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胎压监测系统研究与应用

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胎压监测系统研究与应用

发布时间：2022-01-21T01:58:16.924Z 来源：《中国科技人才》2021年第29期 作者： 鲍金雨 闫红珍

[导读] 本文设计的TPMS系统采用Freescale公司电容式压力传感器MPXY8020A；32针封装的MC68HC908RF2作为信号控制处理与发射单元。

长城汽车股份有限公司 河北保定 071000

摘要：TPMS(Tire Pressure Monitoring System) 即轮胎压力监视系统，主要用于对汽车胎压进行实时自动监测，并在监测到轮胎状况异常时进行报警、甚至预警，以保障驾乘者的行车安全。 在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性

交通事故发生的重要原因。本文介绍了TPMS结构和原理，给出了基于MPXY8020A传感器的胎压监测系统实现的关键技术。该系统可实时

监测每个轮胎内部的实际温度、压力和传感器电池电压，确定故障轮胎并实时报警，有效避免爆胎事故的发生。

关键词：射频；胎压；监测；传感器；胎压监测系统

1、TPMS系统原理与结构

本文设计的TPMS系统采用Freescale公司电容式压力传感器MPXY8020A；32针封装的MC68HC908RF2作为信号控制处理与发射单元。它是一个8位单片机和UHF发射器集成在一起的器件，可工作在315、434、868MHz，发射功率为5dBm /11.6-13.5mA @T<85℃，

315MHz/434MHz；MC33594作为接收单元，可工作在315、 434MHz/ASK/FSK，接收灵敏度在数据波特率等于4800bps时为-105dBm。其测量精度达到0.01-0.03% FS，采用锂亚电池供电，7～10年的使用寿命。TPMS系统主要由两个部分组成：安装在汽车轮胎里的轮胎压力检测

模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视模块。轮胎压力检测模块直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力、温度和电压，将测量得到的信号调

制后通过RF发射出去，一个TPMS系统有4个或5个轮胎压力检测模块。中央监视模块接收到胎压检测模块发送的信号，将接收的轮胎压

力、温度和电压数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力、温度或者电压出现异常，中央监视模块根据异常情况，发出不同的

报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施；同时驾驶者可以根据实际情况设定温度、压力、电压的报警上下限。

2、TPMS关键技术研究与设计

2.1胎压检测模块TPM

胎压检测模块被嵌入安装在轮毂上。由于汽车在高速跑动时轮胎内的环境和温度十分恶劣，压力、温度、湿度变化特别大，在设计中该模块要按照军品的要求设计。TPM是TPMS系统开发的难点，也是TPMS稳定运行的关键。TPM由传感器模块、MCU、RF模块、天线和

锂亚电池五部分组成。传感器模块采用Freescale的MPXY8020A压力传感器和外围基本元器件构成。MPXY8020A内部集成了气压传感器、

温度传感器和接口电路，8引脚SSOP封装，能承受的最大气压为1400Mpa。MPXY8020A由两部分电路组成，第一部分包括压力和温度传感

器。这部分是模拟电路(包括用于校准的调整寄存器)，以及S1/VPP和S0两个管脚决定选择哪一个传感器。测量值转换成电压，保存在采样

电容中。 第二部分是具有数字输入和模拟输出的混合电路。输入通过CLK和DATA管脚，使用串行通信协议(在MPXY8020A Datasheet中描

述)，发送到DATA管脚的字节被存储在D/A寄存器中并转换成 DC电压，该电压与采样电容的电压比较，决定OUT管脚的状态。做8次这样

的比较操作，采用逐次逼近法产生8bit数字值。MCU和RF模块为Freescale的MC68HC908RF2芯片，MC68HC908RF2基于CPU08核心，具有

12个通用 I/O管脚PORTA[7:0]、PORTB[3:0]，其中PORTB[3:2]、PORTB[0]可用于定时器模块，PORTA[6:1] 可用于键盘中断。在TPM应用中，我们使用PTA3作为键盘中断，连接到MPXY8020A的OUT管脚，大约每隔3秒，从MPXY8020A的OUT管脚输出一个低电平脉冲作为

