胎压监测系统的设计论文.doc

密 级 公 开 学 号 衡水学院毕业论文（设计） 胎压监测系统的设计论文作者：指导教师：系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：提交日期：答辩日期：2017年5月05日毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）论文题目：胎压监测系统的设计摘 要：现代社会的安全问题日益突出，其中汽车的安全性问题是较为严重的问题，而且随着车辆的日益增多，这种现象就更为明显，而这安全性问题主要发生在车辆的零件轮胎上。基于单片机的胎压监测系统是使用微型处理器以及一些简单模块的压力测试来实现一些基本功能。这款检测装置可以进行胎压压力的测量。本设计采用的是直接测量压力值来监测轮胎压力，而且这套监测装置的主控制器的芯片用STC89C52来代替，采用BMP180传感器将相应的数据测量出来。而软件部分是由C语言进行程序的编写和调试，使其达到胎压监测的目的。关键词：STC89C52；BMP180传感器；汽车胎压；C语言ITITLE：DESIGN OF TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM BASEDON SINGLE CHIP MICROCOMPUTERAbstract: The security problems of modern society increasingly prominent, including car security problem is a serious problem, and with the increasing of vehicles, this kind of phenomenon is more obvious and the main safety issues happened in parts of the vehicle tires. Tire pressure monitoring system based on single chip microcomputer using pressure test of microprocessor and some simple modules realize the basic functions. The detection device can tire pressure measurement. In this paper compares the various sensors the final scheme BMP180 sensor for use. The test system the STC89C52 single-chip microcomputer as the main chip, And through the selected BMP180 pressure sensors to directly measure the corresponding tire pressure .Software part by C language in writing and debugging of the program, so that the function of the tire pressure monitoring.Key words：STC89C52；BMP180 Sensor；Automobile Tire Pressure；C Language目 录摘 要IAbstractII1 绪论1 1.1课题背景1 1.2国内外研究现状1 1.3课题的设计目标22 系统硬件电路的设计3 2.1主控程序的设计及电路分析3 2.1.1 系统MCU的简单分析3 2.1.2 主控制器CPU简介3 2.1.3 主控制器电路设计3 2.2压力传感器接口电路设计4 2.2.1 压力传感器原理的介绍4 2.2.2 传感器的参数分析5 2.2.3 传感器的接口设计5 2.3液晶显示接口电路设计6 2.3.1 FYLCD1602主要参数6 2.3.2 FYLCD1602接口电路设计7 2.3.3 FYLCD1602显示功能说明73 系统软件思路分析83.1系统软件的设计思路8 3.1.1 开发软件的平台8 3.1.2 主要编程思想83.2压力传感器驱动分析9 3.2.1检测驱动程序流程9 3.2.2系统误差的调试93.3显示屏驱动程序的分析10 3.3.1显示驱动程序的设计思路10 3.3.2显示程序流程图104 系统测试部分12结语14参考文献15致谢16III2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）1 绪论1.1课题背景轮胎作为汽车的关键零件，对汽车的安全行驶特别是防止交通安全事故的发生有着极为重要的意义，现如今，科技的进步使高速交通网络越来越发达，汽车行驶过程中的各种安全问题也迎面而来，而汽车的交通事故绝大多数是胎压不正常所引起的。