摘 要

现如今的车辆制造者和研究者越来越重视车辆的轮胎，不断地去深入研究如何利用轮胎的实时状态参数使车辆能够更安全、更高效地行驶。本文重点关注车辆轮胎自动充放气系统，该系统能够使车辆尤其是那些工用、军用的大型卡车更好地适应更为恶劣的驾驶环境。本文仅针对车辆轮胎自动充放气系统的前置轮胎信息搜集处理，即车轮胎压监测与信息实时处理并输出信号，开展低能耗车轮胎压监测传感器及无线组网研究。

本文首先研究了传统TPMS系统（车辆轮胎压监测系统）的工作原理，分析了各类传感器、芯片、单片机的性能参数进行比较选用，在多个无线组网技术中进行了判断并最终选用了使整个系统趋于小型化、低功耗、高效率 ZigBee 技术，同时也在老师指导下编写了相关的信息处理程序以设计功能模块。在比较选用了合适的传感器、芯片、单片机等重要部件的基础上，结合了如今较为流行的ZigBee无线组网技术，构建了能够实时监测采集车辆轮胎压力参数的系统，同时在CC2530单片机上编入轮胎自动充放气系统自动控制程序，开发功能模块接口，使得该装置能够实时处理胎压信息并经判断后输出轮胎是否需要充放气的信号。

本文的特色：1. 应用 ZigBee技术开发车辆轮胎压监测系统 2.设计车辆自动充放气系统的前置信息处理功能模块并进行编程

关键词：TPMS；传感器；ZigBee；单片机

ABStract

Nowadays, car makers and researchers are paying more and more attention to the tires of cars, and they are constantly studying how to use the real-time state parameters of tires to make cars safer and more efficient. This paper focuses on the auto gas filling system of automobile tires, which can make the vehicles, especially the large trucks used for work and military, better adapt to the worse driving environment. In this paper, the research of low energy consumption tire pressure monitoring sensor and wireless network is carried out only for the front tire information collection and processing of auto tire gas filling system.

This paper first studies the working principle of the traditional TPMS system(car tire pressure monitoring system) and analyzes the performance parameters of various sensors, microchips, and microchips. In multiple wireless network technologies, the judgment was made and the entire system was miniaturized, low-power, and high-efficiency ZigBee technology was finally selected. At the same time, related information processing programs were also written under the guidance of the teacher to design functional modules. On the basis of comparing the use of suitable sensors, chips, microchips and other important components, combined with the more popular ZigBee wireless network technology, a system that can monitor and collect the pressure parameters of automobile tires in real time was built. At the same time, an automatic control program for tire automatic air filling system was compiled on a CC2530 monolithic machine to develop a functional module interface so that the device can process tire pressure information in real time and determine whether the tire needs to be filled with gas.

Features of this article: 1. Application of ZigBee technology to develop vehicle wheel pressure monitoring system 2.Design and programming of the front-end information processing module of automatic gas filling system.

