基于SP12的汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì),美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓偏低或滲漏造成的。而在中國高速公路的交通事故中,則有70％是因爆胎而引起。因此,防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題,而確保標(biāo)準(zhǔn)胎壓則是防止爆胎的關(guān)鍵。目前的汽車壓力檢測(cè)系統(tǒng)主要包括直接式和間接式。直接式系統(tǒng)通過安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器直接檢測(cè)胎內(nèi)壓力和溫度狀態(tài);間接式則是通過安裝在轉(zhuǎn)軸上的傳感器檢測(cè)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣性進(jìn)而推算出胎內(nèi)的壓力的。由于直接式檢測(cè)不受溫度影響,因而比間接式系統(tǒng)檢測(cè)更準(zhǔn)確,是目前的主流。直接式系統(tǒng)的核心是安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器模塊,它在電池供電下可以工作3～5年,因此要求系統(tǒng)采用微功耗設(shè)計(jì)。另外,由于是安裝在輪胎內(nèi)部,對(duì)傳感器尺寸、重量以及可靠性都有嚴(yán)格要求。本文給出了基于PIC單片機(jī)、單片無線收發(fā)芯片nRF2401A及多功能集成傳感器芯片SP12設(shè)計(jì)的一種用于檢測(cè)汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的氣壓檢測(cè)范圍是100kpa～400kpa,精度為1.4KPa;溫度檢測(cè)范圍是-40℃～+125℃。
1 性能指標(biāo)與總體設(shè)計(jì)
1.1 性能指標(biāo)
該智能傳感器系統(tǒng)
◇壓力測(cè)量范圍：100～400 kPa
◇溫度測(cè)量范圍：-40～+120
◇通信頻率：2.4～2.5 GHz
◇最大發(fā)射功率：0dBm
◇接收靈敏度：-80dBm
◇傳感器采用3 V鋰電池供電
1.2 總體設(shè)計(jì)
智能傳感器內(nèi)部基本組成如圖1所示。它以PIC16F684單片機(jī)為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片SP12,2.4 GHz全雙工無線通信收發(fā)模塊nRF2401A。其中SPl2可在單片機(jī)的控制下測(cè)量車胎的壓力和溫度值。并以數(shù)字量形式輸出,再經(jīng)過單片機(jī)MCU打包后通過nRF2401A發(fā)射出去。同時(shí),單片機(jī)也通過nRF2401A接收主機(jī)發(fā)來的指令,完成相應(yīng)的控制或參數(shù)配置任務(wù)。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 MCU單元
本系統(tǒng)的每個(gè)傳感器內(nèi)都有1個(gè)MCU芯片PIC16F684。這是一款微功耗高性能單片機(jī)。由于其片上集成有晶振電路和復(fù)位電路,因此其最小系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單,只要接通電源就可以工作。
MCU外部擴(kuò)展了2個(gè)外設(shè),其中同nRF2401A的接口使用了6個(gè)I／O口,它們是CS2(輸出口,片選信號(hào))、CE(輸出口,工作模式控制)、WR_UP(輸出口,休眠使能)、DATA(輸入口,數(shù)據(jù)接收)、DR1(輸出口,數(shù)據(jù)發(fā)送)、CLK1(輸出口,通訊同步信號(hào))。MCU與nRF2401A的通訊采用SPI協(xié)議,其中MCU為主機(jī),nRF2401A為從機(jī),通訊協(xié)議在MCU上由軟件實(shí)現(xiàn)。
MCU與SPl2的接口使用了4個(gè)I／O口,它們是CS1(輸出口,片選信號(hào))、SD0(輸出口,數(shù)據(jù)輸出)、SDI(輸入口,數(shù)據(jù)輸入)、SCK(輸出口,通訊同步信號(hào))。MCU與SPl2的通訊協(xié)議也是SPI,其中MCU為主機(jī),SP12為從機(jī),該通訊協(xié)議也在MCU上由軟件實(shí)現(xiàn)。MCU與外設(shè)的接口電路原理圖如圖2所示。
2.2 RF單元
RF單元采用集成式2.4GHz無線收發(fā)芯片nRF2401A,nRF2401A片內(nèi)集成有RF放大器、本振與混頻器和調(diào)制／解調(diào)器、數(shù)字接口等電路,因而外圍元件很少。
