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基于Zigbee技术的运行汽车胎压采集系统的设计.pdf

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成都理工大学硕士学位论文胎监测模块进行了功耗分析和实验室内部的静态功能测试,保证了系统功能的完整性,并进行了Zigbee星型组网的测试,测试数据表明了本设计满足基本设计要求。关键词TPMS Zigbee技术低功耗星型组网IIAbstractTechnology of Automobile Pressure Monitoring SystemBased on ZigbeeAbstractAccording to statistics,60%of the highway in our country automobile trafficaccident is caused by a flat tire,how to prevent tire blowout has become an importanttopic in today’S automotive safety driving.TPMSAutomobile tire pressure monitoringsystemis safe and reliable,It can effectively prevent tire blowout safety device,thisSystem can real-time automatic monitoring of type internal pressure,temperature,Itwill alarm the driver when temperature or pressure are off limits.Based on er experiences and according to some deficiencies,The designconcept of the real.time tire monitor module grounded on Zigbee wireless networktechnology proposal is brought forward on some sufficient of pressuresensor based onTPMS.Firstly,the significance of TPMS in the society and market and the importanceof TPMS are depicted in the paper.At the same time,the features of Zigbee technologyare introduced and its network with some advantages is elaborated,such as lowconsumption,low cost operation,high reliability and easily realization.Secondly,according to the technique index and function characteristic,the article introduces thebasic theory of TPMS,proposes the overall design plan of system hardware.Appropriate protocols of star-network realization and low power management of thesystem are propounded in the article.Then,for practical application,someimprovements are made on power design of the system’S software and hardware.Real.time wake.up in unusual condition would be integrated with regular wakeup inusual condition,which could reduce the send number of times and power of themonitoring module in the software.Low-power design in hardware is the election ofhigh degree of integration of lowpower chip,CC2430 and SP 1 2 reduce the numberof