Key words: TPMS; Sensors; ZigBee; Single chip

目 录

第1章 绪 论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2课题研究现状 3

1.2.1轮胎胎压监测的作用意义 3

1.2.2传统车辆胎压监测TPMS的系统分类 3

1.2.3国内外研究现状 7

1.2.4轮胎胎压监测传感器与无线组网技术的研究现状 8

1.3课题研究的基本内容 8

1.4本章小结 9

第2章 TPMS系统方案硬件分析与选用 10

2.1引言 10

2.2工作环境要求分析 10

2.2.1胎压对车辆行驶的影响 10

2.2.2温度对轮胎的影响 11

2.3法律法规要求分析 12

2.4车辆轮胎传感器的分析与选用 13

2.4.1GZP170传感器 14

2.4.2 INA333传感器 17

2.5芯片的选用 19

2.5.1SP370 19

2.5.2HX711 20

2.6单片机选用 20

2.7本章小结 22

第3章 车轮胎压监测系统的设计 23

3.1引言 23

3.2系统无线组网选择 23

3.2.1蓝牙 23

3.2.2WIFI 23

3.2.3ZigBee 24

3.3硬件模块设计 25

3.3.1电源模块 25

3.3.2 GZP170传感器 26

3.3.3总体电路图 27

3.4软件设计 27

3.4.1数据采集子程序 27

3.4.2数据处理子程序 28

3.4.3数据无线接收子程序 29

3.5新功能模块程序设计 30

3.5.1HX711 30

3.5.2 CC2530 32

3.6小结 34

第4章 总结与展望 36

4.1结论 36

4.2展望 36

引用文献 37

致谢 39

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

如今我们中国已经步入了第十三个五年计划，国家经济发展不断加速，一条条交通线也在不断地完工，交通网络越来越发达，人民收入越来越高，也使得人们的车辆持有量越来越大。科技在发展，车辆在提速，但随之而来的就是车辆能耗提高、安全性下降等等问题。这其中有很大一部分原因都来源于车辆与地面路况的唯一连接：轮胎^[1，2]。在高速行驶过程中，突然爆胎造成的车祸被认为是高速公路事故中最高频率的事故，占高速公路意外事故数量的49.81％，受伤人数占总数的63.94 ％，直接财产亏损占总量的43.38％ ^[3，4]。中国近70％的公路事故是由于轮胎爆胎引起的。对于那些速度超过120公里/小时的车辆，一旦他们出现了轮胎爆胎事故，那么意外死亡率就是令人遗憾的100％^[5]。每年在美国发生的超过26万起的交通事故都是由于轮胎事故造成的，其中有75%的故障原因是轮胎负压，泄漏和高温^[6，7]。

轮胎压力太低会影响轮胎的寿命和车辆燃油经济性（直接性的）^[8，9]。米其林的调查显示，对于子午线轮胎来说，通常当其使用到我们一般正常范围的气压时，其预期寿命可达到20,000至80,000公里，而若是长时间在低于正常气压的情况下运行时，其寿命会急剧下降 ^[10]。对于其他轮胎，当轮胎气压不满足正常气压时，磨损率和损伤率是普通气压轮胎的2倍甚至是3倍^[11]。 根据米其林后来的查询访问统计，当轮胎压力低于正常压力10％~30％时，油耗将显着增加（见表1.1轮胎气压与汽油消耗量/使用寿命关系表）。气压越低，燃料消耗量越多^[12]。 此外，轮胎压力过低，这也会影响车辆的制动功能和转向功能^[13]，让车辆难以转向或者制动不灵便。

表1.1 轮胎气压与汽油消耗量/使用寿命关系表

此时车轮胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring Systems,TPMS）显得至关重要，尤其是在我们进行驾车行驶时，若是能够实时监测车辆轮胎压力，确保其维持在正常压力范围内，系统一旦检测到有异常情况就能够及时自动发出警报，避免车辆轮胎发生故障致使车辆行驶发生悲剧^[14]。这不仅对于社会来说可以减少交通事故量、能源消耗量，而且对于我们个人来说也是在车辆行驶过程中经济性、安全性、平稳性的一大重要保障^[15]。

不论汽车在凹凸不平路面行驶或者曲线行驶的工况下，还是在侧翻及轮胎爆胎等过程中都伴有轮胎胎压的变化，胎压作为汽车行驶过程中的一个动态参数，其瞬态变化在一定程度上表征了汽车行驶状态的变化或路面的起伏特征。通过胎压变化来识别汽车行驶状态或路面行驶工况的研究也得到了一些学者的关注，国内外研究学者在专利中相继提出把胎压信号作为汽车侧翻的一个指标，用于预警侧翻^[16，17]。

然而，如今的车轮胎压监测系统（TPMS）功能较为单一，大部分车轮胎压研究所和大学课题组现如今都仅仅停留在如何用更高效的车辆轮胎压监测技术来更精准地实时采集车轮胎压数据^[18]。为了保证车主的安全、提高车辆的行驶寿命和燃油经济性，这种方向的研究当然是无可厚非甚至还是重中之重。但是在车辆胎压监测技术水平飞速发展的现在，实时采集胎压数据的技术无论是及时性还是准确性其实都已经到达了一个极高的水平。仅停留在采集数据然后进行及时警报，而不去扩展车辆轮胎实时状态参数的应用新方向，这在我看来是一件极为可惜的事。本文研究主旨其实就是在挖掘并发展车轮胎压监测技术的应用新方向，也可以理解为对于车辆轮胎实时状态参数的全新应用。

