吳枕戈, 吳華偉, 秦 朗

(湖北文理學院,湖北 襄陽 441000)

隨著汽車技術的發(fā)展,汽車變得越來越智能化,汽車的種類也變得越來越多。但汽車行駛的安全問題卻變得日益突出,輪胎作為車輛行駛系統(tǒng)中的一個核心部件,在保證汽車安全行駛中起著關鍵作用。輪胎氣壓過高或過低都會對汽車的正常行駛造成不良影響,因此保證輪胎氣壓在正常范圍內(nèi)是非常必要的。

輪胎氣壓實時監(jiān)測裝置,是一款全新的主動直接式輪胎氣壓檢測設備,在國際上一般被稱為輪胎氣壓檢測裝置,其英文全稱為Tire Pressure Monitoring System,縮寫為TPMS[1]。TPMS能夠監(jiān)測胎壓的變化,保證汽車的安全行駛。輪胎監(jiān)測技術是目前汽車行業(yè)技術創(chuàng)新發(fā)展的熱點,具有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)將AT89C51單片機作為控制器用MPX4115傳感器檢測輪胎氣壓值,胎壓數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的處理后會實時顯示在1602液晶顯示器上,當輪胎氣壓值達到閾值時,報警模塊會發(fā)出警報。系統(tǒng)整體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計

1.2 單片機的選擇

選擇AT89C51單片機作為系統(tǒng)的控制器。AT89C51是一種高效微控制器,片內(nèi)ROM是Flash儲存器,電擦寫方便,可重復。同時AT89C51能夠進行0 Hz頻率的靜態(tài)邏輯操作。這種單片機價格低廉,性能較高,能夠滿足本系統(tǒng)對控制器的性能要求。

1.3 晶振電路

晶振電路,用來給單片機提供準確的時鐘信號,單片機在這個時鐘信號下進行工作。本系統(tǒng)采用內(nèi)時鐘模式,即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路,使用時只需在XTAL1和XTAL2引腳之間連接一個石英晶體,內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)選擇12 MHz的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響,可以起到頻率微調(diào)作用。采用石英晶振,電容可以在20～40 PF之間選擇,本系統(tǒng)設計選擇30 PF,電路設計如圖2所示。

圖2 晶振電路設計

1.4 復位電路

復位電路是使程序計數(shù)器清零,也就是讓程序從頭開始執(zhí)行?？煞譃樯想姀臀缓桶存I復位,要求是RST引腳上至少保持兩個周期的高電平,再從高電平變?yōu)榈碗娖健＞褪窃赗ST部分有一塊小電路,主要由電容電阻組成。上電復位通過在該電路某處加一個高電平完成復位,而按鍵復位則通過按鍵改變電平完成復位。本設計選擇上電復位。復位電路如圖3所示。

圖3 復位電路設計

1.5 氣壓傳感器模塊設計

該模塊主要由氣壓傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成,氣壓傳感器將接收到的數(shù)據(jù)以電信號的形式傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器再將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)紸T89C51單片機內(nèi)部。氣壓傳感器整體模塊如圖4所示。

圖4 氣壓傳感器電路圖

氣壓傳感器選擇MPX4115,該傳感器是一種硅壓傳感器。這種傳感器采用了最先進的微電機設計,除此之外,它還能夠為較高水準的模擬輸出傳感器提供較為均衡的壓力。在0℃到85℃這個溫度區(qū)域內(nèi),這種傳感器的偏差一般不會超過1.5%,具有較高的精確性。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇ADC0832,ADC0832是一種非常常見的高性能八位A/D轉(zhuǎn)換芯片,這種芯片的最高分辨能夠達到256級。在使用時單片機應與ADC0832中CS、CLK、DO、DI這四個端口進行連接,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但由于DO端和DI端在通信時與單片機存在雙向性。因此,在設計電路時可將這兩個端口并聯(lián)起來以實現(xiàn)雙向通信,從而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[2]。

1.6 顯示器模塊設計

顯示器為1602LCD,1602LCD一般有標準14腳和16腳接口兩種,其引腳功能如表1所示:

表1 1602LCD引腳功能表

其中RS為寄存器選擇腳,RW為讀寫信號,主要由這兩個引腳決定1602LCD的工作狀態(tài)。當RW為低電平、RS為高電平的時候為寫數(shù)據(jù),反之,當RS為低電平、RW為高電平的時候為讀忙信號[3]。

本設計將單片機P0作為數(shù)據(jù)口控制其發(fā)送數(shù)據(jù)至1602LCD液晶顯示器以及讀忙操作,同時屏幕背光調(diào)節(jié)連接一個電阻并接地即可。液晶顯示器由5 V電源供電。顯示器模塊的電路設計如圖5所示。

圖5 顯示器模塊電路圖

1.7 報警器模塊設計

報警器實質(zhì)上就是一個蜂鳴器,將蜂鳴器、三極管和電阻串聯(lián)至單片機,當單片機檢測到胎壓超出閾值時,單片機會控制蜂鳴器發(fā)出警報提示駕駛?cè)?。報警器電路如圖6所示。

圖6 報警器模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計。首先對液晶顯示模塊和ADC0832轉(zhuǎn)換模塊進行初始化,然后進入主函數(shù),在主函數(shù)的死循環(huán)中,先接收ADC0832轉(zhuǎn)換器傳來的胎壓數(shù)據(jù),再將該數(shù)據(jù)處理后進行判斷,如果判斷到處理后的數(shù)據(jù)大于設定的閾值,那么蜂鳴器將會發(fā)出警報,在死循環(huán)的最后通過一個數(shù)組將ADC0832轉(zhuǎn)換處理后的胎壓數(shù)據(jù)實時寫入1602LCD顯示器,1602LCD顯示器在接收到數(shù)據(jù)后會實時讀取數(shù)據(jù)并顯示出來。軟件設計程序圖如圖7所示。

圖7 軟件程序設計圖

壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電壓量,ADC0832將這個電壓值進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C,但單片機接收到的電壓值并不直接意味著壓力的實際大小,例如5 V并不意味著5 kPa,因此還需要進一步轉(zhuǎn)換。

MPX4115氣壓傳感器的測量范圍為15～115 kPa。根據(jù)MPX4115的氣壓線性關系,可以列出線性區(qū)間標度變換公式:

式中243為AD將115 kPa轉(zhuǎn)換后的數(shù)字,13為AD將15 kPa轉(zhuǎn)換后的數(shù)字,又因為壓力與電壓有線性關系,因此兩者可以表示為線性比例關系。9.3 kPa為補償壓力[4]。

MPX4115線性關系如圖8所示:

圖8 MPX115氣壓線性關系圖

圖9 系統(tǒng)仿真原理圖

3 仿真測試

通過Proteus軟件對本系統(tǒng)進行仿真測試,設置100 kPa為胎壓的閾值。在仿真測試中,調(diào)節(jié)壓力傳感器的壓力來模仿胎壓,當壓力值超過100 kPa時,蜂鳴器會發(fā)出警報,壓力值低于100 kPa蜂鳴器則保持無聲。LCD1602顯示仿真測試原理圖如9所示。

通過改變壓力傳感器壓力數(shù)據(jù)的輸入值,模擬輪胎不同的氣壓值,測得幾組數(shù)據(jù)如表2所示。氣壓數(shù)據(jù)測試準確度在99.8%以上。

表2 系統(tǒng)仿真測試結果

4 結束語

本文介紹了以AT89C51單片機為控制器的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案,并對該系統(tǒng)進行了仿真測試。該監(jiān)測系統(tǒng)通過MPX4115傳感器實時監(jiān)測胎壓,再由軟件程序來判斷胎壓是否超出閾值,當胎壓不在正常范圍內(nèi)的時候,系統(tǒng)會通過報警模塊發(fā)出警報。本系統(tǒng)的硬件需求較低,設備便攜,成本較低且性價比高。胎壓實時監(jiān)測技術的發(fā)展對汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義,本文所研究的胎壓監(jiān)測報警系統(tǒng)對汽車的安全行駛達起了一定的作用,對汽車的安全性具有一定的發(fā)展意義。