轮胎需要长时间的在高速度以及高摩擦的条件下进行工作，因此极易发生爆胎事故，这对于汽车安全驾驶是一项重要问题，轮胎爆炸由于它的未知性以及它的无法控制性而成为汽车行驶道路交通安全的重中之重，但在汽车的行进途中，会造成各种紧急突发的交通安全事故，尤其以爆胎为主所造成得到生命财产安全。怎样去避免因为轮胎爆胎导致的安全性问题是我们所考虑的重点。所以实时的对轮胎的压力情况进行测试是很有必要的，特别是容量较大的货车上安全性的问题更加重要，随时应该注意汽车行驶的情况。所以汽车轮胎压力监测系统为解决汽车安全性问题而产生出来。1.2国内外研究现状 现代社会的发展是非常快速的，尤其以科学技术的相关发展更加迅速，各个国家也逐渐开始对轮胎压力监测系统的相关研究，并使胎压监测系统得到了较快发展。 查阅了相关的资料，发现国外的胎压监测系统的产品有着很快速的发展，并且它们的产品的使用度非常可观，如今国外的胎压监测系统的研发的重中之重就是在于开发低能源消耗的监测系统，并且国外的技术已经走在创新的前列，关键在于能够极大的增加汽车行驶的轮胎安全保障，但是相关的胎压监测系统研究在国内发展较晚，导致了国内的各个生产厂家需要引进外来的技术，很难有着自己的创新。目前，国内的研究所存在问题不仅多而且还杂，比如国内的技术水平还达不到要求，所以会导致胎压监测系统的安装较繁琐并且影响美观；而且汽车胎压的参考标准值无法精确设定出来；以及各种外界的因素使轮胎胎压误报严重。根据国内外的发展现状，相关的胎压监测系统产品，由于信号传输的误差存在和传感器的耐用性等问题还有待解决。1.3课题的设计目标 根据轮胎胎压监测系统装置的情况，此设计主要用来实现以下功能： 1）达到预计精准的胎压检测目标，使其更加有效的得到胎压监测的数据分析情况，减小测量误差； 2）使用装置有清晰的思路分析，而且分别由各个模块所构成，其中硬件电路的设计能简单易行，并容易实现对系统的有效操作；3） 在相同或近似的设备测量胎压的情况下，功能性更加强大，误差更小，精确度更加合理； 由胎压监测系统装置的一些情况，此设计需要解决的主要问题：1）相关硬件电路的设计以及电路图的仿真；2）各个功能模块的程序运行和相关系统的调试；3）胎压监测过程中受到其它因素的影响而造成的测量误差。2 系统硬件电路的设计2.1 主控程序的设计及电路分析 2.1.1 系统MCU的简单分析系统的硬件部分主要是分为压力传感器，液晶屏显示，报警电路和MCU构成的四大组成部分，其中MCU的要求是低功耗以及功能性强。相关硬件信号模块中主要有采集和发射两种，同时系统具有信号采集和信号发射的功能，并且通过其中传输的信号由主控制器完成采样工作。然后采用微处理器对相关数据进行分析并处理，随后进行软件的编码将数据发送到接收系统。并且系统硬件电路的框架图都是以单片机作为系统设计的中心部分，并且以单片机为基础链接其他的硬件模块，最后构成了比较完整的系统MCU的构架，如图2-1所示。液晶显示MCU压力感应报警电路 图2-1 总体框图构架2.1.2 主控制器CPU简介单片机STC89C52是包含主要基本功能的CPU，比如具有可擦除和可编程能力，它是一个性能卓越的主控制器。虽然单片机是最小的计算机系统，但是单片机也是比较完整的系统，其中CPU、接口、总线、定时器、内存和实时时钟等全都集成在一块芯片上，而且很多芯片还具有外存部件。单片机也叫做微控制器，微控制器不仅能够完成单一模块的功能要求，而且也能够完成多个功能模块，而且它的总体较小，质量也比较轻，使用开发便利，使简单电路设计学习时的复杂程度大大减小。2.1.3 主控制器电路设计系统所使用的主控制器是STC89C52，主控制器STC89C52芯片包括着40个引脚,高容量的随机存储数据的储存器，多个双向输入和双向输出口，还有定时计数器以及片内时钟振荡器。本设计所采用普通的电源接口，是通过5V的直流稳压电源的适配器来进行供电。主控制器电路主要是包括由复位电路及相应的时钟电路构成，其中先在复位输入的引脚上RST进行初始化同时接上电阻和电容，从而实现单片机的复位操作，这是复位电路的基本操作步骤。