汽车轮胎压力监测系统的设计与实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.13MB 69 页 15积分
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摘 要
在汽车的高速行驶过程中，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主要原因之一。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个
重要课题。权威的研究结果表明，保持标准的车胎气压和及时发现汽车轮胎漏气
是防止爆胎的关键。这就使对轮胎压力实行监测显得非常重要。TPMS（Tire Pressure
Monitoring System）轮胎压力监测系统即是基于以上原因应运而生的。其主要功能
是对汽车轮胎的压力和温度进行实时自动监测，当轮胎状态出现不安全情况时进
行报警，提醒驾驶员应立即予以处理，以保障安全驾驶，延长轮胎寿命。
为了实现上述功能，本文采用了轮胎数据采集与处理模块和驾驶室接收显示
报警模块的系统架构。选用高度集成化的 ASIC 芯片，进一步实现了系统的小型化，
降低系统成本，提高了系统可靠性。完成了系统的硬件设计和制作及软件代码编
写，解决了在汽车环境下进行温度、压力的测量，RF 通信等关键技术。通过软硬
件结合方式的设计，使数据采集与处理模块的工作更加节能。
产品经实际测试证明：该系统运行良好，达到设计指标要求。
关键词：TPMS 射频 ASIC 芯片 车载娱乐系统
ABSTRACT
When vehicle moves at high speed, the tire fault is a hidden danger and hard to
prevent, thus it is the major cause of sudden traffic accidents. Tires are the vital parts of
the vehicle. How to prevent a tire blow out has become a key issue in vehicle safety
field. As authoritative research indicates, the key to prevent a tire blow-cut is
maintaining standard tire pressure and detecting tire fault beforehand. Thus, tire
pressure monitoring becomes meaningful and important. TPMS （Tire Pressure
Monitoring System）
emerge as times required are based on above. The main function of
the TPMS is to automatic measure the tire pressure and temperature in real time. It can
provide an alarm when the tire is insecurity, awoke driver to deal with the case
immediately. And also, it can ensure safety drive. Keep tire in a proper pressure and
temperature by TPMS will extend tire life.
In order to realize the function above, this paper introduced the system frame
which based on the module of tire data gather and disposal, and the module of receiving,
display and alarm in car. Using high integrated ASIC chip to realize miniaturization and
reduce system price. This paper achieved two module hardware designs and software
code compile. Each part of the systems has been designed and the critical techniques
such as the pressure and the temperature's measurement in the automotive condition, RF
communication are designed in detail. The whole system's hardware and software have
been implemented. The system can be more save power by designing combination of
software and hardware.
The experiments show that the system meets the requirements and can be operated
reliably.
Key words: TPMS, RF, ASIC chip, GPS
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题背景 .........................................................................................................1
§1.2 课题研究的目的和意义 .................................................................................2
§1.3 国内外相关行业的现状和发展趋势 .............................................................3
§1.3.1 发展现状 .................................................................................................3
§1.3.2 发展趋势 .................................................................................................3
§1.4 课题主要工作和论文结构 .............................................................................4
第二章 轮胎安全性能分析 .............................................................................................5
§2.1 概述 .................................................................................................................5
§2.2 爆胎的原因 .....................................................................................................5
§2.3 温度对轮胎安全性能的影响 .........................................................................6
§2.4 压力对轮胎安全性能的影响 .........................................................................6
§2.4.1 低压对轮胎安全性能的影响 .................................................................7
§2.4.2 高压对轮胎安全性能的影响 .................................................................7
§2.5 本章小结 .........................................................................................................7
第三章 系统总体方案设计 .............................................................................................9
§3.1 系统设计要求 .................................................................................................9
