基于MSP430的汽車輪胎壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-郭良振

基于MSP430的汽車輪胎壓力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)方法ExperimentalMethod04致謝Thanks07PARTONE研究背景研究背景4這段時(shí)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(shí)代的今天，汽車行業(yè)無論在技術(shù)上還是管理上都進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)成熟的階段。與此同時(shí)，汽車安全在當(dāng)今時(shí)代仍然十分關(guān)注。因此，研究汽車輪胎壓力對(duì)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(guó)汽車交通數(shù)據(jù)占全世界的20%。與此同時(shí)，中國(guó)是每年因交通事故死亡人數(shù)最多的國(guó)家，而且常年居于榜首。

和海運(yùn)、鐵路、航空做比較，公路發(fā)生交通意外的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)。在信息時(shí)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(dòng)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(dòng)以及汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)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(jì)，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(shí)，由于時(shí)速很快，一旦汽車發(fā)生爆胎情況，多數(shù)都會(huì)導(dǎo)致汽車失控進(jìn)而會(huì)可能造成喪命的風(fēng)險(xiǎn)。

一大批的國(guó)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(shí)，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(jì)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(shí)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(guó)外來說，中國(guó)的TPMS起步很晚，這與我國(guó)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(jìn)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(duì)直接型TPMS進(jìn)行研究，提出了一些切實(shí)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(cè)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(guó)自身?yè)碛凶灾鞯闹R(shí)產(chǎn)權(quán)。PARTTWO基本概念基本概念7對(duì)于汽車輪胎內(nèi)部氣體壓力的測(cè)量，目前可以分為間接式和直接式兩種測(cè)量方法。間接式測(cè)量法（Wheel-SpeedBasedTPMS，簡(jiǎn)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(dá)到監(jiān)測(cè)胎壓的目的。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的重量會(huì)使輪胎直徑變小，這就會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化，這種變化即可用于觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來向司機(jī)發(fā)出警告。直接式測(cè)量方法（Pressure-SensorBasedTPMS，簡(jiǎn)稱PSB），這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來直接測(cè)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(duì)各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。當(dāng)輪胎氣壓太低或漏氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)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(jí)的功能，隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際瞬壓，很容易確定故障輪胎。間接系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低，已經(jīng)裝備了4輪ABS(每個(gè)輪胎裝備1個(gè)輪速傳感器)的汽車只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)。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(huì)無法正常工作，例如同一車軸的2個(gè)輪胎氣壓都低時(shí)。由直接式TPMS較于間接式TPMS的優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇直接式的測(cè)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(cè)系統(tǒng)，是用在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)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(gè)輪胎上的壓力和溫度檢測(cè)模塊來直接獲取測(cè)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(gè)輪胎的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，然后及時(shí)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(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總方案,包括汽車輪胎里檢測(cè)系統(tǒng)的的測(cè)量發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)、無線接收模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊的設(shè)計(jì)、RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計(jì)、液晶顯示器模塊的設(shè)計(jì)、信號(hào)放大器處理模塊的設(shè)計(jì)和中央處理模塊的設(shè)計(jì)。（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(jī)中，這樣可以利用時(shí)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(dá)到1μA。程序部分主要包括主程序設(shè)計(jì)、壓力傳感器采集子程序設(shè)計(jì)、溫度傳感器采集自程序設(shè)計(jì)、無線收發(fā)模塊子程序設(shè)計(jì)、電源管理模塊子程序設(shè)計(jì)和LCD顯示模塊子程序設(shè)計(jì)。PARTFOUR試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法12考慮到對(duì)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(cè)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(jìn)行描述。PARTFIVE硬件發(fā)射端硬件設(shè)計(jì)14數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊要求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力和溫度兩個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)的信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波放大，做一些信號(hào)調(diào)試上的處理，然后以射頻調(diào)制信號(hào)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(jì)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(hào)，并且要求能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。射頻單元模塊實(shí)現(xiàn)在微控制器作用下，對(duì)調(diào)制后的無線射頻信號(hào)進(jìn)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(jiǎn)單，同時(shí)要求發(fā)射功率要大。無線射頻收發(fā)端設(shè)計(jì)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(hào)，并且要求能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。射頻單元模塊實(shí)現(xiàn)在微控制器作用下，對(duì)調(diào)制后的無線射頻信號(hào)進(jìn)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(jiǎn)單，同時(shí)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(jī)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(hào)的內(nèi)置天線這幾部分構(gòu)成。其中，單片機(jī)為主的微控制器系統(tǒng)是核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)射頻單元模塊的控制和信號(hào)傳輸過程中的基帶信號(hào)的調(diào)試。要求單片機(jī)外形尺寸要小，穩(wěn)定性能要高，運(yùn)行速度要快，綜合各方面的因素還是選擇了MSP430系列單片機(jī)。LCD顯示端設(shè)計(jì)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(jìn)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(hào)并進(jìn)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(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成相對(duì)來說容易測(cè)量和衡量電信號(hào)作為輸出，給LCD顯示屏顯示壓力值。本次設(shè)計(jì)采用的是MD-PS002型壓力傳感器，具有體積小、量程大等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)間越短、反應(yīng)越快、精度越低。單總線，即沒有時(shí)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(shí)間和采樣時(shí)間來完成，所以時(shí)序要求很嚴(yán)格。作為最受歡迎的一款溫度計(jì)，它在實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后通過這個(gè)引腳將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)核心-MSP430F149，供單片機(jī)處理和計(jì)算。原理圖20

PARTSIX軟件系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)22

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

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

系