压电式传感器及其应用

摘要

随着汽车的普及，汽车行驶安全愈来愈受到重视，而轮胎压力异常是危及汽车行驶安全的重要因素之一。因此，实时监测汽车轮胎压力有着重要的意义。并通过无线数据传输方式将压力信息传输至监视终端，实现了实时监测汽车轮胎压力的功能，对汽车行驶安全起到了重要的作用。系统硬件由中央接收处理模块和胎压测量发射模块两部分组成。中央接收处理模块以ARM7微控制器LPC2103为核心，外扩无线接收电路，LCD显示屏和胎压测量模块由MPXY8300传感器及PCB 天线构成。软件设计了串口驱动、SPI驱动、定驱动和LCD驱动，实现了无线数据发送和数据接收的功能。在完成软、硬件设计的基础上，分别对微控制器模块、串口模块、显示模块和无线收发模块调试后，结果表明系统运行正常。

关键词：TPMS MPXY8300 MC33696 ARM PCB天线

前言

基于目前国内外TPMS的发展状况，本文设计一种直接式的汽车轮胎压力监测系统(简称胎压监测系统)，主要从硬件和软件两部分进行设计，具体内容如下：硬件设计给出了汽车轮胎压力监测系统的硬件设计总体方案，包括胎压测量发射模块的设计和中央接收处理模块的设计。胎压测量发射模块采用胎压传感器来采集轮胎当前的压力、温度和加速度，在芯片内部编码和调制后，通过无线方式把压力温度等信息发送给中央接收处理模块。中央接收处理模块由微控制器模块、无线收发模块、显示屏模块以及PCB天线构成。其中，微控制器模块包括微控制器LPC2103、时钟电路、电源管理电路、复位电路、调试接口电路和RS-232串口电路。无线收发模块由无线收发器MC33696及外围电路、信号调理模块构成。中央接收处理模块通过天线，接收胎压测量发射模块发送的无线信号，无线信号经过信号调理模块后，由无线收发器对其解调解码后，送给微控制器进行处理，最终显示在显示屏上。在硬件设计过程中，对无线收发器模块中的信号调理电路进行仿真，为硬件设计提供依据。

软件设计在硬件设计的基础上，分别对胎压测量发射模块和中央接收处理模块进行程序编写。胎压测量发射模块调用MPXY8300芯片的固件函数来编写发送程序，程序实现每隔2s更新并发送～帧胎压信息数据；中央接收处理模块编写了串口、显示屏和SPI接口的初始化程序，MC33696的驱动程序，显示屏显示数据程序，在这些基础上设计了整体的接收显示程序。

1.绪论

1.1课题研究背景及意义

随着汽车的普及，汽车交通事故频繁发生，而汽车轮胎压力异常是危及汽车行驶安全的重要因素之一，愈发受到重视。据2002年美国汽车工程师学会调查，全美平均每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的[1]。同样，据我国公安部统计，国内高速公路70％的意外交通事故是由爆胎引起的，而时速在160公里以上发生爆胎的死亡率接近100％[2]。由此可见，轮胎故障，尤其是轮胎压力异常，是导致交通事故频发的重要原因。

早在2000年11月1日，美国总统克林顿签署批准了美国国会关于修改联邦运输法的提案，联邦法案要求2003年以后出产的所有新车都需将轮胎压力监测系统作为标准配置；2006年11月1日起所有需要行驶在高速公路上的汽车都需配置轮胎压力监测系统[3]。在该提案的推动下，汽车轮胎压力监测系统开始受到关注。

汽车轮胎压力监测系统（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），主要用于在汽车行驶过程中，实时监测轮胎内的压力和温度，对因轮胎漏气而导致的气压异常进行报警，以保障行驶安全[4]。TPMS属于事前主动型安保范畴，不同于事后被动型安保的安全气囊和防抱死制动系统（ABS），一旦轮胎出现故障的征兆，驾驶员就能根据警示采取相应的措施，避免事故的发生。TPMS不仅能保障驾驶员的安全，还能减少因轮胎气压异常而产生的燃油消耗，避免车辆部件与轮胎不正常的磨损，从而延长轮胎的使用寿命[5]。汽车轮胎压力监测系统发展至今，已与汽车安全气囊、ABS成为汽车的三大安全系统，并被大众所重视。

本课题以此为背景，研究并设计一种直接式汽车轮胎压力监测系统，通过胎压测量发射模块测量和发送轮胎压力、温度等信息，利用中央接收处理模块接收数据信号并进行相应的数据处理，最终把胎压信息和低压高压警示显示在显示屏上，对保证驾驶员行车过程中的安全起到重要作用。

1.2 TPMS发展状况

TPMS发展至今，主要分为两种类型：一种是间接式TPMS（Wheel．Spe BasedTPMS，简称WSB），这种系统通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的轮速差别，来达到监视胎压的目的。另一种是直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS，简称PSS），这种系统利用安装在轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示轮胎气压，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。

国外TPMS研究主要集中在北美、日本和欧洲地区，起步相对较早，加上政

策支持，已诞生了相对成熟的产品。国外主要的生产厂商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等[7]。到目前为止，国外已有许多车型都安装了TPMS。1997年，通用汽车公司开始使用间接式TPMS；2000年5月，TPMS在美国上市。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中。

国内方面，由于经济水平落后，安全观念缺乏，且缺少政策支持，TPMS发展较国外相对滞后。但是着眼于TPMS的发展趋势，国内一些高校，例如吉林大学、浙江大学、郑州大学等，已有学者对直接型TPMS进行理论研究，提出了一系列方案。此外，国内生产TPMS产品的企业也逐渐增多，但是，这些企业研发和生产水平低下，工艺相对落后，产品的功能、质量与世界一流企业相比存在着明显的差距。因此，迫切需要制定TPMS国家标准，加大政策支持力度，为国内TPMS的发展提供强劲动力，从而构建更为安全的交通环境。

2 胎压监测系统方案设计

本章为胎压监测系统的方案设计，分别从设计需求分析、总体结构设计、核心器件选型和数据通信方式选择四个方面进行阐述。

2 胎压监测系统方案设计

2.1设计需求分析

TPMS作为汽车上应用的产品，关系到安全问题，在设计之初，根据实际情况进行以下的需求分析。

TPMS测量轮胎压力，最终目的是让驾驶员了解胎压状况，因此，系统需由两个模块组成：用于测量汽车轮胎压力的模块(胎压测量发射模块)和告知驾驶员胎压信息的模块(中央接收处理模块)。

小汽车的轮胎压力在210KPa左右[8]，但由于汽车型号和负载的缘故，会导致胎压有所浮动，但是超过280KPa或低于180KPa时，胎压就处于异常的状态。

TPMS在工作环境适应方面要求比较严格，特别是胎压测量发射模块，在任何天气且高速运行的状态下，都应能正常工作，且可以适应较宽的温度范围。此外，胎压测量发射模块要装在轮胎轮毂上，体积不能过大，太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的困难。此外，胎压测量发射模块的重量要轻，否则会对轮胎的动态平衡产生影响。TPMS以无线方式通信，要考虑信号可靠性问题。胎压测量发射模块安装在轮毂上，且有多个，发射信号容易受到干扰和造成冲突。中央接收处理模块放入车内，车体相当于一个屏蔽盒，会减弱信号。选择合理的器件并正确设计无线收发电路，对保证信号传输可靠性至关重要。