RF單元的硬件設(shè)計(jì)主要包括RF天線回路、RF放大器增益配置,以及本地振蕩電路的設(shè)計(jì)。圖3所示是RF單元的電路圖。其中,L1、L2、C6、C7用于構(gòu)成天線匹配與選頻網(wǎng)絡(luò),R2是RF放大器增益配置電阻,Y1、R3、C8、C9構(gòu)成本振電路的一部分,El、E2、C2、C3為電源濾波和退耦元件。
2.3 SP12單元
SP12是集成式三合一傳感器,它能夠把氣壓、溫度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量并發(fā)送至MCU。SP12的傳感器探頭安裝在芯片封裝上,因此。只需通電就可以通過MCU向SP12發(fā)指令以啟動(dòng)采樣。SP12的外圍電路也很簡(jiǎn)單,只有電源接口和MCU的數(shù)字接口。具體電路參見圖4。
2.4 電源及輔助電路
汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能傳感器一般都安裝在車輪內(nèi),因此,供電系統(tǒng)一般采用小尺寸電池?？紤]到電池容量、壽命及溫度適應(yīng)性,本設(shè)計(jì)采用3 V鋰電池供電。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 主流程
圖5所示是該智能傳感器的主程序流程。本系統(tǒng)開機(jī)后．首先執(zhí)行上電初始化程序。然后進(jìn)入睡眠模式以節(jié)省電能,當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)開機(jī)時(shí)刻,智能傳感器的處理器將被外部中斷喚醒,并執(zhí)行開機(jī)檢測(cè)程序,以在車輛移動(dòng)時(shí)執(zhí)行檢測(cè),否則返回睡眠模式。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)后,智能傳感器依次檢測(cè)輪胎內(nèi)的氣壓、溫度等信息。
通過將檢測(cè)值與預(yù)定警戒值做比較,系統(tǒng)可以判斷是否出現(xiàn)異常,并執(zhí)行相應(yīng)的告警動(dòng)作。如果系統(tǒng)遇到停機(jī)指令,則停機(jī),否則返回睡眠模式。
3.2 開機(jī)檢測(cè)
車輛移動(dòng)時(shí),SP12芯片可以測(cè)量出加速度的變化。加速度超出設(shè)定的門限值即判定車輛移動(dòng)。這就是開機(jī)檢測(cè)的基本原理。開機(jī)檢測(cè)本質(zhì)上是一種加速度檢測(cè),通過單片機(jī)控制SP12以實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的過程參見圖6。
3.3 狀態(tài)檢測(cè)
狀態(tài)檢測(cè)是該智能傳感器的核心功能,主要包括氣壓檢測(cè)、溫度檢測(cè),以及電池電壓檢測(cè)。由于SP12芯片集成了所有氣壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)及電壓檢測(cè)功能,因此,它們的狀態(tài)檢測(cè)程序流程與加速檢測(cè)基本類似,主要是對(duì)SP12的通訊。各種狀態(tài)檢測(cè)流程圖見圖7所示。
3.4 變周期定時(shí)檢測(cè)
該智能傳感器是定時(shí)開機(jī)工作的。為節(jié)省電能,它的開機(jī)間隔時(shí)間可隨氣壓變化做自適應(yīng)的變化,這也是本傳感器的智能化體現(xiàn)。具體的調(diào)節(jié)算法如圖8所示。其中,在每個(gè)檢測(cè)周期內(nèi),通過自適應(yīng)算法可將檢測(cè)到的當(dāng)前氣壓值和當(dāng)前溫度值分別與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值和標(biāo)準(zhǔn)溫度值作比較,以得到當(dāng)前氣壓偏差量和當(dāng)前溫度偏差。若當(dāng)前氣壓偏差量大于歷史氣壓偏差量,則將檢測(cè)周期值減小1個(gè)單位;若當(dāng)前氣壓偏差量小于
4 結(jié)束語
本文給出了一種用于檢測(cè)汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測(cè)的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過該方法可以根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成汽車輪胎氣壓和溫度的檢測(cè),并可作為傳統(tǒng)汽車壓力檢測(cè)系統(tǒng)的理想升級(jí)產(chǎn)品。
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