汽车轮胎压力监测报警系统

******大学电子信息工程学院 毕 业 设 计 论 文

汽车轮胎压力监测报警系统

学生姓名： *** 专 业： 电子信息工程 班 级： **** 学 号： **** 指导教师： **** 负责教师：

2*** 年 *月

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摘 要

随着汽车工业的发展和道路交通网络的扩大，由此而引起的安全问题在人们的生活中也是曰益严重，引发的交通事故也在不断增多。其中由轮胎气压引起的事故比例非常之高，使得人们对的轮胎气压的关注日益密切。汽车轮胎压力监测技术是一种能切实有效的防止和减少由于轮胎引起的交通事故的方法。

本设计介绍轮胎压力监测系统（TPMS）的电路设计和相关技术问题。TPMS系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器SP12、微控制器和433 MHz收发一体射频IC(nRF401)组成了压力传感器模块，负责轮胎压力的采集和发射。然后接收机接收压力信息，并进行处理。该系统可随时测定每个轮胎内部的实际温度、 压力值 ,及时报警 ,有效避免事故的发生。

关键词：TPMS；轮胎压力监测；射频；压力传感器；微控制器

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ABSTRACT

Along with the development of the automobile industry and the extension of the road transportation network, the resulting security problems in people's lives is also became serious day by day,and the amount of traffic accidents has increased.The accidents caused by tire pressure takes a large percent of total amount, so that people have to concentrate on tire pressure.Tire pressure monitoring technique is a possible way to decrease the amount of traffic accidents caused by tire pressure.

Introduced emphatically realize tire pressure monitoring system (TPMS) circuit design and related technical problems. TPMS system is consists of pressure sensor module and central receiver module. Pressure sensor module which is used to collect tire pressure and send it out is consists of pressure sensor SP12, micro controller and 433 MHz send and receive an IC (nRF401 of rf). Receiver module receive pressure information and work on it.The module can catch each tire's pressure and the real temperature inside the tires in any time and give out alarm in time , it helps drivers avoid accidents effectively .

Keywords: TPMS ; tire pressure monitoring ; RF ; pressure sensor ; MCU

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目 录

第1章 绪 论 - 1 -

1.1 课题研究的背景和意义 .................................... - 1 - 1.2 本课题研究的热点及发展现状 .............................. - 1 -

1.2.1国外研究和发展概况 ................................. - 2 - 1.2.2中国研究和发展的概况 ............................... - 2 -

第2章 系统设计 ................................................ - 5 -

2.1 方案论证 ............................................... - 5 -

2.1.1汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理 ............. - 5 - 2.1.2设计方案 ........................................... - 5 - 2.1.3.方案比较 .......................................... - 7 - 2.1.4结论 ............................................... - 8 - 2.2系统硬件电路设计 ......................................... - 8 -

2.2.1 单片机控制模块 .................................... - 8 - 2.2.2射频电路 .......................................... - 11 - 2.2.3螺旋天线的结构 .................................... - 15 - 2.2.4传感器电路 ........................................ - 16 - 2.2.5 LCD显示 .......................................... - 18 - 2.2.6系统功耗 .......................................... - 23 -

第3章 汽车轮胎压力监测系统的软件设计 .......................... - 25 -

3. 1 采样端的软件设计 ...................................... - 25 -

3.1.1需要注意的问题 .................................... - 25 - 3.1.2采样端工作流程介绍 ................................ - 26 - 3.1.3采样端的软件流程设计 .............................. - 27 -

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3.1.4软件异步串行通讯 .................................. - 28 - 3.2接收端软件设计 .......................................... - 30 -

3.2.1接收端的通信流程介绍 .............................. - 31 - 3.2.2接收端的软件流程设计 .............................. - 32 - 3.3 PROTEUS 仿真 ........................................... - 34 - 第四章 结论 ................................................... - 37 - 第5章 社会效益和经济效益 ...................................... - 39 - 致谢 ........................................................... - 41 - 参考文献 ....................................................... - 43 - 附录1 系统硬件原理图 ........................................... - 47 - 附录2 部分程序清单 ............................................. - 49 -

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80％。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统(Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS)毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统(TPMS)以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。在未来汽车上加装轮胎压力监测系统（TPMS），也必将和ABS、安全气囊一样，是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆始终处于安全运行状态。

1.2 本课题研究的热点及发展现状

伴随着城市交通技术的不断发展，人们在享受高速公路高效便捷方式的同时，随之引发的交通事故率也在提高，其中由于轮胎的气压引起的比例高达80％，这种现象使得人们要对行驶中的轮胎气压进行监测。一些发达国家陆续推出了相关法案（美国的TREAD法规），要求新车装配中必须装配能够对行驶

