基于單片機的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

基于單片機的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),基于,單片機,汽車輪胎,監(jiān)測,系統(tǒng),設計,實現(xiàn) 本科學生畢業(yè)設計 基于單片機的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 系部名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程07-8班 學生姓名： 張龍飛 指導教師： 范德會 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design and Implemtation of Tire Pressure Detection System based on SCM Candidate：Zhang Longfei Specialty：Vehicle engineering Class： 07-8 Supervisor：Associate Prof. FanDehui Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 隨著社會經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，公路交通已經(jīng)成為關系國民經(jīng)濟命脈和社會、經(jīng)濟發(fā)展的重大系統(tǒng)，但隨之而來的交通事故給人的生命安全和經(jīng)濟發(fā)展造成了重大損失。爆胎是引起交通事故的主要原因，保持標準的車胎氣壓行駛是防止爆胎的關鍵，胎壓檢測系統(tǒng)(TPMS)是由此應運而生的一項汽車安全防范系統(tǒng)。胎壓檢測系統(tǒng)主要用于汽車行駛過程中對汽車胎壓與溫度的實時檢測，當出現(xiàn)異常狀態(tài)時進行報警，從而保障駕乘者的行車安全。本課題研究的目的是開發(fā)一種用于機動車輛上的無線胎壓檢測系統(tǒng)。 本文提出了一種基于無線技術的胎壓檢測系統(tǒng)方案，給出了系統(tǒng)總體結構框圖，闡述了系統(tǒng)硬件電路和各模塊軟件的設計方法。硬件設計綜合運用了檢測技術、單片機技術及無線通信技術，其中發(fā)射模塊能實時檢測、處理輪胎的壓力和溫度參數(shù)，并運用無線方式將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K；接收模塊能校驗數(shù)據(jù)并顯示結果，用以告知駕駛員各個輪胎的情況。軟件設計包括發(fā)射模塊和接收模塊兩部分，具體為發(fā)射模塊和接收模塊的初始化、數(shù)據(jù)測量及處理，發(fā)射及接收程序。 關鍵詞：胎壓檢測系統(tǒng)；無線通信技術；傳感器；射頻收發(fā)；C語言 ABSTRACT With the socio．economic and science and technology development，road traffic has become the major system of the national economy and the social，economic development，however,traffic accidents following resulted in significant losses about the lives and safety of people and economic development．Puncture is the main cause of traffic accidents，keep driving in standards tire pressure is the key to prevent puncture，Tire pressure detection system(TPMS)which bom as a car security system．Tire pressure monitoring system is mainly used for real-time tire pressure and temperature monitoring in the process of driving to protect the occupants of the driving safety when the abnormal state of alarm．The purpose of this research is to develop a wireless RF transmission tire pressure monitoring system which used in motor vehicle． This paper proposed a wireless technology based on the fire pressure monitoring systems programs，gave the overall system design block diagram and explain the system hardware circuit design and software design of the modules．Hardware circuit mainly uses sensor detection technology,single-chip technology and wireless communication technology,transmitter module can detect，deal with the tire pressure and temperature parameters real—time，and transmitted data processed to the receiver module use the way of wireless．Receiver module cail calibration data and display the result to inform the driver of the situation of all tires．