大可通过25mA的拉电流和灌电流，可以直接驱动LCD显示，所以在显示/报警电路中，PORTD口直接与LCD液晶显示模块数据口相连，进行数据交换和指令发送。液晶显示器SM1602A电压为:4.5V-5.5V 且其内部已集成了所需的负电源。在实际的电路中是将VO接在电位器的可调端，电位器两固定端接在Vout和GND的引脚上，通过调节VO的电压来改变液晶显示器的亮度。单片机PIC16F877用于LCD显示的逻辑引脚的功能和设置如下:RD0-RD7:设置为输入/输出引脚工作模式，用于为LCD模块提供数据信号和控制信号，或者接收LCD模块反馈的信号；RC0: 设置为输出引脚工作模式，有效时LCD右半屏显示；RC1: 设置为输出引脚工作模式，有效时LCD左半屏显示；RC3: 设置为输出引脚工作模式，用于LCD模块的使能控制；RC3: 设置为输出引脚工作模式，用于确定当前是读操作还是写操作；RC4: 设置为输出引脚工作模式，其决定PORD口输入的是数据还是命令；RC5: 设置为输出引脚工作模式，用于控制LCD模块的背光驱动电路。（2） LED设计原理:为了使LED在不同情况下显示出不同的效果，单片机用RB6和RB7分别与两个LED相连，用于对报警电路的控制。（3）声音报警设计原理:声音报警的作用是在出现轮胎压力/温度故障时发出声音提醒驾乘人员，本设计中声音报警设置了三种报警方式，不过只需单片机提供一个引脚作为声音报警控制信号即可。PIC16F877用于声音报警的逻辑引脚设置如下：RB5: 设置为输出引脚工作模式，当其处于有效电平时声音报警器鸣响。4.3 键盘输入电路设计键盘输入的主要功能：读取各个轮胎压力/温度数据和设定轮胎压力上/下限等系统参数。按键包括四个按钮，分别实现选择/确定、向上、向下和退回上一层功能。单片机对键盘的输入扫描可采用中断方式，也可采用查询方式。在本系统中采用的是中断查询方式，其工作原理如下：设置RAO、RA1、RA2和RA3引脚为输出方式，RB4引脚设置为输入方式。无按键按下时，B4为高电平1；有按键按下时，B4为低电平0，则电平变化产生中断，相应中断标志位置1，单片机进入中断服务子程序。在中断服务子程序返回之前，将RB4上的输入信号与前次读入的旧的键值比较，判定是否有新的按键按下，置相应的标志位，然后返回主程序。 中断方式键盘输入电路原理图见附录。4.4 主机数据处理单元原理图 在上面的几节中详细的介绍了数据处理单元和显示/报警电路等组成部分的设计过程和原理，下面给出完整的数据处理单元的完整原理图，详图见附录。4.5 本章小结本章详细设计论述了主机模块中的数据出来单元部分和报警部分的硬件结构和工作过程，内容包括中央处理器的选择和设计，显示/报警电路设计，给出中央处理器与各个模块的互连原理图，并且在本章的结尾给出了数据处理单元的完整的原理图。第5章 TPMS系统主机的软件设计用与独立运行的TPMS，对应的硬件其软件的设计也分为两个部分：测量发送模块软件设计和接收显示模块软件设计。除了通讯协议外，这两个部分的软件设计没有直接的联系。本设计主要设计的是接收显示模块的软件的设计。软件的设计语言采用汇编语言。本章主要进行主机模块的软件的设计，包括显示/报警电路的软件设计，单片机的程序设计。5.1 汇编语言汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程序设计语言。汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如MASM, TASM等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写Windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。在汇编语言中，用助记符（Mnemonic）代替操作码，用地址符号（Symbol）或标号(Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。因此汇编语言亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编语言编译器把汇编程序翻译成机器语言的过程称为汇编。汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。但在编写复杂程序时，相对高级语言代码量较大，而且汇编语言依赖于具体的处理器体系结构，不能通用，因此不能直接在不同处理器体系结构之间移植。汇编语言的特点：（1）面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。（2）保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。（3）可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。（4）目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。（5）经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。汇编语言的应用:（1）70%以上的系统软件是用汇编语言编写的。（2）某些快速处理、位处理、访问硬件设备等高效程