基于单片机的胎压监测报警系统

吴枕戈, 吴华伟, 秦 朗

(湖北文理学院,湖北 襄阳 441000)

随着汽车技术的发展,汽车变得越来越智能化,汽车的种类也变得越来越多。但汽车行驶的安全问题却变得日益突出,轮胎作为车辆行驶系统中的一个核心部件,在保证汽车安全行驶中起着关键作用。轮胎气压过高或过低都会对汽车的正常行驶造成不良影响,因此保证轮胎气压在正常范围内是非常必要的。

轮胎气压实时监测装置,是一款全新的主动直接式轮胎气压检测设备,在国际上一般被称为轮胎气压检测装置,其英文全称为Tire Pressure Monitoring System,缩写为TPMS[1]。TPMS能够监测胎压的变化,保证汽车的安全行驶。轮胎监测技术是目前汽车行业技术创新发展的热点,具有良好的市场前景。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体设计

本系统将AT89C51单片机作为控制器用MPX4115传感器检测轮胎气压值,胎压数据经过A/D转换器的处理后会实时显示在1602液晶显示器上,当轮胎气压值达到阈值时,报警模块会发出警报。系统整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计

1.2 单片机的选择

选择AT89C51单片机作为系统的控制器。AT89C51是一种高效微控制器,片内ROM是Flash储存器,电擦写方便,可重复。同时AT89C51能够进行0 Hz频率的静态逻辑操作。这种单片机价格低廉,性能较高,能够满足本系统对控制器的性能要求。

1.3 晶振电路

晶振电路,用来给单片机提供准确的时钟信号,单片机在这个时钟信号下进行工作。本系统采用内时钟模式,即利用芯片内部的振荡电路,使用时只需在XTAL1和XTAL2引脚之间连接一个石英晶体,内部振荡器便能产生自激振荡。本系统选择12 MHz的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响,可以起到频率微调作用。采用石英晶振,电容可以在20～40 PF之间选择,本系统设计选择30 PF,电路设计如图2所示。

图2 晶振电路设计

1.4 复位电路

复位电路是使程序计数器清零,也就是让程序从头开始执行。可分为上电复位和按键复位,要求是RST引脚上至少保持两个周期的高电平,再从高电平变为低电平。就是在RST部分有一块小电路,主要由电容电阻组成。上电复位通过在该电路某处加一个高电平完成复位,而按键复位则通过按键改变电平完成复位。本设计选择上电复位。复位电路如图3所示。

图3 复位电路设计

1.5 气压传感器模块设计

该模块主要由气压传感器和A/D转换器组成,气压传感器将接收到的数据以电信号的形式传输给A/D转换器,A/D转换器再将电信号转换为数字信号后传输到AT89C51单片机内部。气压传感器整体模块如图4所示。

图4 气压传感器电路图

气压传感器选择MPX4115,该传感器是一种硅压传感器。这种传感器采用了最先进的微电机设计,除此之外,它还能够为较高水准的模拟输出传感器提供较为均衡的压力。在0℃到85℃这个温度区域内,这种传感器的偏差一般不会超过1.5%,具有较高的精确性。

A/D模数转换器选择ADC0832,ADC0832是一种非常常见的高性能八位A/D转换芯片,这种芯片的最高分辨能够达到256级。在使用时单片机应与ADC0832中CS、CLK、DO、DI这四个端口进行连接,以确保系统的稳定性和可靠性。但由于DO端和DI端在通信时与单片机存在双向性。因此,在设计电路时可将这两个端口并联起来以实现双向通信,从而提高系统的可靠性和稳定性[2]。

1.6 显示器模块设计

显示器为1602LCD,1602LCD一般有标准14脚和16脚接口两种,其引脚功能如表1所示:

表1 1602LCD引脚功能表

其中RS为寄存器选择脚,RW为读写信号,主要由这两个引脚决定1602LCD的工作状态。当RW为低电平、RS为高电平的时候为写数据,反之,当RS为低电平、RW为高电平的时候为读忙信号[3]。

本设计将单片机P0作为数据口控制其发送数据至1602LCD液晶显示器以及读忙操作,同时屏幕背光调节连接一个电阻并接地即可。液晶显示器由5 V电源供电。显示器模块的电路设计如图5所示。

图5 显示器模块电路图

1.7 报警器模块设计

报警器实质上就是一个蜂鸣器,将蜂鸣器、三极管和电阻串联至单片机,当单片机检测到胎压超出阈值时,单片机会控制蜂鸣器发出警报提示驾驶人。报警器电路如图6所示。

图6 报警器模块电路

2 系统软件设计

本系统的软件设计采用模块化设计。首先对液晶显示模块和ADC0832转换模块进行初始化,然后进入主函数,在主函数的死循环中,先接收ADC0832转换器传来的胎压数据,再将该数据处理后进行判断,如果判断到处理后的数据大于设定的阈值,那么蜂鸣器将会发出警报,在死循环的最后通过一个数组将ADC0832转换处理后的胎压数据实时写入1602LCD显示器,1602LCD显示器在接收到数据后会实时读取数据并显示出来。软件设计程序图如图7所示。

图7 软件程序设计图

压力传感器将压力转换为电压量,ADC0832将这个电压值进行数模转换后传输到单片机,但单片机接收到的电压值并不直接意味着压力的实际大小,例如5 V并不意味着5 kPa,因此还需要进一步转换。

MPX4115气压传感器的测量范围为15～115 kPa。根据MPX4115的气压线性关系,可以列出线性区间标度变换公式:

式中243为AD将115 kPa转换后的数字,13为AD将15 kPa转换后的数字,又因为压力与电压有线性关系,因此两者可以表示为线性比例关系。9.3 kPa为补偿压力[4]。

MPX4115线性关系如图8所示:

图8 MPX115气压线性关系图

图9 系统仿真原理图

3 仿真测试

通过Proteus软件对本系统进行仿真测试,设置100 kPa为胎压的阈值。在仿真测试中,调节压力传感器的压力来模仿胎压,当压力值超过100 kPa时,蜂鸣器会发出警报,压力值低于100 kPa蜂鸣器则保持无声。LCD1602显示仿真测试原理图如9所示。

通过改变压力传感器压力数据的输入值,模拟轮胎不同的气压值,测得几组数据如表2所示。气压数据测试准确度在99.8%以上。

表2 系统仿真测试结果

4 结束语

本文介绍了以AT89C51单片机为控制器的汽车轮胎压力监测系统的设计方案,并对该系统进行了仿真测试。该监测系统通过MPX4115传感器实时监测胎压,再由软件程序来判断胎压是否超出阈值,当胎压不在正常范围内的时候,系统会通过报警模块发出警报。本系统的硬件需求较低,设备便携,成本较低且性价比高。胎压实时监测技术的发展对汽车行业的发展有着重要的意义,本文所研究的胎压监测报警系统对汽车的安全行驶达起了一定的作用,对汽车的安全性具有一定的发展意义。