林春兰 孙晨旭 刘子强

摘 要：胎压异常严重威胁着交通安全，随时会造成交通事故，是汽车安全问题上的一个关键点。针对这个现象，本设计提出了一种基于51单片机的汽车胎压监测系统，以此来实现监测胎压异常的功能。本次设计是以STC89C52单片机为核心，气压传感器、无线传输模块、LCD为主要器件，设计一块接收模块和一块采集模块。将带有压力传感器的采集模块置入汽车轮胎内，通过无线传输技术，将胎压传输至车内的接受模块，并LCD上显示出来，以供驾驶员观察胎压情况，若当前胎压超出报警阈值，可进行声光报警提升，实现了对汽车轮胎的压力实时监测并报警提示。

关键词：胎压 无线传输 报警 监测 单片机

Abstract：Abnormal tire pressure is a serious threat to traffic safety， which can cause traffic accidents at any time， and is a key point of automobile safety issues. In view of this phenomenon， this design puts forward a kind of automobile tire pressure monitoring system based on 51 microcontrollers， in order to realize the function of monitoring tire pressure abnormality. This design is based on STC89C52 single chip microcomputer as the core， pressure sensor， wireless transmission module， LCD as the main device， design a receiving module and a collection module. The acquisition module in automobile tire pressure sensor， through the wireless transmission technology， can transmit tire pressure to accept module in the vehicle， and display on the LCD， to offer the driver tire pressure situation. If the tire pressure exceeds the alarm threshold， sound and light alarm， can be realized with automobile tire pressure real-time monitoring and alarm prompt.

Key words：tire pressure， wireless transmission， alarm， monitoring， SCM

1 引言

在汽車的高速行驶中，轮胎爆胎是突发性交通事故发生的重要原因。一旦爆胎，极易造成车辆侧滑和不规则翻滚，轻则撞护栏，重则与其他行使车辆发生碰撞甚至车毁人亡。研究表明，轮胎爆胎与轮胎胎压有直接关系。当轮胎胎压过低时，会使轮胎与路面的接触面积增大，增加摩擦力，加速轮胎花纹磨损，容易导致打滑，甚至会因为磨擦而产生热量，造成爆胎事故。当轮胎胎压过高时，则会造成轮胎的不正常磨损，汽车缓震能力变差，同时也可能造成爆胎。因此，在行驶过程中，保持标准的轮胎胎压和及时发现轮胎压力异常，是防止爆胎和事故发生的关键[1]。研究表明，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键[2]，基于此目的，本文设计了汽车轮胎压力实时检监测系统，并利用无线技术，使得驾驶员在车内就能实时获取车外的轮胎压力。

2 总体设计思路

本设计为汽车轮胎压力检测系统设计，并基于无线通信。本设计主要分为两个模块，其中一个为胎压检测板，在实车上的使用中就是安装在轮胎内部或者气嘴处;另一个为胎压接收板，在实车上的使用就是设置在驾驶舱内，以供驾驶员实时观察轮胎压力是否存在异常。

在胎压检测板中的气压传感器测量出实时胎压后，会根据内部的线性关系对应值而将气压转换为模拟电压传输至单片机，但单片机不能直接处理模拟电压，因此需要将该模拟电压转换为数字脉冲，在这里就需要用到A/D转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化），单片机就能接收到脉冲后再根据事先置入的线性关系计算出此时的实际气压，将该气压信息再传输给检测板上的无线模块。

胎压接收板的无线模块接收之后再根据相同的公式转换为实际气压值，与检测板相反，获得气压值后再次转换为数字脉冲，送入单片机内进行处理，之后将计算出的实时气压值传送给LCD屏幕显示并传送给报警电路判断是否需要超过限定值而报警。系统总体框架如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 检测模块

检测模块由中央控制模块、无线传输模块和压力传感器模块构成，压力传感器安装在汽车轮胎内部，用来实时检测胎压，并传输至中央控制模块。

检测模块的部分电路图如图2所示，中央控制模块采用STC89C52单片机，它的P2.3、P2.2、P2.1端口与胎压传感器模块连接，用以接收传输过来的模拟电压信号，P1.0-P1.5端口与无线传输模块相连接，即单片机的SPI接口引脚：MISO、MOSI、SCK和CE与无线模块的SPI接口，用于将压力传感器发送过来的信号通过无线通信发射到接收板。

3.2 接收模块

接收模块由中央控制模块、无线传输模块和LCD显示模块和报警电路构成，安装在汽车驾驶室内，用以给驾驶员观察胎压数值以及胎压不正常时，及时报警提醒驾驶员。

接收模块的部分原理图如图3所示，与检测模块的无线传输一样，P1.0-P1.5端口与无线传输模块相连接，即单片机的SPI接口引脚：MISO、MOSI、SCK和CE与无线模块的SPI接口，用于接收检测模块通过无线模块传输过来的数据。经过单片机的处理，将数据在LCD模块中显示出来。

报警电路采用一个蜂鸣器作为发声装置，连接单片机的P2.0端口，当汽车轮胎压力超过设定的阈值后，单片机会控制报警电路的蜂鸣器上电、发声，以达到提示驾驶员关注胎压异常现象。

4 主程序流程图

单片机实现胎压监测流程如图4所示：

如图4-2所示，从图中可以看到，单片机运行后，首先对无线模块NRF2401进行初始化，调制发射模式和接收模式，并且确定发射与接收的地址是否配对成功，然后才对气压传感器输入的气压进行传输。接收端设置压力的阈值，程序判断接收到的压力是否处于阈值之内，如果正常则返回，不正常在返回的同时会进行报警。

5 总结

本设计主要设计了一个基于无线射频技术的汽车轮胎压力监测的装置，使用NRF24L01是作为一个无线射频技术为基础，nRF24L01是NORDIC公司生產的一款无线通信通信芯片。无线通信速度可以达到 2M（bps）[3]，使用了基于XGZP型开发了一款MD-PS002的压力传感器芯体作为监测器，短距离内实现气压数据的传输，经过V/F变换输入到单片机内进行处理，并在接收板上使用LCD显示器将对应的气压值实时显示出来。

为了实现报警功能，在系统内预设了一个阈值，当所监测到的气压值超过阈值时，蜂鸣器就会报警发出声音，以此提醒驾驶员注意汽车轮胎压力的异常情况。

该汽车轮胎压力监测的设计实现了比较方便、实用的特点，但是也存在了许多的不足，比如没有区分汽车的轮胎是哪个位置的装置，其次由于是采用51系列单片机，整体设备比较大，如能使用集成电路并且加入一个界面显示，设置一个动画效果来显示各个车轮的实时胎压会更适用于实际场景。

课题来源于：2020年大学生创新创业训练计划项目，202010594245《基于无线技术的汽车胎压检测系统|创新训练项》。

参考文献：

[1]门向生.利用FPGA实现数字信号处理[J].电讯技术，2000年，32（6）：30-34.

[2]G·Schimetta，F·Dollinger，G·Scholl，R·Weigel.Optimized design and fabrication of a wireless pressure and temperature sensor unit based on SAW transponder technology[J].IEEE Microwave Symposium Digest.Nanjing：The Chinese Institute of Electronics，CIE.2001，3（6）：56-61.

[3]李庆山，戴曙光，穆平安.nRF2401无线模块在测控系统中的应用[J].电测与仪表.上海：哈尔滨电工仪表研究所有限公司、中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会，2006年，43（488）：58-60.