Software design contains transmitter module and receiver module，specific for transmitter module and receiver module initialization，data measurement and processing，send and receive procedures． Key words：tire pressure monitoring system，wireless communication technology sensor,anti-jamming，RF transceiver，C language II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒 論 1 1.1選題的背景 1 1.2 課題的目的及意義 3 1.3 課題主要工作 4 第2章 系統(tǒng)整體方案設計 5 2.1 系統(tǒng)設計要求 5 2.2 系統(tǒng)設計方案 5 2.2.2 發(fā)射模塊 6 2.2.2 接收模塊 6 2.3 元器件選擇 6 2.4 關鍵技術研究 7 2.4.1 頻率選擇 7 2.4.2 信號編碼方式 7 2.4.3 輪胎定位技術 8 2.5 本章小結 8 第3章 發(fā)射模塊的設計 9 3.1傳感器單元的硬件電路設計 9 3.1.1 DS18B20工作方式 9 3.1.2 ADC0809工作方式 10 3.1.3 DS18B20溫度檢測程序 13 3.2發(fā)射單元的硬件電路設計 17 3.2.1 發(fā)射單元控制電路 17 3.2.2 發(fā)射單元發(fā)射電路 18 3.3發(fā)射模塊的軟件設計 18 3.3.1 編程工具選用 19 3.3.2編程語言及開發(fā)軟件的選用 19 3.3.3通信協(xié)議 19 3.3.4軟件設計 21 3.4 本章小結 25 第4章 接收模塊的設計 27 4.1接收模塊的硬件電路設計 27 4.1.1射頻接收單元的硬件電路設計 27 4.1.2射頻接收單元工作方式 29 4.1.3顯示報警單元電路設計 35 4.1.4蜂鳴器報警單元電路設計 35 4.1.5電源單元設計 36 4.2接收模塊的軟件設計 36 4.3 本章小結 40 第5章 系統(tǒng)測試 41 5.1 概述 41 5.2 信號實時傳輸顯示測試 41 5.3 溫度超過預警值報警測試 42 5.4 模擬壓力超過預警值報警測試 43 5.5 模擬壓力和溫度超過預警值報警測試 43 5.6 本章小結 44 結 論 45 參考文獻 46 致 謝 47 附錄 48 第1章 緒 論 1.1選題的背景 本世紀初，由于凡世通(Firestone)輪胎的質量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷，此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關注，普利斯通、凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學會最近的調查，美國每年有26萬交通事故是由于輪胎壓力低或滲漏造成的，此外，每年75％的輪胎故障是出于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成巨大的經(jīng)濟損失，美國政府要求汽車制造商加速發(fā)展胎壓檢測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，簡稱TPMS)，以減少輪胎事故的發(fā)生。 近年來汽車電子產品得到了飛速發(fā)展，并已經(jīng)形成了獨立的汽車電子產業(yè)。汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是一項集先進傳感器技術、無線通訊技術、信息處理實時測控技術、嵌入式系統(tǒng)應用技術等于一體的高新技術汽車電子產品。TPMS實時的對汽車輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣，低氣壓，氣壓過高及溫度過高等輪胎狀況進行預警，以保障汽車行駛安全。 目前TPMS主要有兩種實現(xiàn)方式：直接TPMS和間接TPMS。間接TPMS是與車輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)一起使用的。ABS采用車輪轉速傳感器測量每個車輪的轉速。當一個輪胎的氣壓減小時，滾動半徑就減小，而車輪的旋轉速度就相應地加快。指示燈會提示司機，有一個輪胎處于低壓狀態(tài)。但是，間接TPMS有一定的局限性。第一是指示燈無法指出是哪個輪胎處于低壓狀態(tài)。第二，當同一車軸或同一側的兩個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，它無法檢測出究竟是哪個輪胎充氣不足。第三，如果所有四個輪胎都處于低壓狀態(tài)，該系統(tǒng)不會發(fā)現(xiàn)這一故障。另外，氣壓不足時輪胎直徑的減少和氣壓的降低非常微小。對于薄胎來說，69kPa的壓降只會使輪胎直徑減小1 m m 。這種壓降不符合美國的最終判定規(guī)則所規(guī)定的25%原則，采用間接方法進行檢測在很大程度上依賴于輪胎和負載因子。直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進行分析，分析結果將被傳送至安裝在車內的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個輪胎充氣不足。由于直接TPMS可直接測量每個輪胎的氣壓，因此當任何一個或幾個輪胎處于低壓狀態(tài)時，它們都會被檢測出來，當車輛的所有四個輪胎都處于低壓狀態(tài)時也可以檢測到。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測到7 kPa的壓降。 國外對于TPMS系統(tǒng)的研究起步較早，20世紀70年代末歐洲的一些發(fā)達國家就開始對輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)進行研究。英國Lucas公司早在1981年就推出了駕駛室設置接受器和每個車輪均有傳感器的裝置模型。