我们所设想的对于车辆轮胎压监测技术的应用新方向就是车辆自动充放气系统。众所周知，在我们车辆行驶的过程中，环境并不是一成不变的。在不同的环境下，无论是路况还是环境温度都是处于动态变化的。那么在进入高温环境时，车辆轮胎原先正常的气压就可能会因为温度上升从而使压力变大，一定程度上就会增加爆胎的可能性。而如果进入了低温环境，车辆轮胎原先正常的气压又可能会因为温度下降使得胎压降低到不正常范围，这会让我们轮胎的寿命和车辆燃油经济性下降甚至影响到车辆实际的操纵性。在平坦的路面行驶，这对于车辆轮胎来说工况一般较为良好，可若是在崎岖不平甚至还存在有上下陡坡情况的路面行驶时，一般的车辆就容易出现车轮胎压上下起伏不定的情况，这就增加了车辆行驶的不安全因素。尤其是对于那些工用、军用的大卡车来说，其超远距离的行驶里程带来的就是环境的极大改变，而且它们更有可能会在那些实际路况相当恶劣的环境下行驶，那么他们就会对于轮胎气压能够稳定地处于正常范围就有着更为迫切的需求。可是传统的车辆轮胎充气或者放气都只能在行驶前后进行，很难满足在行驶过程中根据实际情况来对车辆轮胎进行及时调节以满足最为安全且经济的行驶要求。这时候车辆自动充放气系统就体现出其作用所在：实时地监测我们车辆的轮胎压力并判断其是否安全可靠，若出现胎压异常问题则及时对问题轮胎进行充气放气，保证在轮胎不出现外部质量问题的前提下能够让我们的轮胎内气体压力一直处于正常范围内，这能够提高我们车辆行驶过程中的安全性、稳定性、经济性。

车辆自动充放气系统的设计实际上分为两个部分，一是前置轮胎信息搜集处理的研究，即需要做到车轮胎压的实时监测、胎压信息的及时判断处理并且输出充放气信号；二是自动充放气系统本体的机械设计，需要做到根据输入的充放气信号，及时做到对胎压异常的车轮胎充气放气，使其胎压维持在正常范围内。本论文的题目是：《低能耗车轮胎压监测传感器及无线组网研究》就是要完成车辆自动充放气系统的前置轮胎信息搜集处理的相关研究并且做出相应的成果来。

1.2课题研究现状

1.2.1轮胎胎压监测的作用意义

当前，我们所知道车轮胎压监测的作用大致有如下四点，它们分别是^[19,20]：

（1）它可以有效地用于防止轮胎损毁弄坏。即在车辆行驶过程中，当监测到那些有异常胎压情况的车辆轮胎时及时发出报警信号，这样可在轮胎因特殊原因损毁前及时停止使用，保护轮胎，并且能够有效地避免轮胎出现爆胎或其他毁坏情况。

（2）它能够供应“预自动”式报警服务。因为是在行驶过程中高频率地进行监测，若轮胎有任何问题产生，它都能够及时自动地进行报警，这样就能最大限度地去削减因为轮胎原因产生车祸事故的可能性。

（3）它具备有经济效益和环保效益等绿色功能。我们都知道，轮胎在不正常行驶过程中，会很容易产生过多的橡胶粉尘，而且也会导致我们车辆的燃油消耗量上升，增加废气排放，这些都是不利于我们去保证车辆行驶时的经济效益和环保效益的，而实时监测车辆轮胎压力，让轮胎处于正常行驶就能减少上述情况的发生，在一定程度上确保了经济效益和环保效益。

（4）它能保证整车功能和寿命的正常。良好的车辆轮胎压力不仅可以去优化我们整体车辆的机能，还能够确保我们驾驶者舒适地操纵车辆。同时，准确的轮胎压力也有利于延长我们车辆内部诸如发动机、底盘、轮胎等部件的寿命。

1.2.2传统车辆胎压监测TPMS的系统分类

因为轮胎实时气压参数的测量方法存在差异性，我们一般可以将车辆胎压监测TPMS体系分为三种类型，它们分别是:直接式、间接式和复合式^[21]。其中直接式、间接式简单对比图可参见表1.2直接式、间接式TPMS简略对照图。

表1.2 直接式、间接式TPMS简略对照图

（1）直接式TPMS

最常用的直接式TPMS系统目前以压力传感器为基础，它通过放置在轮胎内的传感器可以做到直接监测轮胎气压参数信息（图1.1/图1.2），能够及时监测轮胎温度和轮胎气体压力环境。它还可以同时监测所有轮胎的情况，并且因为系统一般安装在车轮毂上，所以不受车辆行驶速度的影响。

图1.1 压力传感器

图1.2 压力传感器的安装

其系统组成如图1.3直接式胎压监测系统原理图所示:

图1.3 直接式胎压监测系统原理图

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