單片機控制輪胎自動充氣裝置的設計

豆鵬飛

(長慶油田公司，陜西 榆林 718100)

作為單片機智能化產品，其在市面上的應用極為普遍。單片機智能化產品具有價位低、低耗電、體積小、輕質量以及性能穩定等優勢，所以其在醫療器械、航空工業、家用電器、儀表儀器、設備管理以及過程管理控制等行業中獲得廣泛應用。單片機控制系統也在常見電子產品和大中型電氣設備中用于系統控制。本文基于汽車用戶對充氣裝置的便攜式要求以及智能化需求而設計出單片機控制系統充氣裝置產品。

本文設計的自動充氣裝置由壓力檢測模塊、核心控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、充氣模塊等幾部分構成。

文中設計的壓力檢測模塊由模數轉化芯片以及壓力傳感器等兩部分構成。而受溫度影響較小的惠斯通電橋構成壓力傳感器本質[1]。傳感器上的差動輸出信號是由膜片壓力造成的電橋不平衡產生的。壓力傳感器膜片結構特性為差動輸出電壓（U）和偏置電壓△U成正比關系。而此正比關系導致偏置電源容限值由壓力的測量精確度決定。四個橋臂電阻處于某種程度時，則其電橋輸出值為0[2]。利用壓力電橋獲得的壓力模擬值通過ADC0809轉換后即可供單片機分析使用。利用矩陣鍵盤控制，設定充氣預定值和氣泵的啟停。利用LCD顯示屏顯示設定值和輪胎內的當前壓力值。此外，在考慮到價格低廉、使用方便、電路簡單等要求，充氣模塊我們選用繼電器驅動氣泵工作；控制模塊選用AT89C51作為輪胎自動充氣壓力控制系統的控制核心。

本設計輪胎自動充氣壓力控制系統是基于滿足設計要求的前提并且根據理論上的可實現性和硬件上的經濟實用性，綜合考慮各種因素的情況下，而得來的系統方案。方案總體構架如圖1所示。

圖1 輪胎自動充氣壓力控制系統結構框圖

1 硬件電路設計

1.1 壓力檢測電路

輪胎自動充氣壓力控制系統要根據輪胎內壓力當前值的大小來確定充氣是否完成和需不需要關閉氣泵，因而需要使用到壓力應變傳感器[3]。電阻應變式傳感器按其用途不同，可分為應變測力傳感器、應變壓力傳感器、應變式加速度傳感器等[4]。本設計中我們使用的是壓力傳感器， 這種傳感器主要用于對氣體、液體的動態和靜態的壓力的測量。如對內燃機管道和動力設備管道進、出氣孔流液的壓力、發動機噴口的壓力等的測量。這種傳感器主要采用膜片、薄板、筒式等組成的彈性元件。傳感器所用的應變片電阻值國內標準有：60、120、350、和600 Ω等各種阻值，其中以120 Ω為最常用。利用電橋測量原理，通過對電路輸出電壓和標準壓強的線性關系，建立具體的數學模型，將電壓量的變化改為壓力的變化，即可以測出一定范圍內的壓力值。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器[5]。設計還利用了運算放大電路的作用，就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號進行一定倍數的放大，以滿足A/D轉換器對輸入信號電平的進行各種轉換處理的要求。壓力檢測部分連接如圖2所示。

圖2 壓力檢測電路原理圖

圖3 壓力傳感器電橋電路

此部分壓力傳感器參照了LAB6000使用說明書電路原理圖，傳感器的工作原理本質上是惠斯通電橋，該電橋溫度特性好[6]。傳感器上的差動輸出信號是由膜片壓力造成的電橋不平衡產生的。壓力傳感器膜片結構特性，即為差動輸出電壓（U）和偏置電壓△U兩者之間成正比關系。四個橋臂電阻處于某種程度時，則其電橋輸出值為0，但其也可以提供一種最通用的方法，即溫度補償[7]。該電路三部分組成：（1） 電源電路部分；（2） 電橋電路部分；（3） 放大電路部分。如圖所示，傳感器采用15V恒壓源Vcc供電，經過R1與R2分壓（電容C1起濾波作用），U2A起到電壓跟隨器的作用，所以點1、2、3三點處有相同電壓U1:

根據上式，帶入數據R1=4K，R2=1K，VCC=15V，求得U1=3V。

經過電路分析電橋部分可等效為如圖3所示。

設橋臂電阻分別為R1，R2，R3，R4，R1=R3=R’=1/（1/R3+1/R4）=118Ω，R2=R4=R’=120Ω，則當壓力傳感器受力時，電阻變化對應的輸出電壓值為[8]：

由于△R＜＜1，則上式可化簡為

帶入電阻、電壓值得Uo=0.25△R/R，最后經過放大部分，壓力傳感器的微弱采樣電壓經過放大電路放大。

1.2 A/D轉換電路

A/D轉換的作用是進行模數轉換，把接收到的模擬信號轉換成數字信號輸出。在選擇A/D轉換時，先要確定A/D轉換精度、轉換速度以及轉換位數等，A/D轉換的位數確定與整個測量控制系統所需測量控制范圍和精度有關[9]，在輪胎自動充氣壓力控制系統中采用了8位A/D轉換器ADC0809引腳，如圖4所示。

圖4 ADC0809引腳圖

ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器。8路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關，以及相應的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉換時間為100 μs左右。

ADC0809的主要特性有：

（1） 8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。

（2）具有轉換起停控制端。

（3）轉換時間為100 μs（時鐘為640 kHz時），130 μs（時鐘為500 kHz時）

（4）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。

ADC0809主要引腳功能如下：

IN0～IN7：八路模擬量的輸入端。

D0～D7：A/D轉換后的數據輸出端，為三態可控輸出，可直接與總線相連。

A、B、C：模擬通道地址選擇斷，A為低位，C為高位。

ALE：地址鎖存允許信號，當此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存電路選通對應的模擬輸入通道。

SC：啟動轉換信號。通常與單片機的寫信號線連接，啟動A/D轉換。

EOC：轉換結束信號，表示一次轉換結束。常作為中斷觸發信號。

OE：輸出允許控制信號，通常與系統的讀信號線連接，打開三態門，此時可通過數據線讀到轉換結果。

本系統ADC0809與單片機和壓力傳感器連接如圖5所示。

如原理圖所示，ADC0809的A、B、C共同接地選中第0通道，即模擬信號從IN-0輸入到A/D轉換器，通過單片機P2.4引腳start送出一個正脈沖，從而啟動轉換；轉換完成后，EOC輸出一個由低到高的跳變沿，經過一個非門取反變為下降沿，出發已經設置為邊沿觸發的I外部中斷0；在中段程序中通過P.3引腳enable送出高電平，控制ADc0809數字量允許輸出，信號經過74HC573鎖存器流入P0口；通過單片機讀程序，把轉換后的數字讀入片內，進行相應操作后顯示在數碼管上。

1.3 顯示電路

本設計采用LED數碼管進行顯示是因為LED數碼管具有以下幾個優點[10]：（1）能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與CMOS、ITL電路兼容。（2）發光響應時間極短（＜0.1 μs），高頻特性好，單色性好，亮度高。（3）體積小，重量輕，抗沖擊性能好。

數碼管有共陰極和共陽極兩種類型，為位選端主要進行位控制，斷選端則是進行字符控制，數碼管有靜態顯示和動態顯示兩種方法[11]，說明如下：

(1) 靜態顯示驅動

靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O進行驅動，或者使用如BCD碼二—十進位器進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O多，如驅動5個數碼管靜態顯示則需要5×8=40根I/O來驅動，要知道一個89C51單片機可用的I/O才32個。故實際應用時必須增加驅動器進行驅動，增加了硬體電路的復雜性。

