基于無線射頻技術(shù)的汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)研究

林春蘭 孫晨旭 劉子強

摘 要：胎壓異常嚴重威脅著交通安全，隨時會造成交通事故，是汽車安全問題上的一個關(guān)鍵點。針對這個現(xiàn)象，本設(shè)計提出了一種基于51單片機的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)監(jiān)測胎壓異常的功能。本次設(shè)計是以STC89C52單片機為核心，氣壓傳感器、無線傳輸模塊、LCD為主要器件，設(shè)計一塊接收模塊和一塊采集模塊。將帶有壓力傳感器的采集模塊置入汽車輪胎內(nèi)，通過無線傳輸技術(shù)，將胎壓傳輸至車內(nèi)的接受模塊，并LCD上顯示出來，以供駕駛員觀察胎壓情況，若當前胎壓超出報警閾值，可進行聲光報警提升，實現(xiàn)了對汽車輪胎的壓力實時監(jiān)測并報警提示。

關(guān)鍵詞：胎壓 無線傳輸 報警 監(jiān)測 單片機

Abstract：Abnormal tire pressure is a serious threat to traffic safety， which can cause traffic accidents at any time， and is a key point of automobile safety issues. In view of this phenomenon， this design puts forward a kind of automobile tire pressure monitoring system based on 51 microcontrollers， in order to realize the function of monitoring tire pressure abnormality. This design is based on STC89C52 single chip microcomputer as the core， pressure sensor， wireless transmission module， LCD as the main device， design a receiving module and a collection module. The acquisition module in automobile tire pressure sensor， through the wireless transmission technology， can transmit tire pressure to accept module in the vehicle， and display on the LCD， to offer the driver tire pressure situation. If the tire pressure exceeds the alarm threshold， sound and light alarm， can be realized with automobile tire pressure real-time monitoring and alarm prompt.

Key words：tire pressure， wireless transmission， alarm， monitoring， SCM

1 引言

在汽車的高速行駛中，輪胎爆胎是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。一旦爆胎，極易造成車輛側(cè)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。研究表明，輪胎爆胎與輪胎胎壓有直接關(guān)系。當輪胎胎壓過低時，會使輪胎與路面的接觸面積增大，增加摩擦力，加速輪胎花紋磨損，容易導致打滑，甚至會因為磨擦而產(chǎn)生熱量，造成爆胎事故。當輪胎胎壓過高時，則會造成輪胎的不正常磨損，汽車緩震能力變差，同時也可能造成爆胎。因此，在行駛過程中，保持標準的輪胎胎壓和及時發(fā)現(xiàn)輪胎壓力異常，是防止爆胎和事故發(fā)生的關(guān)鍵[1]。研究表明，保持標準的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵[2]，基于此目的，本文設(shè)計了汽車輪胎壓力實時檢監(jiān)測系統(tǒng)，并利用無線技術(shù)，使得駕駛員在車內(nèi)就能實時獲取車外的輪胎壓力。

2 總體設(shè)計思路

本設(shè)計為汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計，并基于無線通信。本設(shè)計主要分為兩個模塊，其中一個為胎壓檢測板，在實車上的使用中就是安裝在輪胎內(nèi)部或者氣嘴處;另一個為胎壓接收板，在實車上的使用就是設(shè)置在駕駛艙內(nèi)，以供駕駛員實時觀察輪胎壓力是否存在異常。

在胎壓檢測板中的氣壓傳感器測量出實時胎壓后，會根據(jù)內(nèi)部的線性關(guān)系對應(yīng)值而將氣壓轉(zhuǎn)換為模擬電壓傳輸至單片機，但單片機不能直接處理模擬電壓，因此需要將該模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，在這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化），單片機就能接收到脈沖后再根據(jù)事先置入的線性關(guān)系計算出此時的實際氣壓，將該氣壓信息再傳輸給檢測板上的無線模塊。

胎壓接收板的無線模塊接收之后再根據(jù)相同的公式轉(zhuǎn)換為實際氣壓值，與檢測板相反，獲得氣壓值后再次轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，送入單片機內(nèi)進行處理，之后將計算出的實時氣壓值傳送給LCD屏幕顯示并傳送給報警電路判斷是否需要超過限定值而報警。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 檢測模塊