§3.1.1 系统的一般要求 .....................................................................................9
§3.1.2 系统的功能要求 ...................................................................................10
§3.1.3 系统的技术参数 ...................................................................................10
§3.2 系统总体方案 ...............................................................................................11
§3.2.1 方案设计 ...............................................................................................11
§3.2.2 系统框图 ...............................................................................................14
§3.2.3 TPMS 组成 ............................................................................................ 15
§3.2.4 系统工作流程 .......................................................................................15
§3.3 本章小结 .......................................................................................................16
第四章 系统硬件设计 ...................................................................................................17
§4.1 数据采集与处理模块的硬件设计 ...............................................................17
§4.1.1 传感器微控制器 ...................................................................................17
§4.1.2 RF 发射芯片 ..........................................................................................19
§4.1.3 数据采集与处理模块原理图和 PCB 设计 ......................................... 21
§4.2 接收显示报警模块的硬件设计 ...................................................................23
§4.2.1 微控制器 ...............................................................................................23
§4.2.2 RF 接收 ..................................................................................................28
§4.2.3 接收显示报警模块原理设计和 PCB 设计 ......................................... 32
§4.3 射频天线的设计 ...........................................................................................34
§4.3.1 天线的作用与地位 ................................................................................34
§4.3.2 对称阵子 ...............................................................................................35
§4.3.3 天线方向性 ...........................................................................................35
§4.3.4 天线的阻抗匹配 ...................................................................................36
§4.3.5 天线的摆放位置 ...................................................................................37
§4.4 本章小结 .......................................................................................................39
第五章 系统软件设计 ...................................................................................................40
§5.1 数据采集与处理模块软件设计 ...................................................................40
§5.1.1 MCU 资源安排和使用 ......................................................................... 40
§5.1.2 程序设计 ...............................................................................................41
§5.2 接收显示报警模块软件设计 .......................................................................44
§5.2.1 MCU 软件开发概述 ............................................................................. 44
§5.2.2 MCU 软件设计思想 ............................................................................. 44
§5.2.3 主程序模块 ...........................................................................................45
§5.2.4 MCU 初始化 ......................................................................................... 46
§5.2.5 接收发射部件数据 ...............................................................................46
§5.2.6 向车载娱乐系统发送轮胎数据 ...........................................................51
§5.2.7 接收车载娱乐系统设置数据 ...............................................................52
§5.2.8 容错技术 ...............................................................................................52
§5.3 模拟车载娱乐系统软件开发 .......................................................................55
§5.3.1 概述 .......................................................................................................55