隨后，C．RK公司和Marketing公司也相繼開發(fā)出了自己的產品，基本結構是由傳感器、信號發(fā)生器和接收器三部分組成，傳感器安裝在輪輞上，直接檢測輪胎的內壓。德國Doduco公司研制的Primac系統(tǒng)，可以同時監(jiān)測輪胎的壓力和溫度。德國Wabeo公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS(制動防抱死系統(tǒng))傳感器監(jiān)測輪胎壓力的新裝置。wabCO系統(tǒng)由一個3／2通道的控制閥和一個與輪胎氣門嘴相接的氣缸組成，當輪胎氣壓變化時，氣缸活塞使ABS傳感器信號發(fā)生變化，與ABS共用一個電子控制單元。Bosch公司的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由裝在輪輞上的壓力傳感器、帶有顯示器的電子部件和高頻收發(fā)機三部分組成，與ABS一起工作，已經(jīng)開始成批量的裝載汽車上。英國S．P公司研制的DWS系統(tǒng)(漏氣報警系統(tǒng))，可以把輪胎壓力降低的信號通知駕駛員，系統(tǒng)利用ABS傳感器測量輪胎的滾動半徑，通過計算程序監(jiān)測輪胎氣壓。 國外因立法較早，其開發(fā)生產的TPMS已經(jīng)相當成熟，能夠經(jīng)受5．7萬公里的使用測試。主要生產商有加拿大斯馬輪胎設備(SmarTire Systems)公司，固特異輪胎橡膠公司，米其林集團公司，諾基亞輪胎公司，日本橫濱公司等。現(xiàn)在國外的TPMS的研發(fā)重點在于開發(fā)無源的TPMS，如采用SAW這類無源器件的頻率變化來監(jiān)測輪胎壓力的變化。日本阿爾卑斯電氣公司開發(fā)的不需電池的汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)最近通過有關試驗驗證，符合歐洲及美國的電磁波相關法律規(guī)定，今后將以行駛條件及輪胎種類等因素的影響為中心進行評測，計劃在歐美、日本等地進行實地試驗，2004年8月開始提供樣品，2006年投入批量生產。 國內對于TPMS的研究起步較晚，只是近幾年才開始進行研究。最新的中華人民共和國國家標準“機動車運行安全技術條件”中的安全防護裝置條款中規(guī)定：“車長大于6m的長途客車和旅游客車、最大設計總質量大于12000kg的載貨汽車和載貨牽引車應安裝輪胎壓力報警裝置；有關部分機動車應安裝輪胎壓力報警裝置的要求，自本標準發(fā)布之日起第25個月開始對新注冊車實施”?？梢娢覈呀?jīng)開始重視汽車輪胎氣壓監(jiān)測設備的發(fā)展和應用。 現(xiàn)在國內有許多汽車配件商開始代理銷售國外的TPMS系統(tǒng)。在上海和重慶及廣東等地有幾家公司開始投入生產并銷售TPMS，典型產品如：上海泰好電子科技有限公司的“泰好”牌TPMS--204型汽車輪胎壓力監(jiān)測器，重慶三信電子有限公司的TPMS．S1R4A輪胎壓力監(jiān)測顯示系統(tǒng)，福州東球金口哨輪胎防爆有限公司的“金口哨汽車輪胎漏氣報警哨”，上海保隆工貿有限公司的“迪吉泰”輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，佛山市安力信科技有限公司“泰杰”牌TPM系列輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)等。 吉林大學、北京理工大學、鄭州大學、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校都有學者對直接型TPMS相關技術進行理論研究，設計出了一系列方案，也有一些監(jiān)測報警裝置申報了專利。但是，國內廠家生產的TPMS基本是靠引進國外公司輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺及生產線，核心技術都掌握在國外廠家手中，基本沒有自主知識產權可言。目前國內的TPMS系統(tǒng)問題不少：安裝繁瑣、影響美觀、整車廠難以配裝；不能設定標準胎壓，無法保障輪胎合理使用：射頻效率、編碼糾錯性能差、在惡劣環(huán)境下漏報嚴重；能耗較高，不能達到TPMS系統(tǒng)應有的使用壽命要求；成本高昂，檢測范圍小，產品通用性不高。TPMS在中國的研究剛剛開始起步。高校及科研院所方面，吉林大學孫宏偉對現(xiàn)有F費scale方案進行了研究，提出了針對Ftcaale傳感器MPXY8020A的溫度補償算法；合肥工業(yè)大學沈俊峰提出了以SPl2傳感器，PICl6F683處理器，以及T5754射頻發(fā)射器構成的輪胎壓力檢測方案；燕山大學張啟中通過分析輪速傳感器脈沖數(shù)相對差值的影響因素和影響規(guī)律，提出了基于脈沖數(shù)互比法氣壓異常報警系糾”；浙江大學，屯子科技大學，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所等也有學者對TPMS進行了類似的理論研列”。 1.2 課題的目的及意義 目的：隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，基礎投資的不斷加大，以及公路設施的改善和高速公路里程的迅速增加，公路交通的平均車速有了很大提高。但同時交通事故尤其是爆胎事故、追尾事故也相應增加，給人民的生命財產造成重大損失。交通安全已成為國家和個人越來越關注的重點。 在汽車的高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。在高速公路上行駛時一旦爆胎，駕駛員思想準備不充分極易造成車輛側滑和不規(guī)則翻滾，輕則撞護欄，重則與其他行使車輛發(fā)生碰撞甚至車毀人亡，后果不堪設想。 據(jù)統(tǒng)計，輪胎爆胎的原因有： （1）輪胎壓力過高； （2）輪胎漏氣； （3）輪胎溫度異常升高； （4）輪胎松動、掉胎。 而追尾事故的主要原因有： （1）前方車輛爆胎失控； （2）視線不好，看不清前方車輛的剎車信號； （3）不能提前獲知前方有事故車輛。 因此實時監(jiān)測輪胎氣壓和溫度的變化，保持汽車在標準的輪胎氣壓下行駛是防止爆胎的關鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測系(TPMS)的主要作用就是在汽車行駛時，對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)。