(2) 動態顯示驅動

動態驅動器是連接所有數碼管“a、b、c、d、e、f、g、dp”的8個顯示行程的同名終端。此外，位元控制電路被添加到每個數字管的公共極COM，其由獨立I/O線控制。當單片機輸出字體代碼時，所有數碼管會接收相同的字體代碼。然而，單片機控制位元COM端電路影響數碼管的字體顯示。所以只需打開顯示數碼管的選通控制，其位元便出現不同的字形，而未選通的數碼管不可能發亮。以分時輪流方式來控制每個相應的LED數碼管COM端，便會將每個數碼管受控以輪流顯示，即為動態驅動顯示。在輪流顯示過程中，每位元數碼管的點亮時間為1～2 ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O口，而且功耗更低[12]。

圖5 單片機和壓力傳感器連接

在本設計過程中，我們查詢了大量與車胎壓強相關的資料得知汽車輪胎壓強一般在1.5～2.2bar（即150～220 kPa）比較適宜，具體冬夏也有少許差別。所以我們采用3位共陰極數碼管作為顯示部件。數碼管顯示部分電路圖6所示。

如上述電路圖所示，數碼管采用動態掃描顯示，系統段選碼和位選碼均是通過74HC573分時送出。74HC573是八個透明的D 型鎖存器，當使能C為高電平時，Q 輸出將隨數據 D的輸入而變。當使能C為低電平時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。當系統需要顯示數碼時，先通過單片機引腳P0口送出相應位選碼，再控制P2.0引腳輸出高電平，74HC573（U6）被打開，位選碼送到數碼管陰極。P2.0再輸出低電平把位選信號所存到Q端；此后，單片機P0口輸出相應段選碼，P2.1引腳輸出高電平，打開74HC573（U5）被打開，段選碼送到數碼管段選端，點亮選中的數碼管，并延時1ms；以此為原理第二個、第三個數碼管一次被點亮；最后重復上述過程。

1.4 鍵盤電路

由于本設計需要設定充氣預定值和氣泵啟停，所需要的按鍵較多，若采用方案一所占單片機I/O資源較多，而矩陣鍵盤按鍵多、占用I/O口少，很好的滿足了設計與需求。考慮到鍵盤需要設置0～9十個數字和設置啟、停按鈕，所以我們最終選定使用3×4的矩陣鍵盤功能，如圖7所示。

圖6 數碼管顯示電路

圖7 矩陣鍵盤功能圖

如圖按照鍵盤掃描至獲得鍵號編寫程序對應如上圖所示。矩陣鍵盤在系統中原理圖如圖8所示：

矩陣鍵盤工作是利用P1口分別對某一行賦低電平，其余行賦值高電平，然后分別掃描各列是否出現低電平，若無退出掃描，然后檢測列線的狀態。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。斷閉合鍵所在的位置是通過讀取P1口的值，與預設值比對，確定是哪個鍵按下，在確認有鍵按下后，就可以進入相應操作程序。

1.5 氣泵控制電路

如圖9所示為電磁繼電器控制電路氣泵的工作電路。

要控制氣泵工作，只需控制電磁閥的閉合與斷開。單片機的pump（P2.7）引腳控制三極管的工作在放大區和截止區。當該引腳輸出高電平時，使三極管導通，繼電器的內部線圈有電流通過，產生吸合力，將公共端吸合到常開端，則氣泵開始充氣；當輪胎的氣充足后，pump引腳輸出低電平，使三極管截止，則繼電器不會產生吸合力，從而斷開了氣泵的工作。

1.6 電源電路

51單片機正常工作電壓為5V，因此我們設計了電源電路為單片機工作供電。如下圖10是為單片機提供電源的電路。在這個電路中采用了三端集成穩壓芯片7805， 來為單片機提供穩定的5V的直流電壓。

1.7 復位電路

復位電路的主要功能是使單片機進行初始化，在初始化的過程中需要在復位引腳上加大于24個時鐘周期的高點平。本設計復位電路如圖11所示。

1.8 時鐘電路

電路利用晶振產生固定周期的震蕩脈沖。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來產生基準頻率的。通過基準頻率來控制電路中的頻率的準確性。同時，它還可以產生振蕩電流，向單片機發出時鐘信號。如圖12為單片機時鐘電路

