基于PIC單片機(jī)和nRF2401A和SP12實(shí)現(xiàn)汽車輪胎檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年有26萬(wàn)起交通事故是由于輪胎氣壓偏低或滲漏造成的。而在中國(guó)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(guò)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(guò)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(wú)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)的主要性能指標(biāo)如下：

◇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(wú)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(guò)單片機(jī)MCU打包后通過(guò)nRF2401A發(fā)射出去。同時(shí)，單片機(jī)也通過(guò)nRF2401A接收主機(jī)發(fā)來(lái)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(wú)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(guò)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(jiàn)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。考慮到電池容量、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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)機(jī)檢測(cè)的基本原理。開(kāi)機(jī)檢測(cè)本質(zhì)上是一種加速度檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制SP12以實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的過(guò)程參見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)機(jī)工作的。為節(jié)省電能，它的開(kāi)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(guò)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)前氣壓偏差量小于歷史氣壓偏差量，則將檢測(cè)周期值增大1個(gè)單位：若當(dāng)前溫度偏差量大于歷史溫度偏差量，則將檢測(cè)周期值減小1個(gè)單位；如果當(dāng)前的溫度偏差量小于歷史溫度偏差量，系統(tǒng)則將檢測(cè)周期值增大1個(gè)單位。最后，再用當(dāng)前氣壓偏差值和當(dāng)前溫度偏差值分別來(lái)更新歷史氣壓偏差值和歷史溫度偏差值。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)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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