安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地防止輪胎在非正常氣壓下長時間行駛，提高汽車的主動安全性。 意義：保持正常的輪胎氣壓，不僅可以延長輪胎的使用壽命，減小滾動阻力，還可減少油耗，提高車輛的使用經(jīng)濟性，而且可以大大提高汽車的行駛安全性。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)，將是一個永恒的主題，必將成為未來汽車必備的主動安全保障系統(tǒng)之一。汽車電子技術的不斷發(fā)展使汽車上安裝了越來越多的傳感器，這將促進TPMS的發(fā)展，使其技術更加成熟，性能更加穩(wěn)定，并且它的模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方面發(fā)展。 1.3 課題主要工作 課題的主要任務就是研究并設計一個無線胎壓檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)胎壓變化信息的實時采集和傳送，以達到汽車司機能夠在第一時間掌握汽車輪胎壓力變化的要求，并做出相應的反應，從而避免事故的發(fā)生。 課題主要工作有以下幾點： （1）對系統(tǒng)的關鍵技術進行研究并提出整體設計框架。 （2）傳感器、單片機及顯示元件、報警元件的選取并連接電路。 （3）進行監(jiān)測模塊、顯示模塊、報警模塊及其主模塊的程序編寫。 （4）將軟件和硬件組裝并測試。 第2章 系統(tǒng)整體方案設計 基于汽車輪胎安全使用的要求，胎壓檢測系統(tǒng)綜合運用傳感器檢測技術、單片機技術及無線通信技術來設計。該系統(tǒng)能檢測輪胎溫度和壓力波動情況，并對檢測數(shù)據(jù)進行分析和實時處理。 2.1 系統(tǒng)設計要求 本系統(tǒng)采用直接式胎壓檢測系統(tǒng)。它以鋰離子電池為電源，通過埋于輪胎罩的傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度，并經(jīng)無線調制發(fā)射到安裝在駕駛臺的接收模塊上。發(fā)射模塊處于輪胎的封閉狀態(tài)中，體積要小；另外由于在輪胎中更換器件很不方便且系統(tǒng)必須長時間工作，故而要求功耗低。 工作中輪胎狀態(tài)為當輪胎壓力高于標準值(小型車為275kpa)1．2倍時，因輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，使輪胎胎面的中部磨損增加。通過試驗證明：，一般認為氣壓提高25%，輪胎壽命將會降低15%～20%；氣壓降低25%，壽命大約降低30%。一般轎車的輪胎正常氣壓值在210kPa左右，多座位商務車在240kPa左右為宜。此外，汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大(一般不能超過80℃，當溫度達到95℃時，輪胎的情況非常危險)，每升高1℃，輪胎磨損就增加2%，行駛速度每增加一倍，輪胎行駛里程將降低50%。因此，本系統(tǒng)告警值設定為胎壓158KPa和262KPa，溫度小于80℃。 2.2 系統(tǒng)設計方案 根據(jù)系統(tǒng)功能及技術要求，系統(tǒng)方案的總體框圖如圖2.1所示： 圖2.1 系統(tǒng)方案的總體框圖 系統(tǒng)由置入輪胎內的發(fā)射模塊和安裝汽車駕駛臺上的接收模塊組成。發(fā)射模塊每檢測一次壓力，都會判斷此輪胎是否出現(xiàn)異常；如果判斷出現(xiàn)異常情況，則形成一幀數(shù)據(jù)并進行發(fā)射。接收模塊判斷是否接收到完整的數(shù)據(jù)幀，如準確無誤，則點亮和輪胎對應的LED指示燈。 2.2.2 發(fā)射模塊 發(fā)射模塊包括傳感器單元、微處理器和射頻單元。傳感器單元定時采集輪胎內壓力、溫度數(shù)值。微處理器(簡稱MCU)和射頻單元集成在同一芯片內，微處理器讀取來自傳感器的數(shù)據(jù)，進行處理并通過射頻單元發(fā)射出去。發(fā)射模塊的框圖如圖2．2所示。 圖2.2 發(fā)射模塊框圖 2.2.2 接收模塊 接收模塊完成信號的接收、校驗和處理，并通過LED指示燈顯示報警。接收模塊的框圖如圖2．3所示。 圖2.3 接收模塊框圖 信號接收電路將由輪胎發(fā)射出來的射頻信號放大解調后，將數(shù)字信號送給微處理器串行接口。微處理器再進行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎號、壓力值以及溫度值，然后做出相應的處理。顯示報警部分主要包括LED指示燈。 2.3 元器件選擇 無線胎壓檢測系統(tǒng)開發(fā)所需的元器件主要包含傳感器、MCU、射頻收發(fā)芯片、電池幾個部分。 （１）傳感器 本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器，DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。 （２）單片機 本系統(tǒng)選用STC98C52系列，它是一種高性能的8位單片機系列，具有速度快、功能強、功耗低、價格低等特點并且自帶看門狗復位，非法指令碼檢測復位和非法地址檢測復位等系統(tǒng)保護特性。發(fā)射模塊的MCU選用STC89C51。 （３）射頻收發(fā)芯片 接收和發(fā)射芯片的選擇主要從芯片的接收靈敏度以及性價比兩方面考慮。本系統(tǒng)選用2RF24L01B射頻收發(fā)芯片。 2.4 關鍵技術研究 2.4.1 頻率選擇 在眾多的無線通訊頻段中，由于ISM頻段(工業(yè)，科學，醫(yī)學頻帶)屬于公共頻段，使用者無需申請頻段許可證，這給用戶帶來了很多的方便，因此當今大部分無線傳輸所使用的操作頻率一般都選擇處于ISM頻段的頻率。而對采用無線技術的應用來講，通常又采用屬于ISM頻段中的LPRD(Low Power RadioDevice)頻段作為操作頻率，此頻段有兩個頻率范圍，分別為：433．05MHz．434．790 MHz和868 MHz．870 MHzi眩l。在本系統(tǒng)中采用的工作頻率設置為433．92 MHz。 