1.9 系統原理

系統原理圖如圖13所示。

圖8 陣鍵盤原理圖

圖9 電磁繼電器控制電路

圖10 電源電路圖

圖11 復位電路

圖12 單片機時鐘電路

2 軟件設計

系統軟件設計主要包括壓力檢測及數模轉換程序、數碼管顯示程序，鍵盤掃描程序，外部中斷0服務程序構成。

圖13 系統原理圖

2.1 壓力檢測及A/D轉換程序設計

壓力電橋和發明和放大電路由硬件控制始終處于工作狀態。AD轉換結束方式是選擇使用結束限號，觸發外部中斷0的方式。具體工作是：由于ADC0809的A、B、C共同接地，選中第0通道，模擬信號從IN-0輸入到A/D轉換器，通過單片機P2.4引腳start送出一個正脈沖，從而啟動轉換；轉換完成后，EOC輸出一個由低到高的跳變沿，經過一個非門取反變為下降沿，出發已經設置為邊沿觸發的I外部中斷0；在中段程序中通過P.3引腳enable送出高電平，控制ADC0809數字量允許輸出。AD轉換流程如圖14所示：

圖14 A/D轉換流程

2.2 數碼管顯示程序設計

本設計數碼管采用動態掃描方式，通過單片機引腳分別送出相應位選碼，選通相應數碼管，再用單片機輸出相應段選碼，點亮選中的數碼管，并延時1ms；以此為原理第二個、第三個數碼管依次被點亮，再循環此過程。數碼管顯示流程如圖15所示。

2.3 鍵盤掃描程序設計

矩陣鍵盤工作是利用鍵盤掃描，依次檢測按鍵是否按下。首先對某一行賦低電平，其余行賦值高電平，然后分別掃描各列是否出現低電平，若無退出掃描，然后檢測列線的狀態。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。斷閉合鍵所在的位置是通過讀鍵盤行取列值，與預設值比對確定的。鍵盤掃描流程如圖16所示。

圖15 數碼管顯示流程圖

圖16 鍵盤掃描流程圖

2.4 外部中斷0服務程序設計

本設計采用外部中斷0監測A/D是否完成，當完成后觸發中斷，在中斷處理中獲得此時輪胎氣壓值，比較是否達到設定值，若是氣泵停止工作，若否等待下一次中斷。中斷處理流程如圖17所示：

2.5 系統總體程序設計

根據設計要求，系統工作開始首先調用鍵盤子程序等待用戶輸入需要沖氣的多少，并把所設定的氣壓值再數碼管上顯示一段時間，幫助使用者確定是否有誤操作，若有重新輸入，若無則按下start鍵，啟動氣泵開始工作，啟泵啟動后應該立即調用A/D轉換子程序及顯示子程序，動態的顯示輪胎內的氣壓，以及比較現在的氣壓是否達到用戶的要求。由于LED顯示是動態的。所以必須循環的調用A/D轉換子程序和顯示子程序，這樣做不僅實時性強，可以讓用戶了解輪胎內氣壓的變換，而且可以增強LED顯示亮度。

圖17 中斷處理流程圖

圖18 軟件設計總流程圖

此外，在設計過程中，我們查閱了大量與輪胎胎壓相關的資料，得知汽車輪胎壓強一般在1.5～2.2bar（即150～220 kpa）比較適宜，具體冬夏也有少許差別。故在考慮到實際情況和軟件編制的簡易性的情況下，我們規定用戶輸入的充氣氣壓只能位于0～255 kPa的范圍內。這樣一來，由于ADC0809的精度為八位，其輸出的數字量的范圍也是0～255。量化后正好是一對一的關系，就大大的減輕了軟件編制的困難。如下圖18所示為軟件設計總流程圖。