RF2的中断并唤醒RF2。

2.2中央监视模块

中央监视模块主要负责接收压力检测模块发送过来的数据，对其进行分析、处理，并根据具体情况启动相应报警。从功能上中央监视模块包括射频接收、数据处理、显示报警和人机接口几部分。射频接收采用Freescale公司的MC33594和外围基本元器件构成；数据处理采

用Freescale 公司通用微处理器MC68HC908GT16芯片，显示报警主要由液晶显示屏和声光器件构成。MC33594是一片UHF接收IC，配置好3

个1-byte的配置寄存器后，它就可以接收并管理Manchester编码位流。它检测和解调信号，把必要的数据通过SPI接口发送出去。接收器加电

后，把配置寄存器设定为默认值，关闭SPI接口，RST管脚输出低电平，进入配置模式。通过SPI可以对配置信息进行读写。MCU将接收到

的数据进行处理，在LCD上显示压力、温度的数值以及一些状态信息，必要时使报警器动作发出报警声音。此外，通过设定按钮，可以切

换显示状态，设定报警参数。

2.3TPMS天线设计

TPMS系统中天线是一个十分复杂的系统，因为胎压监测模块安装于轮胎内部，轮胎的轮毂、胎面、子午胎的钢丝层都会影响天线的工作状况。轮毂、钢丝层对天线的方向图 、极化形式、增益都有影响。天线是决定直接式TPMS系统性能的关键之一。在设计中，采用了法

向螺旋天线，螺旋线能大大减少电磁波沿螺旋线轴向传播的相速，作为一级近似，电磁波沿螺旋线轴向传播的相速和电磁波在自由空间的相速之比等于螺旋线的螺距和每匝周长之比。另一方面，螺旋线增加了感抗，在轴线方向上天线的长度远小于普通谐振单极天线或偶极子

天线。同时它具有小尺寸、有助于提高天线效率和改善天线极化等特性，减少了因收发天线极化失配而产生的接收盲点。

2.4TPMS软件设计

TPMS的软件设计主要是设置MPXY8020A对轮胎气压、温度及监测模块电压进行测量，然后将数

据处理后生成完整的数据帧通过MC68HC908RF2发送给TPMS中央监视模块，接收到数据帧后，经过校验正确再送LCD显示，并与报警阈值比较判断是否需要报警。程序模块包括胎压检测模块和中央监视模块两大部分，胎压检测模块程序平时处于空闲模式， 传感器每隔3

秒发出一个唤醒脉冲，唤醒脉冲连接到MCU的键盘中断输入管脚，把MCU从停止模式中唤醒。被唤醒后它测量压力值，如果这个值与上次

测量的数值不同， 则存储到RAM中，否则计数器加1然后回到停止模式。经过10次唤醒后(约30秒)，TPM模块把数据发射到接收模块。中央

监视模块是基于单片机开发的监测系统，输入为三个按键，分别是轮胎切换按钮、模式按钮和设置按钮，通过这三个按钮可以完成一切功

能操作。输出为LCD显示器，显示参数信息和设定功能提示符号。上电复位后，程序分别对单片机，MC33594，LCD，EEPROM进行初始

化，初始化成功后进入功能处理模块，否则显示出错代码。

2.5低功耗设计

TPM最后是嵌入到轮胎中，更换电池是不现实的，低功耗设计是延长TPM模块使用寿命的关键，

低功耗设计从硬件和软件两方面着手。硬件设计部分，要选择低功耗组件，使用具有集成功能的组件来减少组件数量。当汽车处于停车状态时，TPM模块停止运行，取消发送以节省电量；当汽车运行时，由中央监视模块唤醒。

结语：基于MEMS技术的MPXY8020A传感器的胎压监测系统能够同时监测轮胎气压、温度及模块供电电压三个关键参数。当轮胎出现漏气、温度升高等异常情况时，系统都会自动报警。该系统完全实现了胎压监测的所有功能，有着广大的实际应用市场，系统整体可靠性

高，稳定性好，成本低，功耗低、集成度高，利于移植。

参考文献：

[1]雷伟,常久鹏,闫明,等.胎压监测系统设计与应用[J].汽车电器,2019(9):3.