2.4.2 信號編碼方式 在本文設計的胎壓檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以9600bps的速率發(fā)送，信源編碼方式采用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼以數(shù)字信號來描述就是：在每個比特周期，取值在周期中間點進行高低電平間的轉換。如圖2.4所示，一個數(shù)字0被描述為周期前一半為低電平，后一半為高電平；而數(shù)字1則是先高后低。 圖2.4 曼徹斯特編碼示例 FSK又稱頻移鍵控，是指以信號頻率在兩個值之間的偏移來描述數(shù)字l和數(shù)字0信號。在本系統(tǒng)中，數(shù)字l具有較低的頻率，而數(shù)字0則具有較高的頻率。也就是說，如果載波頻率是433．92MHz，總體頻率偏移，數(shù)字1就是(433．92)MHz，而數(shù)字0是(433．92)MHz。圖2．5是FSK調制的曼徹斯特編碼信號波形示意圖。 圖2.5 FSK調制的曼徹斯特編碼信號波形示意圖 2.4.3 輪胎定位技術 胎壓檢測系統(tǒng)中的輪胎定位是指系統(tǒng)接收各個輪胎發(fā)射模塊發(fā)出的信號并進行識別，然后判定是哪個輪胎發(fā)出信號的過程。各輪胎發(fā)射模塊中的傳感器把胎壓的變化傳遞給MCU，由MCU處理并加上該模塊的識別ID編碼(用于區(qū)分各輪胎發(fā)射模塊的編碼，然后通過發(fā)射芯片進行調制并發(fā)射出去。接收模塊接收并進行解調，恢復原始數(shù)據(jù)，通過讀取原始數(shù)據(jù)的ID編碼，當接收到的信息中的輪胎內壓力或溫度出現(xiàn)異常時，MCU將發(fā)出報警信號，駕駛員根據(jù)對應輪胎的LED報警燈，便可及時地對該輪胎進行處理，確保汽車行駛安全。 2.5 本章小結 本章對整個系統(tǒng)的大體框架進行了確定，包括本系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的工作流程，元器件的選擇和關鍵技術的的研究。這一章是整個系統(tǒng)的關鍵，是下面要進行工作的思路和方向。 第3章 發(fā)射模塊的設計 發(fā)射模塊主要由傳感器單元、發(fā)射單元組成。傳感器單元測得壓力和溫度，通過發(fā)射單元按照一定算法處理后發(fā)射出去。發(fā)射模塊的軟件設計分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理發(fā)射兩部分。 3.1傳感器單元的硬件電路設計 3.1.1 DS18B20工作方式 溫度傳感器的種類眾多，DS18B20有著超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強的優(yōu)點。 DS18B20工作原理及應用： DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。 圖3.1 DS18B20 3.1.2 ADC0809工作方式 ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 （1）ADC0809的內部邏輯結構 由下圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。 （2）ADC0809引腳結構 ADC0809各腳功能如下： D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。 IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。 VCC：+5V工作電壓。 GND：地。 REF（+）：參考電壓正端。 REF（-）：參考電壓負端。 START：A/D轉換啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。 圖3.2 ADC0809內部邏輯結構 （以上兩種信號用于啟動A/D轉換）. EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。 OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。 A、B、C：地址輸入線。 圖3.3 ADC0809引腳結構 ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。 數(shù)字量輸出及控制線：11條 ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。 （3） ADC0809應用電路原理圖 圖3.4 ADC0809應用電路原理圖 3.1.3 DS18B20溫度檢測程序 **--------------FileInfo------------------------------------------------------------------------------ ** File name: DS18B20.c ** Last modified Date: 2009-09-3 ** Last Version: 1.0 ** Descriptions: ** Created by: ** Created date: 2009-09-3 ** Version: 1.0 ** Descriptions: The original version ** Modified by: ** Modified date: ** Version: ** Descriptions: #include"include.h" ** Name: delayb() ** Function: 延時程序 void delayb(int count) //delay unsigned int i; while(count) i=200; while(i>0) i--; count--; } ** Name: dsreset() ** Function: DS18B20初始化程序 void dsreset(void) //DS18B20初始化 { unsigned int i; DS=0; i=103; while(i>0)i--; DS=1; i=4; while(i>0)i--; } ** Name: tmpreadbit() ** Function: DS18B20讀取位程序 bit tmpreadbit(void) // 讀一位 unsigned int i; bit dat; DS=0;i++; //小延時一下 DS=1;i++;i++; dat=DS; i=8;while(i>0)i--; return (dat); } ** Name: tmpread() ** Function: DS18B20讀取字節(jié)程序 unsigned char tmpread(void) //讀一個字節(jié) { unsigned char i,j,dat; dat=0; for(i=1;i<=8;i++) j=tmpreadbit(); dat=(j<<7)|(dat>>1); //讀出的數(shù)據(jù)最低位在最前面，這樣剛好//一個字節(jié)在DAT里 } return(dat); //將一個字節(jié)數(shù)據(jù)返回 ** Name: tmpwritebyte() ** Function: D寫一個字節(jié)到DS18B20里的程序 void tmpwritebyte(uchar dat) { //寫一個字節(jié)到DS18B20里 unsigned int i; uchar j; bit testb; for(j=1;j<=8;j++) { testb=dat&0x01; dat=dat>>1; if(testb) // 寫1部分 { DS=0; i++;i++; DS=1; i=8;while(i>0) i--; else { DS=0; //寫0部分 i=8;while(i>0)i--; DS=1; i++;i++; ** Name: tmpchange() ** Function: 發(fā)送溫度轉換命令的程序 void tmpchange(void) //發(fā)送溫度轉換命令 { dsreset(); //初始化DS18B20 delayb(1); //延時 tmpwritebyte(0xcc); // 跳過序列號命令 tmpwritebyte(0x44); //發(fā)送溫度轉換命令 } ** Name: tmp() ** Function: 獲得溫度的程序 int tmp() //獲得溫度 { int temp; float tt; unsigned char a,b; dsreset(); delayb(1); tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0xbe); //發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令 a=tmpread(); //連續(xù)讀兩個字節(jié)數(shù)據(jù) b=tmpread(); temp=b; temp<<=8; temp=temp|a; //兩字節(jié)合成一個整型變量。 tt=temp*0.0625; //得到真實十進制溫度值，因為DS18B20 //可以精確到0.0625度，所以讀回數(shù)據(jù)的最低位代表的是 //0.0625度。 temp=tt*10+0.5; //放大十倍，這樣做的目的將小數(shù)點后第一位 //也轉換為可顯示數(shù)字，同時進行一個四舍五入操作。 return temp; //返回溫度值 } 3.2發(fā)射單元的硬件電路設計 發(fā)射電路如圖3．5所示，它包含控制電路和發(fā)射電路兩部分，分別完成系統(tǒng)的控制功能和發(fā)射功能。根據(jù)上面?zhèn)鞲衅鲉卧?，MCU過PTA3、PTA4、PTA5確定出傳感器的測量值，得到數(shù)值后運用一定的算法處理后，組成一幀數(shù)據(jù)然后發(fā)送。 3.2.1 發(fā)射單元控制電路 如圖所示，RF2有12個I／O口，由PTA和PTB 2部分組成，其中PTA包含8個端口，而PTB包含4個端口。單片機通過PTAl．PTA5這5個端口與傳感器連接，完成數(shù)據(jù)的傳輸，同時可以通過4個數(shù)據(jù)輸入引腳ENABLE、DATA、BAND和MODE來控制發(fā)射電路的操作模式。 圖3.5發(fā)射單元原理圖 （一）調制方式的選擇 引腳MODE作用為模式選擇，高電平選擇FSK調制方式，低電平選擇OOK調制方式；此處將PTA7置為高電平，并將MODE與PTA7相連選擇調制方式為FSK。 對于FSK調制方式，頻率的偏移是依靠外加參考晶振的負載電容的改變來實現(xiàn)的。微處理器PTB2向射頻芯片DATA引腳輸入的數(shù)據(jù)邏輯電平控制CFSK引腳的相連的內部開關。DATA=0：開關切斷，C4和C5串聯(lián)的電容作為晶振的負載電容，負載電容?。痪д駥嶋H頻率高。DATA=1，開關接通，僅C4作為晶振的負載電容，負載電容大；晶振實際頻率低。 （二）頻率的選擇 RF2通過引腳BAND與PTB0相連用于選擇頻率。按表3．6給出的發(fā)射器頻段選擇及相應的匹配晶體振蕩器頻率。發(fā)射輸出頻率可由下式得出： 分頻比 （3-1） 此處選擇引腳BAND為高電平，鎖相環(huán)(PLL)分頻比為32，晶體振蕩器頻率為13．56MHZ。依據(jù)式(3—1)n-I"得出=92MHZ。 表3.6頻率選擇及附加分頻器比率 BAND引腳輸入電平 頻率(MHz) 鎖相環(huán)（PLL）分頻比 晶體振蕩器頻率（MHZ） 高電壓 315 32 9.84 433.92 13.56 低電平 868 64 3.2.2 發(fā)射單元發(fā)射電路 RF2內含一個鎖相環(huán)(PLL)低功耗UHF發(fā)射器，電壓范圍從1．9V到3．7V。發(fā)射電路的輸出級是一個方波開關電流源，通過1個12k的電阻Rl與引腳REXT相連來控制引腳RFOUT的輸出電壓。 DATACLK引腳則是通過發(fā)射單元內部的分頻電路，產生212KHz的時鐘信號脈沖輸出給微處理器，作為微處理器的數(shù)據(jù)時鐘的參考頻率。 引腳RFOUT外接天線匹配電路，通過其與天線相連。天線將RFOUT引腳送來的高頻電流能量轉變?yōu)闊o線電波并傳到空間。 3.3發(fā)射模塊的軟件設計 軟件設計分成兩個部分：發(fā)射模塊軟件設計和接收模塊軟件設計。除了通訊協(xié)議外，這兩個部分的軟件設計沒有直接的聯(lián)系。軟件設計語言采用C語言。