而对于主控制的时钟电路，要先构成所需的振荡时钟电路首先必须要外接相应的元件，然后使电容与外界晶体构成并联谐振电路接至主控制放大电路的反馈回路中。其中振荡器频率数值会受到电容的数值大小的影响，这样就会造成振荡器的误差加大使设计结果发生较大偏差，所以根据实际情况，晶体频率可在1.2MHZ12MHZ之间任选，电容的数值选择可在30PF左右。由设计本身的要求，设计的单片机的精巧简易电路图如图2-2所示。图2-2 单片机的电路图2.2压力传感器接口电路设计2.2.1 压力传感器原理的介绍气压传感器BMP180属于一种专用型的压力电阻式传感器，主要由测压元件来组成，这个气压传感器功耗小，精确度比较高，并且尺寸小，使用性强，此传感器是由单电源供电，输出引脚直接和电源相连，这个传感器主要作用于连接相应数据总线的微控制器。而且通过BMP180传感器的只读存储器中的校准值来补偿测量的压力相关数据。BMP180传感器有自动校准的功能，在信号的检测过程中来进行校准。而且传感器在特殊情况下能够恢复到校准时的状态。信号转换结束后，通过串行接口来读取结果值。最后计算其中的压力值。2.2.2 传感器的参数分析根据设计要求，系统最终选用了BMP180压力传感器，其中传感器的性能和参数如表2-1所示。表2-1 性能指标型号压力测量范围电源电压功耗电流分辨率封装BMP1803001100hPa 1.8V3.6V5A0.06hPa无铅陶瓷载体BMP180的供电电压为1.8V3.6V。在标准模式情况下，BMP180传感器的采样率每秒可以达到128个样本，并且使用于动态的测量。在此种情况下，这个传感器满足对测量结果每秒一次的精度。在相同时间段内，将所测量的压力值进行比较，分析误差，得出测量结果。而且校准的系数E2P只读存储器划分在不同相位上。主机需要先读出只读存储器中的数据，然后计算出轮胎的压力值。其中数据通信可以通过检查来体现，如果没有的话可通过其他方式来测量。引脚说明图如表2-2所示。Pin名称注释1VCC接+3.3V电源，为单片机芯片提供所需电能2SDA串行数据，提供数字信号3CLK时钟信号4GND接地，电源的负极表2-2 引脚说明表2.2.3 传感器的接口设计 通过查询相关资料，了解到BMP180通过数据输出接口和MCU进行相应的数据传送。并且BMP180模块需要单独的进行供电，数据传输接口应该要连接至上拉电阻，以此用来提供更加稳定的电压，来保证数据的有效和实时的传输。压力数据字和数据值在运行启动程序之后，写入相关主机发送地址模块，并且运行于只读存储器中。并且该寄存器地址选择了只读寄存器。其中所选择的分辨率情况，在所设置的地址上使可读取的16位字扩展至19位字。BMP180的接口电路图设计如图2-3所示。图2-3BMP180接口设计2.3液晶显示接口电路设计2.3.1 FYLCD1602主要参数表2-3 FYLCD1602主要参数表 项目参考值芯片工作电压（VDD）4.55.5VLCD模块最佳工作电压5.0V显示容量162个字符字符尺寸2.954.35(WH)mm工作电流（背光除外）2.0mA(5.0V) LCD1602是属于数字点阵模的显示屏，通过系统设计显现出设计所需要的数字和字母。根据本设计的要求会在LCD1602液晶显示器上显示测量所需要的数值，而且此液晶显示器可以根据不同的使用功能来进行相应的设置。此LCD1602能够清楚的显示出对应的字母模块和数字模块。而且通过不同的点阵字符位来组成这个显示器，并且每单个点阵字符位都能够对应相应的一个字符。因此LCD1602液晶显示器能够设置字符的间距格式，由此可以了解到它并不能把图形很好的显示出来。FYLCD1602显示模块是一款具有智能显示的功能模块，其中液晶显示模块内部自带着各类数字，英文的字符以及各类符号，为用户的使用和显示的方便提供了良好的便捷性。FYLCD1602的数字显示模块是系计设计所使用的主要方面，同时此功能被最大化的使用于该系统。2.3.2 FYLCD1602接口电路设计图2-4 显示模块接口电路图图中2-4为显示模块接口的电路图，FYLCD1602具有7个引脚，因此为了确保显示数字的稳定，需要5V的直流电源。2.3.3 FYLCD1602显示功能说明FYLCD1602模块是一种功能强大的液晶显示模块，其内部自带数字，英文及英文符号来显示相关数据。此显示模块是显示设计所设定的时间，如果LCD1602通上电源电压，该显示模块会自动恢复至默认的状态。其中系统设计的主要使用功能在于FYLCD1602的数字显示，如此使显示功能被利用起来。