檢測模塊由中央控制模塊、無線傳輸模塊和壓力傳感器模塊構(gòu)成，壓力傳感器安裝在汽車輪胎內(nèi)部，用來實時檢測胎壓，并傳輸至中央控制模塊。

檢測模塊的部分電路圖如圖2所示，中央控制模塊采用STC89C52單片機，它的P2.3、P2.2、P2.1端口與胎壓傳感器模塊連接，用以接收傳輸過來的模擬電壓信號，P1.0-P1.5端口與無線傳輸模塊相連接，即單片機的SPI接口引腳：MISO、MOSI、SCK和CE與無線模塊的SPI接口，用于將壓力傳感器發(fā)送過來的信號通過無線通信發(fā)射到接收板。

3.2 接收模塊

接收模塊由中央控制模塊、無線傳輸模塊和LCD顯示模塊和報警電路構(gòu)成，安裝在汽車駕駛室內(nèi)，用以給駕駛員觀察胎壓數(shù)值以及胎壓不正常時，及時報警提醒駕駛員。

接收模塊的部分原理圖如圖3所示，與檢測模塊的無線傳輸一樣，P1.0-P1.5端口與無線傳輸模塊相連接，即單片機的SPI接口引腳：MISO、MOSI、SCK和CE與無線模塊的SPI接口，用于接收檢測模塊通過無線模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)。經(jīng)過單片機的處理，將數(shù)據(jù)在LCD模塊中顯示出來。

報警電路采用一個蜂鳴器作為發(fā)聲裝置，連接單片機的P2.0端口，當汽車輪胎壓力超過設(shè)定的閾值后，單片機會控制報警電路的蜂鳴器上電、發(fā)聲，以達到提示駕駛員關(guān)注胎壓異常現(xiàn)象。

4 主程序流程圖

單片機實現(xiàn)胎壓監(jiān)測流程如圖4所示：

如圖4-2所示，從圖中可以看到，單片機運行后，首先對無線模塊NRF2401進行初始化，調(diào)制發(fā)射模式和接收模式，并且確定發(fā)射與接收的地址是否配對成功，然后才對氣壓傳感器輸入的氣壓進行傳輸。接收端設(shè)置壓力的閾值，程序判斷接收到的壓力是否處于閾值之內(nèi)，如果正常則返回，不正常在返回的同時會進行報警。

5 總結(jié)

本設(shè)計主要設(shè)計了一個基于無線射頻技術(shù)的汽車輪胎壓力監(jiān)測的裝置，使用NRF24L01是作為一個無線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)，nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片。無線通信速度可以達到 2M（bps）[3]，使用了基于XGZP型開發(fā)了一款MD-PS002的壓力傳感器芯體作為監(jiān)測器，短距離內(nèi)實現(xiàn)氣壓數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過V/F變換輸入到單片機內(nèi)進行處理，并在接收板上使用LCD顯示器將對應(yīng)的氣壓值實時顯示出來。

為了實現(xiàn)報警功能，在系統(tǒng)內(nèi)預設(shè)了一個閾值，當所監(jiān)測到的氣壓值超過閾值時，蜂鳴器就會報警發(fā)出聲音，以此提醒駕駛員注意汽車輪胎壓力的異常情況。

該汽車輪胎壓力監(jiān)測的設(shè)計實現(xiàn)了比較方便、實用的特點，但是也存在了許多的不足，比如沒有區(qū)分汽車的輪胎是哪個位置的裝置，其次由于是采用51系列單片機，整體設(shè)備比較大，如能使用集成電路并且加入一個界面顯示，設(shè)置一個動畫效果來顯示各個車輪的實時胎壓會更適用于實際場景。

課題來源于：2020年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，202010594245《基于無線技術(shù)的汽車胎壓檢測系統(tǒng)|創(chuàng)新訓練項》。

參考文獻：

[1]門向生.利用FPGA實現(xiàn)數(shù)字信號處理[J].電訊技術(shù)，2000年，32（6）：30-34.

[2]G·Schimetta，F(xiàn)·Dollinger，G·Scholl，R·Weigel.Optimized design and fabrication of a wireless pressure and temperature sensor unit based on SAW transponder technology[J].IEEE Microwave Symposium Digest.Nanjing：The Chinese Institute of Electronics，CIE.2001，3（6）：56-61.

[3]李慶山，戴曙光，穆平安.nRF2401無線模塊在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測與儀表.上海：哈爾濱電工儀表研究所有限公司、中國儀器儀表學會電磁測量信息處理儀器分會，2006年，43（488）：58-60.