§5.3.2 模拟车载娱乐系统软件界面设计 .......................................................56
§5.3.3 模拟车载娱乐系统软件主程序设计 ...................................................57
§5.4 本章小结 .......................................................................................................57
第六章 系统测试 ...........................................................................................................58
§6.1 系统功耗分析及低功耗设计 .......................................................................58
§6.2 系统通讯测试 ...............................................................................................60
§6.3 本章小结 .......................................................................................................60
第七章 总结与展望 .......................................................................................................61
参考文献 .........................................................................................................................63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67
致 谢 ...............................................................................................................................69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
轮胎是汽车行驶机构的重要组成部分。作为重要的支撑元件和行走元件，轮
胎不仅承载着汽车的全部质量，还要给汽车前进提供推进力，同时起到缓和地面
冲击的作用。轮胎对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性、舒适性以及燃油的经
济性都起着非常关键的作用。如果汽车在高速行驶过程中轮胎出现了爆胎，将会
使汽车突然失控而可能引发交通事故，轻者遭受到经济损失，重者车毁人亡。因
此，轮胎安全对汽车行驶有着非常重要的作用。
§1.1 课题背景
美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有 26 万起交通事故是由于轮
胎故障引起的，而 75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或渗漏造成的
]1[
。爆胎不仅
造成了巨大的经济损失，对行车安全也构成了巨大的威胁。因此美国政府要求汽
车制造商加速发展轮胎气压监测设备，以减少轮胎事故的发生。美国国会于 2000
年11 月 通 过 了 TREAD 法 案 (Transportation Recall Enhancement Accountability
Documentation) 。按照该法案和美国国家公路交通安全协会 NHTSA (National
Highway Transportation and Safety Association)规定，在客车和轻型卡车必须安装轮
胎气压监测系统(TPMS)以便在轮胎气压低于规定值时发出报警。该计划要求在第
一阶段即到 2005 年10 月5日每个汽车厂商至少在其生产汽车总量的 20%的车辆
上安装 TPMS。第二阶段到 2006 年9月1日这个数字要增长到 70%，第三阶段到
2007 年9月1日达到 100%。根据实际使用车辆的情况调查，5%的车主会每星期
检查一次胎压；15%的车主会每 2个礼拜检查一次轮胎；20%的车主会每个月检查
一次轮胎；
25%的车主会每 2个月检查一次轮胎；35%的车主几乎从不检查胎压问
题出现。
TPMS 是汽车轮胎压力监视系统“Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写
形式。该系统主要用于对汽车轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏气和高/低气
压进行报警，以保障行车安全。在汽车的高速行驶过程中，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主要原因。据统计，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，在时速 160km 以上时发
生爆胎，死亡率几乎是 100%
]2[
。目前许多国家的保险公司对爆胎事故是不做理赔。
根据中国公安交管部门交通事故数据显示，2005 年1至11 月交通事故 389670 起
中，
80989 人死亡，因爆胎引发的事故就占了将近 20%。而在高速公路 46%的交通
汽车轮胎压力监测系统的设计与实现
2
事故是由于轮胎发生故障引起的，爆胎就占了 70%。在轮胎气压不足情况下紧急
刹车，车辆方向会偏，严重时就会爆胎。汽车在高速行驶时，由于热胀冷缩的关
系，汽车的压力会有变化，温度也是影响汽车轮胎使用寿命的重要因素。适当气
压轮胎不仅可增强安全性和性能，还能节省燃料并延长轮胎寿命。根据固特异
（Goodyear）公司的数据，在轮胎气压不足情况下，轮胎气压每下降 3个PSI 将使
燃料增加 1%。但统计显示，有超过 20%的轮胎仍处于欠压状态
]3[
。这不仅仅降低
了轮胎寿命，还增加了燃料消耗。怎样防止爆胎已成为汽车安全领域的一个重要
课题。从美国使用 TPMS 受益情况估算，每年可减少事故受伤人数达到 8400 人，
每年可挽救车祸死亡人数 120 人。据中国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和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而 TPMS——汽车轮
胎压力监测系统毫无疑问将是理想的工具。
§1.2 课题研究的目的和意义
当前，世界汽车市场在稳步的扩大，汽车市场的扩大带来了轮胎的需求，每
年新出厂汽车所需轮胎数量是一个极大的数字。随着世界各国对轮胎安全的重视，
相应法律法规的出台以及人们安全意识的提高，汽车轮胎压力监测系统将会得到
更加广泛的应用。由前所述，轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大。提高轮胎的
安全性能，在轮胎出现故障或异常时及时地对驾驶员进行预警，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。这样就大大降低了因交通
事故引起的人身伤亡。
随着人类生存环境的日益恶化，环保问题越来越引起人们的关注。据世界卫
生组织统计，目前全世界每天有 500 万条轮胎被丢弃，数目之巨令人瞠目。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。因此，实时的对轮胎的压力、温度进行监测以保障轮胎处于
正常的工作状态种可以有效的提高轮胎的寿命和降低机动车尾气排放。
设计出一种能够在汽车行驶过程中在线对轮胎的压力、温度等参数进行测量
和记录的系统是非常必要的。它能够实现轮胎的性能检测在线化、信息分析智能
化、隐患预警实时化，并且该系统还具有结构布置微型化、数据传递无线化等特
点，是典型的高科技产品，具有一定的学术价值，并可向其他学科领域和工程应
用延伸或推广。
摘要：

摘要在汽车的高速行驶过程中，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主要原因之一。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。权威的研究结果表明，保持标准的车胎气压和及时发现汽车轮胎漏气是防止爆胎的关键。这就使对轮胎压力实行监测显得非常重要。TPMS（TirePressureMonitoringSystem）轮胎压力监测系统即是基于以上原因应运而生的。其主要功能是对汽车轮胎的压力和温度进行实时自动监测，当轮胎状态出现不安全情况时进行报警，提醒驾驶员应立即予以处理，以保障安全驾驶，延长轮胎寿命。为了实现上述功能，本文采用了轮胎数据采集与处理模块和驾驶室接收显示报警模块的系...

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