基于單片機(jī)的胎壓監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

張威?王寧波?陳美玲

摘? 要：以STC89C51為控制核心，傳感器測(cè)量汽車的輪胎的氣壓和溫度，并將傳感器測(cè)得的壓力和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)，以此來(lái)通知駕駛員，在胎壓出現(xiàn)異常時(shí)，提前預(yù)警。此設(shè)計(jì)用3個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置輪胎壓力溫度的限值，來(lái)與測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定好壓力和溫度范圍之后，一旦輪胎的實(shí)際壓力和溫度超過(guò)設(shè)定好的數(shù)值時(shí)，警報(bào)器響起來(lái)，警報(bào)燈會(huì)亮起來(lái)，系統(tǒng)中還加了存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)斷電也能很好地保存數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此胎壓檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置，存儲(chǔ)，預(yù)警的功能。

關(guān)鍵詞：胎壓監(jiān)測(cè);溫度測(cè)試;預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP873? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）02-0070-05

Abstract： Taking STC89C51 as the control core， the sensor measures the tire pressure and temperature of the vehicle， and displays the pressure and temperature data measured by the sensor through the LCD screen， so as to inform the driver and give early warning in case of abnormal tire pressure. This design uses three keys to set the temperature limit of tire pressure to compare with the measured real-time data. After setting the pressure and temperature range， once the actual pressure and temperature of tire exceed the set value， the alarm will sound and the alarm light will light up. The system also adds a memorizer to save the data very well when the system is powered off. After testing， the tire pressure detection device can realize the functions of setting， storage and early warning.

Keywords： tire pressure monitoring; temperature test; early warning

0? 引? 言

當(dāng)下因?yàn)榻?jīng)濟(jì)飛速地發(fā)展，汽車成了幾乎人人必備的交通工具，Speed變得愈來(lái)愈快，所以汽車行駛時(shí)候的安全性也變得極為重要，而造成車禍很重要的原因就是輪胎爆炸。根據(jù)相關(guān)資料顯示，在中國(guó)，因?yàn)檩喬ケǘ斐傻能嚨溦冀^大多數(shù)，所以在汽車行駛的時(shí)候必須防止輪胎爆炸，而決定汽車輪胎爆炸是否的關(guān)鍵因素就是輪胎的壓力與溫度，即汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TPMS）。在汽車上安裝TPMS可以防止這些交通事故[1]。

車輛的每一個(gè)輪胎里都安裝有壓力傳感器，傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部的氣體壓力，所測(cè)得的信號(hào)可通過(guò)單片機(jī)信號(hào)收發(fā)裝置調(diào)制后通過(guò)無(wú)線電波放射出去，駕駛室的電子屏幕接收這一信號(hào)，并顯示在屏幕上，一旦超過(guò)所設(shè)定的限值，便會(huì)發(fā)出報(bào)警。間接型和直接型是目前大多數(shù)TPMS兩個(gè)最主要的類別;第一種是利用Velocity difference來(lái)監(jiān)視輪胎的壓力情況，但是當(dāng)汽車行駛速度非常高的時(shí)候，所測(cè)量的數(shù)據(jù)的精度便會(huì)大大降低;第二種就是利用壓力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車的輪胎壓力，精確度高，所以被普遍使用于TPMS上。

因此設(shè)計(jì)一個(gè)可以檢測(cè)4只輪胎的胎壓值，并用液晶顯示器顯示;當(dāng)胎壓超過(guò)一定值時(shí)進(jìn)行告警是非常有意義的。

1? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在選擇器件時(shí)需要注意，不同的模塊有不同的功能，而且每個(gè)模塊都有很多種不同的實(shí)現(xiàn)方法，但在實(shí)際的運(yùn)用中，要選擇最合適的方案來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)的硬件電路由五大模塊以及相關(guān)的外圍電路組成，選擇適合本次設(shè)計(jì)的器件，并將各個(gè)模塊的器件合理組合最終完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。