2.4 报警电路模块接口电路报警电路模块主要是完成所需要显示压力的状态，如果超出预设定值，则会自动报警，报警电路图如图2-5所示。图2-5 报警电路模块接口电路图3 系统软件思路分析3.1 系统软件的设计思路3.1.1 开发软件的平台STC89C52是一个具有高性能，损耗低，而且几乎无干扰的8051的单片机。并且该设计所使用的软件开发工具使VC+6.0。VC+6.0是一项相当优越的8051单片机的软件开发使用工具，它的操作简单，而且它的功能也很强大，仿真功能和效果很突出，所以选择它作为软件开发工具。其中软件开发平台是Keil-uVision4。它提高了开发使用的效率，实现了更快速，更稳定的，更加优秀的程序开发。3.1.2 主要编程思想开始开关总断允许外部中断及定时器中断1602初始化显示和定时器初始化设置 读取压力值判断压力是否超出范围 压力显示图3-1 程序流程图其中程序流程图如上图3-1所示。系统的软件也是系统设计中组成极其重要的部分，相比较硬件来说，系统硬件仅仅只能实现各个硬件模块的有机互相链接，而软件编程是系统对应设计部分的主体。通过编写程序，然后运行和调试，软件编程部分一般情况下都可以实现设计所需要的大部分功能。3.2 压力传感器驱动分析3.2.1检测驱动程序流程启动数据端口定义写入测压命令计算压力值图3-2 检测驱动程序流程图图为胎压监测系统检测驱动程序的操作流程图。设计程序在运行启动后，会开始进行依次的代码执行，而且执行过程中会进入不同的中断。其中胎压检测的中断程序，表现的是对压力的实时监测。开启程序并且进入中断之后，数据会经过行初始数据口的定义，写入并且计算压力值，最后显示出轮胎的压力数值。3.2.2系统误差的调试本设计采用的传感器一定会产生误差，这些都是不可避免的，但是我们依旧可以找寻方法，然后实现误差的最小化。各类传感器本身主要使因为其中的硬件误差。现如今因为数字式的传感器优点很多，有着体积小，损耗低及其可靠性强的特点，很好的解决了以往老式传感器的缺点，根据设计所需要的传感器灵敏度和稳定性大小等一系列的误差问题，最终选定了BMP180，同时现在的传感器的类型多样，分析设计面临的多方面因素，了解到此传感器它是一种压电阻式的传感器，并且它的适用参数范围在300-1100kpa内，还自带有一个数字式的串行通讯口。因此此传感器可以极其方便的适应不同情况的设计模块需求并应用于单片机系统中。BMP180拥有多个引脚的无铅陶瓷的载体封装，所以在应用时不需要其他的外部器件，就能够对电源电压信号进行相应的测量和检测，并且在不同压力值情况下能够较精确的计算出数据补偿值。总之，在设计中应该充分考虑各种情况的发生，一定要反复的运行和调试，来让检测误差变到最小。3.3 显示屏驱动程序的分析3.3.1显示驱动程序的设计思路LCD1602液晶显示屏是电子类产品所常用的显示设备。而且它也是一个非常简单的显示屏的设备，相对于数码管而言，在进行反射式显示设备时它才会有显示相关数值，所以有时候显示时必须加背光。LCD1602有俩行，并且每行具有16个单元的显示单位，而且LCD1602的指令具有写数据和写命令两种，由于LCD1602液晶显示屏的引脚相对较多，而且需要和MCU依次进行连接，因此显示模块的程序编程有着一定的难度，其中主要是数字显示的部分和相关的字符编程。当编译的程序运行时，单片机会及时发送初始的信号，并使液晶屏先初始化，通过相关的编程指令设置成初始状态，随后处理显示屏里面的内容的设置和编辑、字体格式大小以及屏幕的亮度等一系列的情况，当所有的设置完成并且校验无误后通过发送字符串来进行显示。3.3.2显示程序流程图LCD初始化Y判断LCD忙N允许写数据显示结束图3-3 显示程序流程图先对LCD1602进行初始化的设置，然后判断其显示模块的状态。在进行初始化后，显示屏上会显示出初始状态的压力值，之后进行数据的整理，当系统的显示模块处在忙碌的状态时就会进行写数据的操作，而当显示模块在非忙碌的情况下时，显示器模块才会对数据进行读写，接着就会在显示屏上显示出来，而且会进行持续不断的数据更新。 4 系统测试部分系统的测试部分是将已经完成的硬件和软件设计等进行链接，互相结合，而且需要对各种组装设计进行必要的测试，在整个设计基本完成以后，需要对系统进行全方位的测试及处理，发现不正确的设计必须加以改正。当设计装置的软件和硬件部分进行有机连接后，需要在模拟环境中对系统进行相应的检查，检测出的有问题的部分需要进行整改，如此进行下去使系统达到最优化。测试部分主要是在软件和硬件部分，相应软件所运行的程序在相应硬件上是否能够有效的实施，是检测设计效果的必要途径。在测试开始时，先对软件程序进行测试。