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中的轮胎气压实时监测的安全电子装置。因此，在未来汽车上加装轮胎压力监测系统（TPMS），也必将和ABS、安全气囊一样，是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆始终处于安全运行状态。

1.2.1国外研究和发展概况

早在2001年美国就通过了TRAD法案，法案要求到2007年所有在美国销售的新车都必须将TPMS作为标准配置。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)2002年颁布的法规要求监控器在轮胎气压低于生产商推荐值的25％～30％时向司机报警，建议从2004年开始薪车应安装轮胎气压监控系统(TPMS)。继美国之后，欧洲也制定相应的法规，要求其国内的汽车厂商安装TPMS。

在2004年美国印地安纳波利斯博览会上．加拿大斯马轮胎设备公司推出了世界上第二套摩托车轮胎专用TPMS；第一套是由英国Metasystem公司2002年推出的。该产品能够在摩托车行驶中监测和显示每条轮胎的充气内压和温度信息，如果出现偏差，就会通过报警灯提醒骑乘者注意。

日本阿尔卑斯电气公司开发的不需电池的汽车轮胎气压监测系统最近通过有关试验验证，符合欧洲及美国的电磁波相关法律规定，今后将以行驶条件及轮胎种类等因素的影响为中心进行评测，计划在欧美、日本等地进行实地试验，2004年8月开始提供样品，2006年投入批量生产。

国外的TPMS产品已经相当成熟，能够经受5—7万公里的使用测试，现在国外的TPMS的研发重点在于开发无源的TPMS，如采用SAW这类无源器件的频率变化来监测轮胎压力的变化。

1.2.2中国研究和发展的概况

在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准——《机动车运行安全技术条件(征求意见稿)》中，对安装轮胎压力检测装置作出了说明：“车长大于6米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1．2吨的载货汽车和载货

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牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施”。由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性TPMS安装规定。尤其大型载货汽车，安装TPMS是非常必要的。因此市场前景广阔，目前大部分厂家都处在研究开发阶段，出货量不高。 全国开展TPMS研究的厂家接近200家，专业的TPMS厂家大约为30家。

TPMS的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市场，而是如何提高产品性能和质量。目前国内的TPMS系统问题不少： 车内需配备专用的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用；不具备抗干扰的清晰语音提示报警功能，会造成驾驶员视线转移；因射频效率、编码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重。直接式TPMS产品无线信号传输的稳定性可靠性不足，电池寿命问题，传感器寿命和耐久性问题。此外，TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。

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第2章 系统设计

2.1 方案论证

2.1.1汽车轮胎压力监测报警系统的基本工作原理

本系统通过全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆尽可能始终处于安全运行状态。整个系统主要分为轮胎内数据采集及发射系统、数据接收及显示报警系统两个子系统，如图2.1所示。

轮胎内数据采集及发射模块 数据接收及显示报警模块

图2.1 系统原理方框图

⑴在数据采集及发射这部分系统中，数据采集模块首先将汽车轮胎内压力温度等情况通过传感器采集给MCU，经MCU编码后由射频发射给驾驶室内的接收系统。

⑵在数据接收及处理这部分系统中，数据接收模块将数据进行解调以便将模拟信号转换成数字信号。然后交由MCU进行解码处理后将信息传送到显示报警模块。在显示报警模块中，系统将经过处理的数据显示在显示电路中并对危险情况进行报警。

2.1.2设计方案

方案1

本方案如图2.2所示，该方案采用MC33594作为RF接收芯片，采用MC68HC908RF2作为轮胎结点主控芯片和发射芯片。方案采用的传感器为MPXY8020，属于硅集成式压力传感器。由于生产工艺的限制，硅集成电容式压力传感器往往测量精度比较低。MC68HC908RF2发送部分的基本参数：可工

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(1)16个具有独立方向控制的I/O引脚 (2)较高灌/拉电流用于直接驱动LED (3)模拟比较器模块带有：

- 两个模拟比较器

- 可编程的片上参考电压 （VREF）模块。 - 可选择的内部或外部参考电压 - 可外部访问比较器输出

(4)Timer0：带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器 (5)Timer1：带有外部晶振/时钟源功能的16位定时器/计数器 (6)Timer2：带8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计

数器

(7)捕捉/比较、PWM模块

(8)可寻址的通用同步/异步收发器USART/SCI

2.2.2射频电路

在图2.5所示的射频信号电路中，采用Nordic公司的nRF401器件，该器件是433MHz ISM频段的单片UHF无线收发IC。它采用FSK的调制解调技术，其最高工作速率可达20kb，发射功率可调，最大达10dBm。基本技术指标如下：中心载频点为433.92/434.33MHz；最大发射功率为10dBm；工作电压为2.7~5.25V；接收时消耗电流为250μA，发射时最大为28mA，待机电流为8μA。