components and simplify circuit.The interference of the system is made furtherimprovement.The directsequence spread-spectrum technology and signal collisionavoidance system of Zigbee and rational design of PCB are used to the inter ferenceimmunity of system.Compared to existing TPMS design,the improved design makesthe system smaller,the circuit more simplified,less energy and longer service life whileimproving the system stability.Positioning technology isreliable,convenient andlowcost positioning technology.Zigbee binding mechanism is introduced,which canautomatically update the binding list to achieve automatic positioning function aftertire.change maintenance.The article analyses and designs the electric circuits of thetire and the host module.Correspondingly;the PCBs of two modules are fulfilled.TheIII成都理工大学硕士学位论文data communications between the tire module and the host module obeys the Zigbeewireless communication protoc01.Based on the function of this system,we accomplished collection data of tiremodule and function of sending data;for the host module we finished the job of signalreceive,saving and displaying.At last,we analysis the power which shows system Canwork in low power model.KeywordsTPMS Zigbee Low power Star type networkIV目 录目 录基于Zigbee技术的运行汽车胎压采集系统的设计I第1章 引 言11.1研究背景和意义..11.2课题立题依据..21.2.1轮胎压力与行车安全21.2.2轮胎压力与轮胎使用寿命21.2.3课题研究意义31.3 TPMS的发展状况41.3.1 国内TPMS发展状况41.3.2国外TPMS发展状况51.3.3全球TPMS发展趋势51.4 TPMS的实现方案61.4.1 间接式TPMS..61.4.2直接式TPMS71.4.3传统TPMS的弊端91.5课题的研究内容及论文结构一91.5.1本课题的研究内容91.5.2论文结构安排.10第2章Zigbee技术分析.112.1 Zigbee技术..112.1.1 Zigbee技术特点.112.1.2 Zigbee的标准制定.122.2主流短距离无线通信方式132.3 Zigbee的网络类型142.4 Zigbee的协议栈模型162.4.1 物理层PHY层172.4.2 MAC层1 72.4.3 网络层NWK层1 82.4.4 APL层..1 82.5本章小结18第3章TPMS总体设计及技术分析..193.1汽车轮胎分类19V成都理工大学硕士学位论文3.2系统设计要求203.2.1 工作环境.203.2.2 功能要求.213.2.3 技术要求.213.3系统的总体设计223.3.1系统的器件选择和功耗.223.3.2 TPMS的总体设计..223.3.3 TPMS轮胎检测模块的设计..233.3.4 TPMS主机模块的设计..233.3.5轮胎发射模块的定位.243.4 Zigbee星型网络的设计与实现243.5本章小结26第4章轮胎检测模块的设计.274.1轮胎检测模块的分析274.1.1技术难点分析.274.1.2难点解决方案.274.2轮胎检测模块的硬件设计284.2.1 智能芯片SPl2284.2.2 