[2]陈保山.汽车胎压监测系统的研究与电路设计[J].电子测试,2020,No.453(24):39-40.

[3]王玉磊,刘兵,杨清凯,等.乘用车Ⅱ类胎压监测系统分析[J].汽车工程师,2019(8):3.

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汽车轮胎压力监视系统应用研究

汽车轮胎压力监视系统应用研究

第２８卷第３期　２００６年６月　压电与声光　ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　Ｖ０１．２８　ＮＯ．３　Ｊｕｎ．２００６　文章编号：１００４—２４７４（２００６）０３－０２６５—０４　

汽车轮胎压力监视系统应用研究　张元勇　，吴中福　，李　华　（１．重庆大学计算机学院，重庆４０００４４；２．四川压电与声光技术研究所，重庆４０００６０）　摘要：高速公路上发生的交通事故多数是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。　目前，汽车轮胎压力监视系统正在成为汽车重要的安全电子产品。本文详细介绍了直接式汽车轮胎压力监视系统　的组成，并对Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的汽车轮胎压力监视系统进行了探讨和研究，最后给出了一个软件解决方案。　关键词：汽车轮胎压力监视系统；声表面波；传感器；压力；温度　中图分类号：ＴＮ６５　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｉｒｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｕａｎ－ｙｏｎｇ　～，ＷＵ　Ｚｈｏｎｇ－ｆｕ　，ＬＩ　Ｈｕａ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　８Ｌ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｏｏｐｔｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｇｒｅａｔ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｒａｆｆｉｃ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｔａｋｉｎｇ　ｐｌａｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｉｒｅ　ｂｒｏｋｅｎ．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｉｒｅ　ｂｅｉｎｇ　ｂｒｏｋｅｎ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｉｒｅ　ｔｒｅｓｓｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ（ＴＰＭＳ）ｉｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｓｅｃｕｒｉ—　ｔｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ＴＰＭＳ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．ＴＰＭＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ　ｃｏｒｐ．ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｏｎｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＴＰＭＳ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｅｍｐｅｔｕｒｅ　汽车轮胎压力监视系统（ＴＰＭＳ）是继ＡＢＳ、安　全气囊后第三个重要的汽车安全电子产品，主要用　于汽车行驶时对轮胎气压进行实时监测，一旦轮胎　漏气和气压较低即进行报警，以保障行车安全。据　统计，在高速公路上发生的交通事故有７Ｏ％～８Ｏ％　是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为安全驾驶　的一个重要课题［１］。ＴＰＭＳ已成为及时发现车胎　漏气并预防爆胎的理想工具。美国政府要求所有小　型汽车在２００７年前必须装备ＴＰＭＳ，这加速了　ＴＰＭＳ的研制和应用。目前，ＴＰＭＳ主要分为间接　式ＴＰＭＳ和直接式ＴＰＭＳ。间接式ＴＰＭＳ，ＡＢＳ使　用速度感应器来测量每一个轮胎的角速度，系统通　过ＡＢＳ的轮速传感器来比较每个轮胎之间的转速　差别，当轮胎压力减少时，滚动半径也减少，轮胎相　应的角速度就会增加，从而推断出某只轮胎的压力　是否不足，以达到监视胎压的目的。系统可靠性高，　成本低，不需改装。但无法对两个以上轮胎同时缺　气的状况和速度超过１００　ｋｍ／ｈ的情况进行判断，　精确性不高［１］。直接式ＴＰＭＳ利用安装在每一个　轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对　各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有　渗漏时，系统会自动报警。直接式ＴＰＭＳ从功能和　性能上均优于间接式ＴＰＭＳ，所以欧美国家的汽车　制造厂家主要采用直接式ＴＰＭＳ［１］。本文主要介　绍直接式ＴＰＭＳ的系统结构、压力传感器、软件等。　ｌ　直接式ＴＰＭＳ原理　直接式ＴＰＭＳ由安装在轮胎里的轮胎压力监　测模块和安装在汽车驾驶台上的中央接收／监视器　模块（ＬＣＤ显示器）组成。轮胎压力监测模块包括　汽车轮胎内的压力、温度传感器、信号处理单元、ＲＦ　射频发射芯片、锂电池、天线，中央监视器模块器即　ＴＰＭＳ接收器主要由ＵＨＦ　ＡＳＫ／ＦＳＫ　ＲＦ接收器　和微控处理器ＭＣＵ、ＬＣＤ显示器组成，其结构如图　１所示。　