采用的主控芯片是STC系列的單片機(jī)。因其功耗較低，并且有著較強(qiáng)的抗干擾能力，而且它能和大部分常用的傳感器模塊、通信模塊相連接，所以選用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片。本設(shè)計(jì)的具體系統(tǒng)方案，如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STC89C51是51單片機(jī)系列中性能較好、功耗較低的一款微處理器，它繼承了其他51單片機(jī)經(jīng)典的內(nèi)核，但在其他方面做了重大的改變，它擁有4K的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，這可以使它能很好地保存數(shù)據(jù)，即使在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷電等故障，也無(wú)傷大雅，因?yàn)樗梢宰龅綌嚯姳４鏀?shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)以STC89C51為控制核心，汽車輪胎的氣壓和溫度可以通過(guò)傳感器測(cè)得，并將傳感器測(cè)得的壓力和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)，以此來(lái)通知駕駛員。用了3個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置輪胎壓力的溫度的限值，來(lái)與測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定好壓力和溫度范圍之后，一旦輪胎的實(shí)際的壓力和溫度超過(guò)設(shè)定好的數(shù)值時(shí)，警報(bào)器響起來(lái)，警報(bào)燈會(huì)亮起來(lái)，系統(tǒng)中還加了存儲(chǔ)器，所以系統(tǒng)斷電也能很好地保存數(shù)據(jù)。

復(fù)位電路包括了上電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種復(fù)位模式，如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)接入電源的時(shí)候，電容相當(dāng)于開(kāi)路，所以電源就全都作用在電阻上，復(fù)位端口輸入高電平，因此整個(gè)系統(tǒng)被復(fù)位，這就是所謂的上電復(fù)位。當(dāng)按下自帶的按鈕之后，電容被短路，電源跟上次一樣全部作用于電阻之上，復(fù)位端口的輸入為高電平，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，這就是所謂的按鍵復(fù)位。

硬件選取按照需求分別采用LCD1602液晶顯示屏，它可以顯示出其他顯示屏不能顯示的東西，比如說(shuō)：字母，字符，數(shù)字以及其他我們可以通過(guò)人為編程所自定義的符號(hào)。它與其他的液晶顯示屏控制原理基本相同，但耗能低，運(yùn)行速度快，運(yùn)行流暢等特點(diǎn)。

采用EMP180氣壓溫度傳感器，該傳感器工作時(shí)的電壓較低，所以損耗較小，整體性能較好，工作穩(wěn)定，但是不能防水，所以對(duì)工作環(huán)境要求較高。該傳感器中已經(jīng)儲(chǔ)存了個(gè)人的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這可以用來(lái)補(bǔ)償偏移量和其他的一些參數(shù)。

選擇AT24C02存儲(chǔ)芯片，它的存儲(chǔ)容量為2 KB，該芯片可以儲(chǔ)存256個(gè)8位字節(jié)，而且耗能很低，它具有與其他芯片不同的讀寫保護(hù)功能，因?yàn)槠瑑?nèi)有頁(yè)寫入緩沖區(qū)。它具有片內(nèi)子地址尋址和芯片尋址兩種尋址方式。它的可靠性參數(shù)如表1所示。

選擇有源電磁式蜂鳴器，它的正常的工作電壓為5 V。但它有一個(gè)缺點(diǎn)：它的正常工作電流稍微有點(diǎn)大，所以C51單片機(jī)的外部I/O口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)這個(gè)蜂鳴器運(yùn)行，所以要用PNP三極管組成一個(gè)放大開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)它。蜂鳴器工作的條件：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸入/輸出接口輸出低電平時(shí)，三極管電路導(dǎo)通;蜂鳴器不工作的條件：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸入/輸出接口輸出接口輸出高電平時(shí)，三極管電路截止，蜂鳴器沒(méi)有電流流過(guò)，處于非工作狀態(tài)。具體接線圖如圖3所示。

使用直流5 V電源作為系統(tǒng)的供電電源，利用外部適配器將家用220 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓輸出為系統(tǒng)的的硬件各模塊供電。電路設(shè)計(jì)中通過(guò)S1按鍵開(kāi)關(guān)輸入的5 V直流電壓。電路中的C1電容與R2電阻起到了濾波和穩(wěn)壓的作用，以保證輸入穩(wěn)定的5 V直流電壓，LED0為電源指示燈用于輸出電源接通提示。

