基于壓力傳感器的數(shù)字胎壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付承彪， 田安紅， 朱怡婷

(1.曲靖師范學(xué)院 信息工程學(xué)院,云南 曲靖 655011;2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046)

基于壓力傳感器的數(shù)字胎壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付承彪1， 田安紅1， 朱怡婷2

(1.曲靖師范學(xué)院 信息工程學(xué)院,云南 曲靖 655011;2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046)

針對汽車胎壓監(jiān)控不當(dāng)，引起爆胎導(dǎo)致交通事故的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于氣壓傳感器的數(shù)字胎壓系統(tǒng)，主要包含AT89C51單片機(jī)、MPX4115壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0832和七段數(shù)碼管液晶顯示器模塊。通過Proteus環(huán)境下的電路原理圖設(shè)計(jì)，以及Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試，獲得輪胎胎壓的模擬值。經(jīng)過單片機(jī)處理后在數(shù)碼管中顯示胎壓值，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車胎壓的作用，同時(shí)確保行車安全。仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于操作和移植推廣。

數(shù)字氣壓計(jì)； 胎壓檢測； 單片機(jī)； 仿真軟件； 壓力傳感器

0 引 言

輪胎是汽車安全行駛的重要部件之一，輪胎性能的優(yōu)劣直接影響汽車的可操控性、舒適性和安全性。傳統(tǒng)氣壓表，如彎管式或空盒式，精度低，且顯示和控制方式單一;數(shù)字氣壓計(jì)，因?yàn)楸粏纹瑱C(jī)控制，具有精度高，靈活性強(qiáng)，方便易用等優(yōu)點(diǎn)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前數(shù)字氣壓計(jì)已被廣泛使用，在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域以及日常生活當(dāng)中非常普及[1-3]，其核心元器件的實(shí)質(zhì)是氣壓傳感器。

本文設(shè)計(jì)一款基于壓力傳感器的數(shù)字胎壓計(jì)系統(tǒng)，通過壓力傳感器和單片機(jī)的共同作用[4-6]，實(shí)現(xiàn)胎壓檢測功能。首先在Proteus軟件中設(shè)計(jì)電路圖，然后通過氣壓傳感器獲得輪胎胎壓的模擬值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字脈沖信號，最后再經(jīng)過單片機(jī)處理后在液晶顯示電路中，顯示出對應(yīng)的氣壓值。所設(shè)計(jì)的氣壓計(jì)穩(wěn)定性好，功能易于擴(kuò)展。同時(shí)通過傳感器、單片機(jī)和顯示器的共同協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)對汽車胎壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，當(dāng)汽車的胎壓超出正常范圍時(shí)，通過警報(bào)方式提醒駕駛員，預(yù)防爆胎風(fēng)險(xiǎn)，起到安全駕駛目的。

1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原理

基于壓力傳感器的氣壓計(jì)設(shè)計(jì)原理流程如圖1所示，其中，通過MPX4115壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，采集后的數(shù)據(jù)通過A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值輸出，并發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作，并將氣壓值輸出，以在LED數(shù)碼管上的方式進(jìn)行顯示。從圖1可知，本系統(tǒng)主要包含4個(gè)元器件，分別為AT89C51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0832、壓力傳感器模塊MPX4115和四位共陽LED顯示模塊。

圖1 系統(tǒng)原理流程

1.2 總體設(shè)計(jì)

數(shù)字氣壓計(jì)系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示，氣壓傳感器MPX4115與ADC9832相連接，ADC9832與AT89C51相連接，AT89C51又與數(shù)碼管相連接。MPX4115可將具體的大氣壓值轉(zhuǎn)換成電壓值的形式輸出，輸出的電壓值通過ADC9832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過ADC9832的DO引腳轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，將結(jié)果輸送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后，把氣壓值大小顯示在數(shù)碼管上。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 AT89C51單片機(jī)

MCS-51系列單片機(jī)由美國Intel公司研發(fā)，它的結(jié)構(gòu)先進(jìn)、功能很強(qiáng)大，其中典型的是AT89C5x系列。本系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī)，主要包含中斷系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和8051引腳功能。其中，8051具有2個(gè)外中斷、2個(gè)定時(shí)器和1個(gè)串行中斷；在8051的時(shí)鐘電路中，內(nèi)置的最高頻率可達(dá)12 MHz；8051采用40 Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，包含40個(gè)引腳。

2.2 MPX4115壓力傳感器

在工業(yè)實(shí)踐中，壓力傳感器非常常用，本系統(tǒng)的MPX4115是一個(gè)硅壓力傳感器，是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而形成[7-10]。當(dāng)有外力F作用于硅晶體時(shí)，晶格會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致載流子發(fā)生遷移率的變化，最終影響電阻率的變化。MPX4115具有集成度高、質(zhì)量小，主要有4 g和1.5 g兩種型號，測量準(zhǔn)確度高[11-14]，長期穩(wěn)定，過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。量程為15～115 kA，模擬信號電壓范圍0.2～4.8 V。

MPX4115的輸出電壓與氣壓的關(guān)系式：

(1)

式中:Us表示電源電壓，5 V；p表示要測量的大氣壓強(qiáng)。

由于大氣壓強(qiáng)和溫度的變化，會(huì)引起傳感器的測量誤差，可通過補(bǔ)償電壓進(jìn)行修正，補(bǔ)償電壓的表達(dá)式為：

(2)

式中:Terror表示溫度補(bǔ)償系數(shù)，

(3)

T表示傳感器工作時(shí)的溫度值;perror表示壓強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)，在傳感器的量程范圍內(nèi);perror取均值1.5。