本節(jié)主要介紹了使用語言編程的優(yōu)點，描述了系統(tǒng)兩個模塊之間的通訊協(xié)議，并對發(fā)射模塊的工作流程進行了詳細的說明。發(fā)射模塊的軟件設計包括數(shù)據(jù)的采集、判斷、傳輸?shù)葞状蠊δ堋? 3.3.1 編程工具選用 HENSE．ICD08．J／Q開發(fā)系統(tǒng)是一套開發(fā)人員可以獨立開發(fā)的關于908QTx、908QYx、908JKx、908JLx等MC68HC908系列的單片機開發(fā)工具。該套開發(fā)工具包含有用于開發(fā)的軟件和硬件工具包，軟件工具包提供了完全功能版的匯編語言、免費4／16KB目標碼C語言的編譯、編輯、全軟件模擬仿真、軟件模擬硬件仿真和適時在線仿真等功能。該開發(fā)工具也可以通過MON08接口開發(fā)其他HC08單片機12引。 (1)編程燒錄器功能(監(jiān)控模式(Mon08 MODE)對FLASH進行在線編程)； (2)編譯開發(fā)板功能(提供給用戶最小的調試工作系統(tǒng))。 HENSE．ICD08．J／Q編程開發(fā)工具集編程器和開發(fā)板兩種功能于一身，是一種價格低廉、方便實用、功能齊全的開發(fā)工具。其性價比優(yōu)于其他類仿真器。 3.3.2編程語言及開發(fā)軟件的選用 C語言是一種從匯編語言向高級語言過渡的語言，因此它既有某些匯編語言的影子，又有高級語言的特征。C語言具有豐富的位操作運算符，允許直接訪問物理地址，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能。C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相差不大，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。因此本系統(tǒng)編程語言選用C語剖。 Codewarrior支持Codefire構架、HC08系列、HCll系列、HCl6系列等芯片。在Codewarrior工具集中，編輯器、匯編器、連接器、調試器和其他軟件模塊集成在一個IDE(Integrated Development Environment)中，它為這些工具提供了一個調用接口，使這些工具之間可以無縫連接，它們之間的切換可以利用鼠標點擊或者菜單命令實現(xiàn)。Codewarrior可以運行在多種不同操作系統(tǒng)包括Windows，Mac OS，Solaris和Linux等。各種環(huán)境下，它的功能和操作方法都一樣。Codewarrior的多平臺實現(xiàn)的一個最大的優(yōu)點就是從一個操作系統(tǒng)下開發(fā)的用戶項目文件可以無需改動的運行在另外一個操作系統(tǒng)下。因此，本系統(tǒng)軟件開發(fā)選用了Codewarrior的IDE。 3.3.3通信協(xié)議 無線數(shù)據(jù)通信雙方之間的通信協(xié)議是指數(shù)據(jù)幀的構成方式，通訊協(xié)議的合理性是影響數(shù)據(jù)傳輸可靠性的重要因素之一。在本系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊之間進行無線通信時，數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸。在無線數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的表示方式一般有兩種，一種是二進制字節(jié)方式，一種是十六進制的ASCII方式。二進制字節(jié)方式中，字節(jié)代表其本身，而十六進制ASCII方式則是由兩個字節(jié)表示一個實際數(shù)據(jù)字節(jié)，因此其效率只有二進制字節(jié)方式的一半，但采用ASCII方式可以避免數(shù)據(jù)字節(jié)與標志字節(jié)相混淆，因此可靠性比較高。在本系統(tǒng)中，采用的是十六進制ASCII方式。 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率為9600kps，可由軟件選擇設定；對于MC33594來說，一組報文包括報頭，ID，頭字以及數(shù)據(jù)。在使用前ID的值存儲在配置寄存器CR2中。ID字像數(shù)據(jù)一樣發(fā)送。報頭可以按需放在ID前，或者頭字前，或者數(shù)據(jù)前面。報頭的內容要確定，否則它可能會被MC33594當成ID或者頭字。在FSK調制下，報頭可以是4個“1”或者“O”曼徹斯特編碼。頭字是固定的4位曼徹斯特碼0110或者它的補碼。數(shù)據(jù)是以EOM(end—of-message)字結尾，它由2個不歸零碼組成。如果在解碼中，MC33594收到的是頭字的補碼，則它解碼后輸出的數(shù)據(jù)也是以原數(shù)據(jù)的補碼形式出現(xiàn)的。 圖3.7數(shù)據(jù)幀完整數(shù)據(jù)示例 下面將描述系統(tǒng)的通訊協(xié)議。為了方便起見，MC33594的報頭，ID以及頭字統(tǒng)一用報頭表示，這樣報頭將是4個字節(jié)16位。數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的，每幀數(shù)據(jù)組成如下表所示： 表3.8數(shù)據(jù)幀格式 報頭 設備ID 壓力 溫度 狀態(tài) 校驗和 結束字 16位 32位 8位 8位 8位 8位 2位 報頭設置成OxFB86。由上面所述可知，MC33594的報頭占4位，可以設置成“1111’’；ID采用其默認值“1011 1000”，該值存在CR2中，可以根據(jù)需要進行改變；頭字是固定的4位“0110”。頭字是整幀數(shù)據(jù)報頭的最后部分，它不會被解碼。也就是說MC33594輸出的數(shù)據(jù)從設備ID開始。 設備ID是32位長。這個ID用于標定產品信息。前16位保留用于以后擴展，現(xiàn)在先設置為0xFF；后16位分別標定產品信息和輪胎編號。輪胎編號占兩位。數(shù)據(jù)幀被接收后，MCU將檢查這些ID，如果ID與設定不符，數(shù)據(jù)會被丟棄。ID符合后，數(shù)據(jù)被保存用于以后處理(顯示或者輸出)。 