在一段时间的延时后，继续检测显示模块的胎压力显示值。当需要测量的压力显示的过高或者过低时，观察相关程序是否跳出了压力测量的程序并且进行报警。随后测试相应程序是否有中断效果，当软件的测试完成之后需要对系统的硬件进行测试。首先电路的各个节点之间连接正常，并没有发生短路或者断路的情况。而且系统模块没有损坏问题，一切显示正常。硬件部分会先显示初始轮胎压力值，通过传感器的检测，所得数据经过显示模块来显示，从而得到轮胎的相关压力值。在测试的过程中发现并没有出现压力测试值显示出有较大偏差的情况。和其他的压力检测仪器的测量结果相比较而言，发现误差相差不大，在测量精度下测试结果是能够记录的。而且经过反复测试，系统并没有发生其他异常的情况。第 11 页 共 16 页2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）结语这次毕业设计主要研究的关于胎压监测系统的设计，能够对汽车车胎进行简单的压力值的显示，而且会进行相应的报警，因为这项设计课题在生活中的使用频率相当之高，所以有着相应的研究意义，另外本次毕业设计让我提高了系统PROTEL软件，PROTUES等软件的操作能力，该设计也锻炼了自己的动手实践能力，让自己了解到许多软件和硬件程序。本次胎压监测系统的设计是用89C52作为微处理器，并且以BMP180来检测相应压力的数值，其中这类压力传感器的精确度比较高，并且尺寸小，易操作的特点，使设计变得简单易操作，用压力传感器BMP180主要是对压力的进行检测，将压力的数据模拟信号通过传感器转换成数字信号，得到的数据经过单片机STC89C52进行分析和处理，然后给LCD1602液晶显示提供相应数据，然后使得到的压力结果显示在LCD1602显示屏中，这次设计对我帮助很大，让我意识到自己的不足之处，但是这次设计也对未来压力测量及压力电子产品的出现具有很大的意义。参考文献1 李延廷.汽车轮胎胎压监测电路设计J.中国新技术新产品,2016,22:58-59. 2 毕清磊.基于单片机控制的无源无线胎压监测系统J.汽车工业研究,2016,02:60-63. 3 李文新.基于胎压识别超载或偏载货车的方法研究J.中国安全科学学报,2016,01:142-147.4 梁涛,杨伟达,杨玉坤,王睿.多无线传感模式的TPMS设计J.传感技术学报,2016,03:456-461.5 李占旗,张蕾.胎压监测系统测试试验台的研发与设计J.国外电子测量技术,2016,03:27-31. 6 单经纬.基于频域特征分析的间接式胎压监测算法研究D.吉林大学,2016. 7 曹庆,刘博,赵鸣.基于物联网的结构施工监测技术应用J.电子测量技术,2016,04:169-172. 8 朱敏慧.胎压监测系统提高行车安全J.汽车与配件,2016,19:50-51.9 刘捷.基于STC单片机的轮胎气压自动控制与报警系统设计J.现代电子术,2016,17:109-111. 10 王爱国,李源.基于安全制动的自动档汽车爆胎控制系统设计J.铜仁学院,2016,04:117-120.11 张小帅.自动膜片弹簧离合器接合转矩实时估计和最优控制研究D.北京交通大学,2016. 12 潘粟城.车载蓝牙胎压监测技术研究D.华东理工大学,2016.13 刘月行.胎压监测发电装置用压电振子优化设计与实验研究D.吉林大学,2016.14 郭珣,于永彦.胎压监测故障报警的典型案例分析A.中国汽车工程学会.2016中国汽车工程学会年会论文集.15 FANSLER,Tom PEOPLENET Co.WABCO (Company) Bulk Transporter. Apr2016, Vol. 78 Issue 10, P47.第 15 页 共 16 页致谢首先要感谢我的指导老师侯晓云，论文无论从选题、文字格式及处理直到最终定稿的全过程都是在侯晓云老师的认真指导和严格要求下完成的。在这里我要特别感谢本次毕业设计给我们这个锻炼的机会，不管是从理论还是实践操作上对于我个人都有很大的帮助。在侯老师的细心指导下让我完成了整个设计，无论是从选题还是在设计过程中，侯老师都给予我很多指导，也让我从单纯的理论知识上到实际的操作中都有了很大的提高，让我懂得了很多东西，所以在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。通过这个设计，让我自己认识到其中的不足之处，所以本次设计对我来说是意义重大的，让我决定要更努力的学习相关知识来充实自己，完善自己，让自己的梦想能够早日实现。附录压力监测装置的电路图第 17 页 共 25 页