基于MSP430的汽車輪胎壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)-郭良振

基于MSP430的汽車輪胎壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計答辯人：郭良振導(dǎo)師：黃建清AdesignedsystembasedonMSP430-TPMS目錄CONTENTS研究背景ResearchBackground01基本概念BasicConception02硬件Hardware05軟件Software06理論研究TheoreticalResearch03試驗方法ExperimentalMethod04致謝Thanks07PARTONE研究背景研究背景4這段時間，追完了一部劇叫瑯琊榜，看了幾部電影，其中推薦InsideOutPARTTWOPARTTHREE看完了關(guān)于如何做科學(xué)研究的幾本書，只是覺得像喝了幾碗雞湯，然并卵罷了在信息時代的今天，汽車行業(yè)無論在技術(shù)上還是管理上都進入到一個相對成熟的階段。與此同時，汽車安全在當(dāng)今時代仍然十分關(guān)注。因此，研究汽車輪胎壓力對于提高汽車安全系數(shù)是十分必要和緊急的。據(jù)公安部2014年數(shù)據(jù)顯示，中國汽車交通數(shù)據(jù)占全世界的20%。與此同時，中國是每年因交通事故死亡人數(shù)最多的國家，而且常年居于榜首。

和海運、鐵路、航空做比較，公路發(fā)生交通意外的比重遠遠大于這三者之和，因此，汽車的安全駕駛問題就亟需提上日程，規(guī)范汽車管理和提高駕駛?cè)说牟僮骷寄埽窍嚓P(guān)部門必須關(guān)切的點。在信息時代的今天，科學(xué)技術(shù)更新規(guī)律呈摩爾規(guī)律向前發(fā)展，生產(chǎn)了一批新的電子產(chǎn)品如：汽車防抱死系統(tǒng)、電子制動力分配、牽引力控制系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、電子駐車制動以及汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。這些新型汽車電子產(chǎn)品的問世，在一定程度上能夠有效的保障駕駛?cè)藛T的安全。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，輪胎質(zhì)量的好壞直接影響著交通事故的損壞程度，因汽車爆胎引起的交通事故占各類交通事故總數(shù)的半數(shù)以上。特別是在高速公路上行駛時，由于時速很快，一旦汽車發(fā)生爆胎情況，多數(shù)都會導(dǎo)致汽車失控進而會可能造成喪命的風(fēng)險。

一大批的國內(nèi)外知名企業(yè)如米其林、諾基亞輪胎公司、固特異輪胎橡膠公司很早就建立起來了相關(guān)的研究工作。與此同時，英飛凌公司、通用電器公司和摩托羅拉公司先后相應(yīng)的設(shè)計出來了基于TPMS的集成芯片，現(xiàn)在已經(jīng)投入商產(chǎn)使用。研究背景5這段時間，追完了一部劇叫瑯琊榜，看了幾部電影，其中推薦InsideOutPARTTWOPARTTHREE看完了關(guān)于如何做科學(xué)研究的幾本書，只是覺得像喝了幾碗雞湯，然并卵罷了相比較于國外來說，中國的TPMS起步很晚，這與我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)和管理方面的落后有一定的線性相關(guān)關(guān)系。但是，越來越多的高校開始得到政府和企業(yè)的資金支持，著手進行相關(guān)的研究。目前已有浙江大學(xué)、鄭州大學(xué)、吉林大學(xué)等高校的學(xué)者對直接型TPMS進行研究，提出了一些切實可行的方案。尤其是上海交通大學(xué)，正在研發(fā)基于聲表波技術(shù)可在源智能的測量輪胎壓力和溫度并具有無線通信功能的SAW傳感器，這將使中國自身擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)。PARTTWO基本概念基本概念7對于汽車輪胎內(nèi)部氣體壓力的測量，目前可以分為間接式和直接式兩種測量方法。間接式測量法（Wheel-SpeedBasedTPMS，簡稱WSB），這種系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)測胎壓的目的。當(dāng)輪胎壓力降低時，車輛的重量會使輪胎直徑變小，這就會導(dǎo)致車速發(fā)生變化，這種變化即可用于觸發(fā)警報系統(tǒng)來向司機發(fā)出警告。直接式測量方法（Pressure-SensorBasedTPMS，簡稱PSB），這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，利用無線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到中央接收器模塊上的系統(tǒng)，然后對各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進行顯示。當(dāng)輪胎氣壓太低或漏氣時，系統(tǒng)會自動報警。優(yōu)劣8

這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)劣。

直接系統(tǒng)可以提供更高級的功能，隨時測定每個輪胎內(nèi)部的實際瞬壓，很容易確定故障輪胎。間接系統(tǒng)造價相對較低，已經(jīng)裝備了4輪ABS(每個輪胎裝備1個輪速傳感器)的汽車只需對軟件進行升級。但是，間接系統(tǒng)沒有直接系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，它根本不能確定故障輪胎，而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜，在某些情況下該系統(tǒng)會無法正常工作，例如同一車軸的2個輪胎氣壓都低時。由直接式TPMS較于間接式TPMS的優(yōu)點，所以我們選擇直接式的測量方法。PARTTHREE理論研究理論研究10（1）系統(tǒng)架構(gòu)汽車輪胎壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)，是用在實時監(jiān)測汽車在行駛過程中的輪胎的壓力數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并能夠進行分析，供給駕駛?cè)藛T作參考使用，以保障安全。它主要是利用安裝在汽車四個輪胎上的壓力和溫度檢測模塊來直接獲取測量數(shù)據(jù)，再通過無線射頻收發(fā)模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸給駕駛室的人為操作控制模塊，駕駛?cè)藛T通過直觀的觀察和細(xì)致的分析各個輪胎的運轉(zhuǎn)狀況，然后及時作出調(diào)整，做到人車平安。（2）硬件部分

汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計總方案,包括汽車輪胎里檢測系統(tǒng)的的測量發(fā)射模塊的設(shè)計、無線接收模塊的設(shè)計、電源模塊的設(shè)計、RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計、液晶顯示器模塊的設(shè)計、信號放大器處理模塊的設(shè)計和中央處理模塊的設(shè)計。（3）軟件部分程序模塊要求軟件將程序代碼通過燒入16位的MSP430系列單片機中，這樣可以利用時鐘CLK供大量外設(shè)工作，又能夠作為中斷源喚醒CPU,從而能夠使系統(tǒng)的功耗達到1μA。程序部分主要包括主程序設(shè)計、壓力傳感器采集子程序設(shè)計、溫度傳感器采集自程序設(shè)計、無線收發(fā)模塊子程序設(shè)計、電源管理模塊子程序設(shè)計和LCD顯示模塊子程序設(shè)計。PARTFOUR試驗方法試驗方法12考慮到對TPMS系統(tǒng)性能和和功能指標(biāo)的要求，已經(jīng)選材和初步確定了汽車輪胎壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集收集模塊、無線射頻收發(fā)模塊和LCD顯示模塊三部分構(gòu)成。下面通過硬件電路進行描述。PARTFIVE硬件發(fā)射端硬件設(shè)計14數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊要求能夠?qū)崟r監(jiān)測輪胎壓力和溫度兩個參數(shù)數(shù)據(jù)的信號，并對這些信號進行濾波放大，做一些信號調(diào)試上的處理，然后以射頻調(diào)制信號的形式通過內(nèi)置天線發(fā)送出去。無線射頻收發(fā)端設(shè)計15無線射頻收發(fā)模塊分為無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，它可以看作是模塊數(shù)據(jù)間交換的橋梁。它能夠發(fā)射和接收射頻信號，并且要求能對信號進行處理。射頻單元模塊實現(xiàn)在微控制器作用下，對調(diào)制后的無線射頻信號進行發(fā)射和接收工作。要求射頻芯片做到接收靈敏度高，外圍電路要簡單，同時要求發(fā)射功率要大。無線射頻收發(fā)端設(shè)計16無線射頻收發(fā)模塊分為無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，它可以看作是模塊數(shù)據(jù)間交換的橋梁。它能夠發(fā)射和接收射頻信號，并且要求能對信號進行處理。射頻單元模塊實現(xiàn)在微控制器作用下，對調(diào)制后的無線射頻信號進行發(fā)射和接收工作。要求射頻芯片做到接收靈敏度高，外圍電路要簡單，同時要求發(fā)射功率要大。

無線射頻收發(fā)模塊是由電源處理模塊供電、MSP430單片機作為微控制器系統(tǒng)主要芯片、以射頻調(diào)制/解調(diào)模塊作為載體還有發(fā)射射頻和接收射頻信號的內(nèi)置天線這幾部分構(gòu)成。其中，單片機為主的微控制器系統(tǒng)是核心，實現(xiàn)對整個射頻單元模塊的控制和信號傳輸過程中的基帶信號的調(diào)試。要求單片機外形尺寸要小，穩(wěn)定性能要高，運行速度要快，綜合各方面的因素還是選擇了MSP430系列單片機。LCD顯示端設(shè)計17

由微處理器系統(tǒng)模塊、LCD顯示模塊、射頻接收解調(diào)單元模塊、電源處理模塊以及接收天線構(gòu)成。微處理器系統(tǒng)作為核心部分，主要工作是控制外圍設(shè)備單元如LCD顯示器模塊，進行數(shù)據(jù)處理，還能提供掉電保存系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)。

射頻接收解調(diào)單元模塊主要用來接收無線發(fā)送過來的射頻信號并進行解調(diào)工作，然后再將處理結(jié)果傳送給系統(tǒng)核心微控制系統(tǒng)模塊。主要硬件選型18壓力傳感器壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)變成相對來說容易測量和衡量電信號作為輸出，給LCD顯示屏顯示壓力值。本次設(shè)計采用的是MD-PS002型壓力傳感器，具有體積小、量程大等優(yōu)點。其中+IN和-IN為傳感器提供恒流源或者是恒壓源,

可以是5V恒壓源,或者是1mA的恒流源。-OUT和+OUT提供輸出電壓,150KP的壓力傳感器輸出電壓的方位是60-100mV

。

主要硬件選型19DS18B20是一種單總線數(shù)字溫度傳感器。DS18B20數(shù)據(jù)位越低、轉(zhuǎn)換時間越短、反應(yīng)越快、精度越低。單總線，即沒有時鐘線，只有一根通信線。單總線讀寫數(shù)據(jù)是靠控制起始時間和采樣時間來完成，所以時序要求很嚴(yán)格。作為最受歡迎的一款溫度計，它在實際中受到廣泛應(yīng)用。

其中GND接地線，Vdd接接電源電壓，用于給溫度傳感器供電。DQ為數(shù)據(jù)總線，它的作用是將采集的信號轉(zhuǎn)換成電信號之后通過這個引腳將數(shù)字信號發(fā)送給控制系統(tǒng)核心-MSP430F149，供單片機處理和計算。原理圖20

PARTSIX軟件系統(tǒng)的軟件設(shè)計22

使用的軟件：使用編程軟件IAREmbeddedworkbenchEvaluation進行C語言程序代碼的編寫與編譯工作；使用AltiumDesigner10.0進行電路原理圖的繪制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計23

系統(tǒng)流程圖：主函數(shù)流程圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計24

系