Zigbee芯片CC2430.324.2.3锂亚电池.354.2.4总体硬件电路设计.354.3轮胎模块的软件设计364.3.1轮胎模块的总体软件设计.374.3.2 SPl2压力传感器的软件设计404.3.3无线发射部分设计.414.4本章小结42第5章主机接收模块的设计.435.1主机接收模块的硬件设计435.1.1 LCD介绍435.1.2电路硬件设计.455.1.3报警电路设计.455.1.4人机接口模块设计.465.2主机接收模块的软件设计475.2.1 主机接收模块的总体软件设计.47VT目 录5.2.2 LCD显示子程序设计485.2.3无线接收子程序的设计.485.3本章小结49第6章系统功耗分析和系统测试.506.1 轮胎检测模块的功耗分析506.2系统测试516.2.1温度测试.5 16.2.2压力测试.516.2.3 CC2430无线通信模块测试526.2.4 Zigbee网络测试.536.3 本章小结55结论..56致 谢57参考文献.58攻读学术期间取得学术成果.60附录A轮胎检测模块电路原理图..61附录B主机接收电路原理图..62VII第1章引 言1.1研究背景和意义第1章引 言随着人们经济水平的提高,汽车的作用人们的生活中变得越来越不可替代,与此同时,人们越来越关注汽车的安全行驶问题。高速行驶时,杀伤力最大的且引发突发性汽车事故的最重要的原因之一就是汽车爆胎,同时汽车爆胎也是非常难预防的。2014年我国的私家汽车保有量达到1.4亿辆,去年我国共发生二十多万起交通事故,共造成6w多人死亡。根据相关部门的提供的数据显示,在高速公路上发生的恶性事故中,由于爆胎引起的安全事故占到了70%~80%,在这些因爆胎引起的事故中,95%是因为轮胎胎压不足时超负荷工作造成的。因此对汽车轮胎胎压检测的研究是解决交通安全问题的当务之急。2002年美国政府高度关注了凡士通事件,因为轮胎的质量不合格在全球范围内造成了上千人的伤亡,由于该事件凡士通公司不得不一次性的收回了650W只问题轮胎。后调查发现,造成事故的原因为在高速行驶时亚充气的轮胎从车体分离导致事故的发生。此事件加速了TPMS系统的发展,因为轮胎的安全不仅能够保证人们的生命安全而且可以避免巨大的经济财产的损失,由此可见,在汽车运行时实时监测轮胎的状态越来越的到人们的关注。美国最早制定了TPMS法规并要求强制执行该法规。NTHTSA美国交通安全管理局发布了FMVSSl238法规中明确的提出在2007年8月后销售的四轮车和商用车总质量小于4536KG必须安装TPMS系统【l】。在美国联邦立法和市场商机的推动下各大汽车电子企业投入了极大的研发热情同时还有许多知名芯片制造企业纷纷投入研发陆续研究出,重量小,集成度高,性能稳定,使用寿命长的产品。轮胎气压监测系统TPMS在美国本土十分的普及。在北美,关于轻型车辆轮胎的TPMS的SAEJ2657标准由美国汽车工程师学会在2004年12月制定。不光在美国,有关汽车轮胎气压检测系统的国际标准IS0217502006也由国际标准化组织ISO在2006年3月制定。近年来,中国人民生活水平的不断提高使得,中国汽车的需求和保有量不断加大,成为了汽车行业最大的新兴市场,并预计在5年之内成为全球第二大汽车销售国,仅次于美国。面对发展如此迅速的汽车行业,相对应的我们应该将保证大众的生命安全与世界同步,在行车中对轮胎的实时状况进行监控,将爆胎概率降低到最小被人们所看重。成都理工大学硕士学位论文1.2课题立题依据轮胎的气压的正常能够保证行车安全及轮胎的使用寿命。轮胎胎压监测系统Tire Pressure Monitoring System,所实现的功能为监测轮胎的实时压力、温度等信息,当轮胎的某个状态值超过了阀值时进行报警,保障了驾驶人员的安全‘31。而且适当的胎压,不仅能够改善乘坐汽车时的疲劳程度,提高驾驶人员的注意力,还能够降低行车时的油耗,达到环保的要求。1.2.1轮胎压力与行车安全在去年的统计中发生在高速公路上的车祸近一半中都是由于轮胎故障引发的,而在其中,由于爆胎引起的占绝大多数。那么所谓的爆胎是什么昵爆胎是指在汽车运动时由于轮胎破裂而失去空气的情况,而发生这一情况一般在很短的时间内完成,汽车在这个瞬间由于不平衡会失去控制,从而导致汽车翻车等悲剧。根据大量的车祸数据统计,当汽车发生爆胎时若车速超过160KM/h,驾驶员及乘客100%死亡[51。导致汽车爆胎的原因大概有下几种爆胎与夏天的高温是有很大的关系。因为,一方面夏天的高温导致路面的表面温度能够达到接近70℃,另一方面汽车行驶时与地面摩擦导致轮胎表面温度非常高。由于热胀冷缩,橡胶发涨变薄,然后就容易导致爆胎;轮胎漏气当汽车的轮胎与尖锐的物体碰撞后,容易引起慢撒气和漏气引起爆胎现象的发生从而导致胎压过低。