壓力代表了由傳感器測量的壓力數(shù)值，它是個8位的值。 溫度代表了傳感器測量的溫度數(shù)值，它也是個8位數(shù)值。 8位數(shù)字狀態(tài)代表了發(fā)射模塊所處于的狀態(tài)，這包括模塊的供電情況、傳輸方式等。 校驗和是8位數(shù)據(jù)，它的存在可以減少發(fā)射模塊或者是接收模塊以及傳輸噪聲所引起的數(shù)據(jù)錯誤的幾率。它的值取決于前面的設備ID、壓力、溫度以及狀態(tài)位，它等于它們和的相反數(shù)。這樣，當MCU接收到數(shù)據(jù)并檢驗時，如果從設備ID開始到校驗和所有的數(shù)據(jù)相加結果為零，則說明數(shù)據(jù)傳輸正常。 2位停止位是NRZ編碼，它的內容沒有實際意義，也不會通過SPI總線傳出，它只是代表整幀數(shù)據(jù)的結尾。MC33594接收到這2位后自動停止接收數(shù)據(jù)。 3.3.4軟件設計 軟件設計是胎壓檢測系統(tǒng)研究工作的重要組成部分。本系統(tǒng)輪胎溫度和壓力數(shù)據(jù)的讀取與輸出，數(shù)據(jù)的串行通信和數(shù)據(jù)的分析、顯示、報警等都必須通過軟件功能來實現(xiàn)。因此，開發(fā)性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定的應用軟件是使整個系統(tǒng)能夠正常和可靠運行的前提基礎。 系統(tǒng)中的四個發(fā)射模塊最終是安裝在車胎上的，而最影響發(fā)射模塊工作的是電源供電問題。因此為了減少功耗，系統(tǒng)采用定時中斷的方式對壓力、溫度數(shù)據(jù)進行采集，即只有在定時中斷到來時才采集數(shù)據(jù)，在其他時間系統(tǒng)都處于空閑狀態(tài)。根據(jù)發(fā)射模塊的功能，可將發(fā)射模塊軟件設計分為數(shù)據(jù)采集設計和數(shù)據(jù)處理傳輸設計兩個階段。 為避免多個發(fā)射模塊同時向接收模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時造成數(shù)據(jù)沖突而丟失數(shù)據(jù)，應在每個隨機時間間隔內發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，但這又將縮短電池的使用壽命，并增加了接收器軟件的復雜性。解決方法是每次發(fā)送2個數(shù)據(jù)幀，并且每隔3秒發(fā)送3~4個數(shù)據(jù)幀。 初始化RF2用于設置傳感器和RF2的功能，主要包括設置內部時鐘頻率、設置定時中斷和調制模式。其程序如下： **--------------FileInfo------------------------------------------------------------------------------ ** File name: nRF24L01.c ** Last modified Date: 2009-09-3 ** Last Version: 1.0 ** Descriptions: ** Created by: ** Created date: 2009-09-3 ** Version: 1.0 ** Descriptions: The original version ** Modified by: ** Modified date: ** Version: ** Descriptions: #include "include.h" unsigned char const TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //本地地址 unsigned char const RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //接收地址 #define uchar unsigned char unsigned char bdata sta; //狀態(tài)標志 sbit RX_DR =sta^6; sbit TX_DS =sta^5; sbit MAX_RT =sta^4; /*延時函數(shù) void inerDelay_us(unsigned char n) for(;n>0;n--) _nop_(); /*NRF24L01初始化 void init_NRF24L01(void) inerDelay_us(100); CE=0; // chip enable CSN=1; // Spi disable SCK=0; // Spi clock line init high SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 寫本地地址 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 寫接收端地址 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); // 頻道0自動 ACK應答允許 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); // 允許接收地址只有頻道0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 0); // 設置信道工作為2.4GHZ，收發(fā)必須一致 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); //設置接收數(shù)據(jù)長度，本次設置為32字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); //設置發(fā)射速率為1MHZ，發(fā)射功率為最大值0dB SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e); // IRQ收發(fā)完成中斷響應，16位CRC，主發(fā)送 /*函數(shù)：uint SPI_RW(uint uchar) /*功能：NRF24L01的SPI寫時序 unsigned char SPI_RW(unsigned char uchar1) unsigned char bit_ct