直接式汽车轮胎压力监测系统的研究的开题报告

直接式汽车轮胎压力监测系统的研究的开题报告

直接式汽车轮胎压力监测系统的研究的开题报告

一、研究背景

车辆的轮胎压力会直接影响到车辆的性能和安全性，例如轮胎过低或过高的气压会导致车辆的燃油经济性降低，操控性下降，以及汽车意外事故的发生。为了减少以上问题，车辆的轮胎压力监测系统越来越重要。

目前，传统的汽车轮胎压力监测方法主要为间接式和直接式两种方法。间接式检测方法通过车辆的ABS系统保存压力数据，然后利用车辆的计算机系统分析压力的变化来判断轮胎压力的情况。而直接式检测方法则需要在轮胎内部安装传感器，实时读取轮胎的压力数据。

二、研究目的

本研究旨在开发一种基于直接式汽车轮胎压力监测系统的检测方法，以提高车辆的安全性和经济性。通过直接读取轮胎内部的压力数据，以实现及时的轮胎维护和预见性的危险提醒。

三、研究内容

1.设计并制造直接式汽车轮胎压力监测系统的硬件结构；

2.基于单片机进行实时监测并保存压力数据；

3.利用无线传输技术，将压力数据传送至车载计算机进行处理；

4.设计软件，实现轮胎压力数据的分析和监测；

5.对该系统进行性能测试和实际道路测试。

四、研究意义

通过本研究的开发和实现，可以实现轮胎内部压力数据的实时监测。这对于提高汽车的安全性和经济性都有着重要的作用，可以避免由于轮胎气压的变化导致的汽车行驶安全问题，也可以减少不必要的燃油消耗，从而降低车主的使用成本。

汽车轮胎压力监测系统应用设计1

汽车轮胎压力监测系统应用设计1

汽车轮胎压力监测系统应用设计

引 言

随着汽车越来越多地进入家庭，汽车行驶的安全问题也成为人们越来越关注的话题。汽车轮胎压力监测系统（TPMS）由此应运而生，它是继ABS、安全气囊后第3个重要的汽车安全电子产品，主要用于在汽车行驶过程中对轮胎气压、温度进行实时自动监测，并对出现的异常情况进行实时报警，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。

目前TPMS的实现形式主要有两种：基于车轮转速的TPMS（Wheel-Speed Based TPMS），又叫“间接式TPMS”；基于压力传感器的TPMS（Pressure-SensorBased TPMS），又叫直接式TPMS”。间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器比较车轮之间的转速差别，来确定轮胎压力的变化，这种方式现在用得不多。直接式TPMS是在每个轮胎内使用压力传感器和温度传感器，然后把采集到的压力和温度信号通过有线或无线的方式传送到汽车驾驶室内的主控制器进行处理，目前大多数TPMS采用无线的方式进行压力和温度数据的传送。现在直接式TPMS用得比较广泛。在这种方式中，轮胎内轮胎模块一旦装上，电池就不断地工作，因此轮胎模块低功耗和车轮高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制就成为系统设计的关键问题。在此原则之下，本文提出了一种新的TPMS设计方法。实验结果表明：所开发的系统工作可靠，能够达到安全预警的目的。