同样,胎压不足也是引起爆胎的主要原因之一,通常轮胎生产厂家或汽车生产厂家会在轮胎胎壁上或汽车使用手册中明确的表明正常的胎压值以磅/平方英寸为单位,但尽管轮胎非常气密,但还是会出现自然泄气的情况,发生这一情况的原因有很多,主要是由于,驾驶员的使用习惯,车重和外在的环境温度的影响,而这一状况又是一个很缓慢的过程,驾驶员不能够及时注意到。当胎压小于标准气压时,会增大路面与轮胎的摩擦面积,这样会使轮胎由于增大摩擦力而变形,加大了轮胎的磨损程度,而且在汽车在高速运动时会更加危险,胎压不足减弱了轮胎的承载能力,增大了爆胎的可能性。同样我们胎压过高与胎压过低一样也会危害到行驶安全,虽然更高的胎压能够提供更强的支撑力,但当汽车行驶于不平坦的道路上时不能够吸收震动,危害汽车的悬挂系统且影响乘坐的舒适性。1.2.2轮胎压力与轮胎使用寿命据实验证明,汽车轮胎的气压对汽车轮胎的寿命有着密切的关系,如果胎压低于标准气压25%,轮胎的使用寿命将减小30%,而胎压高于标准气压25%,2第1章引言使用寿命将缩短15~20%,由此可见胎压不足,对轮胎寿命的影响更大。而在车辆使用中,轮胎磨损过快的原因正是由于胎压不足造成的【6J。轮胎胎压过低,会导致以下的情况发生1、胎侧由于车重挤压变形;2、轮胎各层间的摩擦加大,使得发热严重;3、使帘线的强度和橡胶的耐磨性降低。由于在轮胎内部是看不见的,会造成很多隐伤轮胎内壁上的帘线变形脱落,严重时会甚至会糜烂,轮胎胎面与脱层分离,在汽车高速运行时若遇到障碍物时可能会到时轮胎的爆胎,同时因为胎压不足,轮胎胎肩部位磨损加剧,使得阻力增加,增大了燃油消耗,不利于环保。数据表明,胎压小于25%时,燃油消耗增大10%以上。轮胎胎压过高对轮胎的使用寿命也由不利的影响,当汽车轮胎的压力高于标准时,由于橡胶轮胎的特性,会使接地面积变小,使得车身重量过分集中于轮胎中部,加速了磨损同时影响乘坐舒适性并降低了使用寿命,数据表明在胎压高于标准25%情况下,寿命缩短30%,并会产生下面的危险汽车胎压对行驶里程的影响如下图1.1所示图1-1轮胎与行驶里程关系胎压是影响汽车安全行驶的重要因素,评价轮胎性能的参数主要有耐磨性,缓冲性,附着性,动摩擦力和载荷能力。轮胎气压的大小对轮胎使用寿命有关键的影响。1.2.3课题研究意义综上所述,汽车轮胎的压力直接关系到驾驶员的生命安全,汽车轮胎监测系统TPMS能够对行车时轮胎的压力进行监测,并直观的显示出来,本系统的设计有着极大的社会意义和现实意义。1、延长了轮胎的使用寿命轮胎主要有橡胶,炭黑,金属,纺织物及多种有机助剂,且含有控制危险3成都理工大学硕士学位论文废物越境转移的巴塞尔公约所控制的物质,如铜化合物,锌化合物,铬,铅及其化合物等,约占轮胎重量的1.5%。科学研究表明,当胎压降低15%时,轮胎的磨损就会增加10%。由于废旧轮胎回收及销毁的多种条件的限制,大量的轮胎搁置未处理,成为环保的一大顽疾。2、减少汽车有毒有害气体的排放根据有关部门统计,引起PM2.5浓度超标的原因有很多主要有以下6个主要污染源,垃圾焚烧污染占18%,汽车尾气污染占12%,土壤粉尘污染占15%,煤炭燃烧污染占4%,生物质燃烧污染占25%,工业污染、二次无极溶胶污染占26%。当汽车行驶相同的距离时,胎压过低或过高都会增加汽车燃油的使用量从而增加尾气排放,造成更多的环境污染,影响人们的健康。3、减少了人员伤亡和减少了经济损失,TPMS能够对个轮胎的胎压进行实时监控,当出现异常状况时发出报警,保障了人们的生命安全和财产安全。汽车轮胎胎压监测系统在我国拥有巨大的市场,截止2014年我国汽车的保有量已经达到1.4亿辆居世界第二位,并且每年汽车的需求量和产量还在不断增加,随之而来的TPMS的需求量也会不断增加【2】。因此,TPMS具有良好的社会效益和市场效益,并具有重要的现实意义,广阔的市场前景。1.3 TPMS的发展状况1.3.1国内TPMS发展状况根据市场调查,汽车电子产品的市场份额前5名分别为ESP,ABS,安全气囊汽车音响和汽车仪表等传统电子汽车产品具有较高的占有率,分别达到了8.1%、8.5%、9.2%、15.9%和29.1%。与此同时,新型汽车电子产品的增长率令人感到惊奇。根据市场调查报告显示。在0609年中国汽车市场内GPS的销售额达到了100亿元,增长率更是达到了50%【7J。就我国目前的情况来看轮胎胎压监测系统TPMS的市场占有率小,普及率低,目前处在起步的阶段。并且不少的专业人士指出落后的法规是政府没有大力推广此系统的原因。但是有消息称有关规范此项系统TPMS的法规将会在年底出台。这将会给我国TPMS产业带来空前的发展。法规滞后是其一,TPMS产业发展另一个很大的阻力就是消费者的认知度低,许多消费者甚至没有听说过TPMS。TPMS就像是江湖世界上的隐侠,太平世界看不到隐侠的身影,只有在轮胎隐患夺命的时候,隐侠才能扬名立万。一方面要加大对驾驶员的宣传,另一方面国家也要出台一些强制性的法律法规。这样才会在消费者中建立起完整的有关4
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