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

林春蘭 孫晨旭 劉子強(qiáng)

摘 要：胎壓異常嚴(yán)重威脅著交通安全，隨時(shí)會(huì)造成交通事故，是汽車安全問(wèn)題上的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)提出了一種基于51單片機(jī)的汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)胎壓異常的功能。本次設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為核心，氣壓傳感器、無(wú)線傳輸模塊、LCD為主要器件，設(shè)計(jì)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(guò)無(wú)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(lái)，以供駕駛員觀察胎壓情況，若當(dāng)前胎壓超出報(bào)警閾值，可進(jìn)行聲光報(bào)警提升，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車輪胎的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并報(bào)警提示。

關(guān)鍵詞：胎壓 無(wú)線傳輸 報(bào)警 監(jiān)測(cè) 單片機(jī)

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(hù)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(dāng)輪胎胎壓過(guò)低時(shí)，會(huì)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(dǎo)致打滑，甚至?xí)驗(yàn)槟ゲ炼a(chǎn)生熱量，造成爆胎事故。當(dāng)輪胎胎壓過(guò)高時(shí)，則會(huì)造成輪胎的不正常磨損，汽車緩震能力變差，同時(shí)也可能造成爆胎。因此，在行駛過(guò)程中，保持標(biāo)準(zhǔn)的輪胎胎壓和及時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時(shí)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(jì)了汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用無(wú)線技術(shù)，使得駕駛員在車內(nèi)就能實(shí)時(shí)獲取車外的輪胎壓力。

2 總體設(shè)計(jì)思路

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

在胎壓檢測(cè)板中的氣壓傳感器測(cè)量出實(shí)時(shí)胎壓后，會(huì)根據(jù)內(nèi)部的線性關(guān)系對(duì)應(yīng)值而將氣壓轉(zhuǎn)換為模擬電壓傳輸至單片機(jī)，但單片機(jī)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(hào)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(jī)就能接收到脈沖后再根據(jù)事先置入的線性關(guān)系計(jì)算出此時(shí)的實(shí)際氣壓，將該氣壓信息再傳輸給檢測(cè)板上的無(wú)線模塊。

胎壓接收板的無(wú)線模塊接收之后再根據(jù)相同的公式轉(zhuǎn)換為實(shí)際氣壓值，與檢測(cè)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(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，之后將計(jì)算出的實(shí)時(shí)氣壓值傳送給LCD屏幕顯示并傳送給報(bào)警電路判斷是否需要超過(guò)限定值而報(bào)警。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊由中央控制模塊、無(wú)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(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)胎壓，并傳輸至中央控制模塊。

檢測(cè)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(jī)，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(guò)來(lái)的模擬電壓信號(hào)，P1.0-P1.5端口與無(wú)線傳輸模塊相連接，即單片機(jī)的SPI接口引腳：MISO、MOSI、SCK和CE與無(wú)線模塊的SPI接口，用于將壓力傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)通過(guò)無(wú)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(wú)線傳輸模塊和LCD顯示模塊和報(bào)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(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒駕駛員。

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

報(bào)警電路采用一個(gè)蜂鳴器作為發(fā)聲裝置，連接單片機(jī)的P2.0端口，當(dāng)汽車輪胎壓力超過(guò)設(shè)定的閾值后，單片機(jī)會(huì)控制報(bào)警電路的蜂鳴器上電、發(fā)聲，以達(dá)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(jī)實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)流程如圖4所示：

如圖4-2所示，從圖中可以看到，單片機(jī)運(yùn)行后，首先對(duì)無(wú)線模塊NRF2401進(jìn)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(duì)成功，然后才對(duì)氣壓傳感器輸入的氣壓進(jìn)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(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線射頻技術(shù)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)的裝置，使用NRF24L01是作為一個(gè)無(wú)線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)，nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無(wú)線通信通信芯片。無(wú)線通信速度可以達(dá)到 2M（bps）[3]，使用了基于XGZP型開(kāi)發(fā)了一款MD-PS002的壓力傳感器芯體作為監(jiān)測(cè)器，短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣壓數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過(guò)V/F變換輸入到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，并在接收板上使用LCD顯示器將對(duì)應(yīng)的氣壓值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

為了實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)了一個(gè)閾值，當(dāng)所監(jiān)測(cè)到的氣壓值超過(guò)閾值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)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(cè)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了比較方便、實(shí)用的特點(diǎn)，但是也存在了許多的不足，比如沒(méi)有區(qū)分汽車的輪胎是哪個(gè)位置的裝置，其次由于是采用51系列單片機(jī)，整體設(shè)備比較大，如能使用集成電路并且加入一個(gè)界面顯示，設(shè)置一個(gè)動(dòng)畫(huà)效果來(lái)顯示各個(gè)車輪的實(shí)時(shí)胎壓會(huì)更適用于實(shí)際場(chǎng)景。

課題來(lái)源于：2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，202010594245《基于無(wú)線技術(shù)的汽車胎壓檢測(cè)系統(tǒng)|創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)》。

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