1 总体设计及主要元器件选择

轮胎压力监测系统（TPMS）的工作是通过射频收发来实现的，由轮胎模块和监视器模块组成。图1为其系统结构框图。

1．1 轮胎模块

轮胎模块由传感器、微处理器、发射芯片、电池和天线组成。因为此模块要嵌入到轮胎内，所以模块的超小型和节电设计是最关键的问题。

1．1．1 传感器

传感器选择Motorola公司的压力／温度传感器MPXY8020A。它是一种表面微机械型电容性微机电系统（MSMS）压力传感器。其特点有：专门的TPMS气压和温度传感器、CMOS工艺、低功耗、3 V工作电压、带有MCU唤醒功能的集成低频振荡器、8位数字输出；全部功能集成在单一芯片上，降低了功耗，适合条件要求苛刻的电池供电系统；测压范围为一40℃～+125℃，测温范围为0～637 kPa；它具有4种工作模式，即待机／复位、压力测量、温度测量和数据输出。用户可以通过设置S0和S1引脚选择相应的模式，如表1所列。由表1可以发现，MPXY8020A在不同的工作模式下，需要的工作电路不同，从而达到降低功耗的目的。

车辆轮胎胎压监测系统设计与实现

车辆轮胎胎压监测系统设计与实现

车辆轮胎胎压监测系统设计与实现

一、引言

车辆行驶过程中，轮胎胎压的稳定性是保障行车安全的重要因素之一。对于有经验的车主而言，可以通过听声、观察外观等方法来判断轮胎的胎压是否正常。但对于一些不太熟悉车辆轮胎的人来说，这一操作非常困难。更为严重的是，如果轮胎胎压不齐，就容易导致轮胎磨损不均、行车不稳，甚至是发生交通事故。基于这种情况，提出一种车辆轮胎胎压监测系统，以提高车辆行驶的安全性。

二、相关技术

车辆轮胎胎压监测技术目前主要分为两种，分别为直接测量与间接测量。直接测量是通过将胎压传感器嵌入轮胎内部，通过无线通讯将传感器的信息传输至车载接收器，进而反馈给车主。这种方法具有高精度、可靠性高的优点，但缺点在于成本较高，且维护困难。间接测量是通过车载系统来监测轮胎内部的监测方法，一般是采用轮速传感器和ABS系统配合，利用单个轮胎的轮速变化来判断胎压是否正常。这种方法成本低，操作简便，但精度有限。

三、技术实现

针对间接测量方法的实现，此处介绍一种基于Arduino的轮胎胎压监测系统。该系统使用了Arduino Uno开发板进行开发，通过与6个轮速传感器、1个OLED显示屏、1个无线模块的结合，实现了对四个轮胎胎压及车速的实时监测。

在系统的实现过程中，首先需要制作底盘。底盘可以采用硬质纸板或塑料板，将各个硬件组件进行布局并固定在板子上。接着，对于每个轮子，需要安装一个轮速传感器，使其与ABS系统进行同步，即可实现监测单个轮子的旋转速度变化。通过对传感器的采样后，可以轻松计算出车辆的速度和各个轮子的运动状态。同时，在传感器的基础上，通过利用嵌入式计算机进行计算，即可判断出车辆是否存在轮胎胎压异常的情况。 在将数据上传至显示器和监控中心之前，还需要充分考虑传输安全问题。因此，采用了无线模块，通过蓝牙或者Wi-Fi等连接方式，将监测的数据上传至显示器或基站，完成数据传输与处理。同时，结合车联网技术，该系统还可以实现远程监测和数据传输。通过远程监测，车主可以随时掌握车辆的行驶状态，以及各个轮子的胎压变化情况，从而做出相应的保养和养护。