采用了兩個(gè)LED燈來(lái)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到的溫度超過(guò)當(dāng)前設(shè)定的限值，而壓力沒(méi)有超過(guò)當(dāng)前所設(shè)定的限值，路燈便會(huì)亮起;當(dāng)檢測(cè)到的壓力值超過(guò)所設(shè)定的限值，紅燈便會(huì)亮起來(lái);當(dāng)所測(cè)量到溫度和壓力的值都超過(guò)當(dāng)前所設(shè)定得限值，綠燈和紅燈都會(huì)亮起來(lái);當(dāng)溫度與壓力都沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的限值，兩個(gè)燈變都不會(huì)亮起來(lái)。硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試

采用Keil μVision4進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。此平臺(tái)應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，方便開(kāi)發(fā)人員使用，可以在單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)時(shí)還可以生成單片機(jī)能直接運(yùn)行的.hex文件，通過(guò)相關(guān)的編譯器或串口助手與單片機(jī)進(jìn)行連接，使用單片機(jī)RXD、TXD串口進(jìn)行編譯下載。在編寫程序時(shí)采用靈活的模塊化編程方式，主程序是硬件電路驅(qū)動(dòng)程序的主體部分，它保證了程序運(yùn)行的先后順序，以及執(zhí)行中斷指令的時(shí)間，將各個(gè)模塊的程序進(jìn)行調(diào)用，使編程清晰簡(jiǎn)單，不易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

一個(gè)程序必須包含主程序和其他函數(shù)，比如讀寫程序，顯示程序等等。此設(shè)計(jì)的主函數(shù)流程圖如圖5所示。一開(kāi)始對(duì)顯示器進(jìn)行初始化，然后讀取存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片里的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行安檢監(jiān)測(cè)，按鍵監(jiān)測(cè)正常后，便可以來(lái)處理傳感器所測(cè)得的一些數(shù)據(jù)，將它顯示在液晶屏幕上;如果監(jiān)測(cè)不正常，屏幕則會(huì)顯示設(shè)置頁(yè)面。

本設(shè)計(jì)中采用Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行仿真調(diào)試，仿真設(shè)計(jì)的電路圖如圖6所示。

本設(shè)計(jì)采用LCD液晶顯示屏來(lái)顯示溫度和壓力，其運(yùn)行狀態(tài)如圖7所示。

仿真運(yùn)行時(shí)，當(dāng)壓力值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，蜂鳴器開(kāi)始工作發(fā)出聲音，警報(bào)燈發(fā)光。此時(shí)的仿真運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

實(shí)現(xiàn)了3個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置輪胎壓力的溫度的限值，來(lái)與測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定好壓力和溫度范圍之后，一旦輪胎的實(shí)際的壓力和溫度超過(guò)設(shè)定好的數(shù)值時(shí)，警報(bào)器響起來(lái)，警報(bào)燈會(huì)亮起來(lái)。

4? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)以STC89C51為控制核心， 汽車的輪胎的氣壓和溫度可以通過(guò)傳感器測(cè)得，并將傳感器測(cè)得的壓力和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)，以此來(lái)通知駕駛員。通過(guò)監(jiān)測(cè)輪胎的氣壓和溫度兩個(gè)感應(yīng)參數(shù)，用了3個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置輪胎壓力的溫度的限值，來(lái)與測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定好壓力和溫度范圍之后，一旦輪胎的實(shí)際的壓力和溫度超過(guò)設(shè)定好的數(shù)值時(shí)，警報(bào)器響起來(lái)，警報(bào)燈會(huì)亮起來(lái)。實(shí)現(xiàn)了汽車胎壓監(jiān)測(cè)裝置的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。從仿真調(diào)試的結(jié)果看，實(shí)物能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)中對(duì)系統(tǒng)功能的要求，不僅可以測(cè)量壓力，而且可以實(shí)時(shí)測(cè)量溫度。系統(tǒng)中還加了存儲(chǔ)器，能夠在系統(tǒng)斷電也能很好地保存數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：張威（1982—），男，滿族，吉林四平人，技術(shù)經(jīng)理，助理工程師，本科，研究方向：自動(dòng)化控制，工業(yè)自動(dòng)化。