MPX4115壓力傳感器的輸出電壓與壓強(qiáng)變化有良好的線性對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。圖中:max表示最大值;min表示最小值;typ表示典型值。

圖3 MPX4115輸出電壓與壓力的關(guān)系曲線

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0832

ADC0832是一種A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有雙通道和8為分辨率，它采用5 V電源供電，8引腳雙列直插式進(jìn)行封裝，工作頻率250 kHz，輸入電壓0～5 V，轉(zhuǎn)換時(shí)間32 μs, ADC083的引腳排列如圖4所示。圖中：CS表示片選使能，在低電平時(shí)有效；CH0表示模擬輸入通道0；CLK表示芯片的時(shí)鐘輸入；CH1表示模擬輸入通道1；Vcc表示電源輸入；GND表示芯片參考0點(diǎn)位；DI表示信號的輸入，進(jìn)行通道的選擇；DO表示信號的輸出。正常情況下，ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)有4條線，但DO端和DI端分別表示信號的輸入和輸出，不能同時(shí)有限，在電路設(shè)計(jì)中可以考慮將DO端和DI端并聯(lián)起來。當(dāng)ADC0832不工作時(shí)，應(yīng)禁用芯片，此時(shí)CS為高電平；當(dāng)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)，CS需要提前設(shè)為低電平，并一直持續(xù)到整個(gè)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。

圖4 ADC083的引腳

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)的數(shù)碼管是七段共陽顯示，七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與引腳如圖5所示。在共陽極方式中，當(dāng)位選信號為高電平時(shí)，表示選中數(shù)碼管；當(dāng)各個(gè)段選信號為低電平時(shí)，表示選中各數(shù)碼管。共陽極的數(shù)碼管0～f的段編碼：

unsigned char code table[]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,//0～3

0x99,0x92,0x82,0xf8,//4～7

0x80,0x90,0x88,0x83,//8～b

0xc6,0xa1,0x86,0x8e //c～f

};

圖5 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)與引腳

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字氣壓計(jì)的系統(tǒng)流程如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化系統(tǒng)的操作;然后啟動(dòng)ADC0832對傳感器的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，再通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字電壓信號的處理;最后，將氣壓值顯示在數(shù)碼管上。 ADC0832在工作過程中有嚴(yán)格的時(shí)序要求，在本系統(tǒng)中，由單片機(jī)控制產(chǎn)生必要的時(shí)序信號，時(shí)序信號控制ADC0832將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字氣壓計(jì)的A-D轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)流程

圖7 A/D轉(zhuǎn)換流程

4 仿真測試與結(jié)果

通過C語言程序編寫，在Keil中編寫的軟件程序調(diào)試成功后，在Output選項(xiàng)上面，勾選create HEX file，編程成功生成.HEX文件，把.HEX文件加載到AT89C51單片機(jī)中進(jìn)行總調(diào)試[15-18]，點(diǎn)擊play運(yùn)行按鈕，可以得到仿真結(jié)果。

在MPX4115壓力傳感器上，模擬一個(gè)氣壓值，LED顯示出響應(yīng)的氣壓值，如模擬的氣壓值為109.3 kPa，如圖8所示。 而數(shù)碼管顯示的也為109.3，如圖9所示，說明運(yùn)行正常，本文設(shè)計(jì)的硬件電路和程序調(diào)試均能夠正常工作。

圖8 MPX4115模擬氣壓值

圖9 運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié) 語

通過Proteus和Keil的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字胎壓計(jì)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，避免了在電路板上反復(fù)測試的費(fèi)時(shí)費(fèi)力工作，節(jié)約了一定的硬件成本。在Proteus軟件中模擬仿真數(shù)字胎壓系統(tǒng)，提高了開發(fā)效率，降低了風(fēng)險(xiǎn)，在Proteus中測試成功的電路，可以直接移植到電路板上，具有良好的移植性和可擴(kuò)展性。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字胎壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于操作，易于推廣。數(shù)字胎壓檢測系統(tǒng)，能夠有效降低爆胎風(fēng)險(xiǎn)，減少交通事故的發(fā)生率。

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Design of Digital Tire Pressure Gauge Based on Pressure Sensor

FUChengbiao1,TIANAnhong1,ZHUYiting2

(1. School of Information Engineering, Qujing Normal College, Qujing 655011, Yunnan, China;2. College of Resource and Environment Sciences, Xinjing University, Urumqi 830046, China)

Facing on the problem that tire blowout causes traffic accident due to inappropriate automobile tire pressure monitoring, a digital tire pressure system based on air pressure sensor has been designed, it mainly includes AT89C51, MPX4115 pressure sensor, A/D conversion module ADC0832, and liquid crystal display with seven-segment digital tube. Circuit principle diagram has been designed in the Proteus environment, and the method of joint debugging between Proteus and Keil has been adopted. It can obtain the simulation value of tire pressure, then the tire pressure value will display in the digital tube by single chip microcomputer. This can monitor the automobile tire pressure in real time, and ensure the driving safety. The system based on simulation software provides the development efficiency, reduces the design cost, in addition, this system has the advantages of simple structure and low cost, and is easy to operate and transplantation.

digital barometer; tire pressure detection; single chip microcomputer; simulation software; pressure sensor

2016-10-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31660680);云南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016ZDX127)

付承彪(1982-),男，云南宣威人,講師，現(xiàn)主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線定位導(dǎo)航研究。

Tel.: 15825089126; E-mail: tianfucb@163.com

TP 273

A

1006-7167(2017)06-0051-04