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*******大学电子信息工程学院毕业设计（论文） D+5VL2180nHC5Y218pF4M15nFC11R24.7KC10820pF+5VL222nH+5VU412345678910XC1VCCGNDFILT1VCO1VCO2GNDVCCDINDOUTNRF401C9+5V1040R?22KL2180nHXC2TXENPWR UPGNDANT1ANT2GNDVCCCSRF PWR20191817161514131211TXENC618pFC?L2180nH470pFCC?15pF+5VDINDOUT104+5VB 图2.5发射（接收）模块电路 NRF401的ANT1和ANT2是天线的输入/输出复用脚。在输入模式时，射频信号通过将该脚连接到低噪音放大器后解调；同样，在输出模式时，调制的信号在功率放大后，通过该脚输出。4脚为nRF401的PLL锁相环滤波器输入，该脚正常工作时的电压是1.1V±0.2V。5脚和6脚为压电晶振控制的外围电路，Title此两脚间接一个Q>45（在433MHz）值的22 μH电感。7脚和8脚分别为数据SizeNumberA4输入脚和输出脚。配合18脚PWR_UP和19脚TXEN上的电位时序完成信息的发Date:File:RevisionA送和接收。11脚外接射频功率控制电阻。如图2中的R3，该值在22～100kΩ1238-Jun-2011 Sheet of D:\\PROGRAM FILES\\PROTEL 99SE汉化版\\EXAMPLES\\PREVIO~16.DDBDrawn By:4之间。一般在30kΩ左右达到7dBm。

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重要的时序参数：

NRF401在不同工作模式下的时序如表2.1所示

表2.1 nrf401的工作时序表

模式控制 TX→RX 名称 tTR tRT tST tSR tVT tVR 最大延时 3 ms 条件 连续工作 RX→TX 1 ms Std.by→TX 2 ms Std.by→RX 3 ms VDD=0→TX 4 ms 上电 VDD=0→RX 5 ms TX ? RX 的切换

当从 RX→TX 模式时，数据输入脚（DIN）必须保持为高至少1ms才能发送数据,时序如图2.6（a）所示。

当从 TX→RX 模式时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出，如图2.6（b）所示。

图2.6TX ? RX 的切换时序图

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Standby ? RX 的切换

从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后DOUT脚输出数据才有效。请看表2.1，对nRF401来说，tST最长的时间是3ms，如图2.7（a）所示。

Standby ? TX 的切换

从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST，请看表2.1。

图2.7Standby ? RX 和Standby ? TX 切换的时序图

Power Up ? TX 的切换

从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态，当由上电进入发射模式时，TXEN 必须保持1ms以后才可以往 DIN 发送数据，见图2.8（a）。

Power Up ? RX 的切换

从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有有效数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms，见图2.8（b）。

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图2.8 Power Up ? TX和Power Up ? RX的切换时序图

2.2.3螺旋天线的结构

由于天线有不同类型，应根据具体应用要求来选择。本应用中，天线位于汽车轮毂内，紧靠气门嘴。在高速行驶中，天线不断变换方向。为了尽可能扩大接收的角度，选用螺旋天线。螺旋天线的圈数（N）、直径（D）和圈距（S）决定了天线的增益和方向性。天线的总长为LN=NLo=Nsqrt(S2+C2)这里C=πD是螺旋的园周，Lo=sqrt(S2+C2)是一圈导线的长度。

另一个重要参数是螺旋角α，它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。螺旋角的定义为α=tan-1(S/C)螺旋天线有以下2种工作模式。

(1)常态模式。在常态工作模式，天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值。对于该模式：NLo<<λ。

(2)轴向（端射）模式。这种工作模式只有一个主瓣，它的最大辐射强度沿着螺旋轴，副瓣与轴间有一个倾斜角度。为激励这种模式，其直径D和空间S必须是波长的一个大分数。

本设计采用单端天线时匹配网络的设计，图2.9的180nH电感要求自谐振频率大于433MHz。根据 具体应用不同，在RF输入输出处，可能需要 LC 匹配网络。单端天线到nRF401的连接,也可以采用一个8：1的RF线圈匹配阻抗。

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456*******大学电子信息工程学院毕业设计（论文） +5VDL2180nHC12L2U412345678910XC1VCCGNDFILT1VCO1VCO2GNDVCCDINDOUTNRF401L2180nHCXC2TXENPWR UPGNDANT1ANT2GNDVCCCSRF PWR20191817161514131211180nH470pFC1315pF+5V 图2.9 单端天线时匹配网络 2.2.4传感器电路 英飞凌公司的SP12传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路。 英飞凌的SP12传感器测量范围：(1)压力范围：100kPa到450kPa，分辨率1.37kPa/lsb；(2)加速度范围：-12g到115g，分辨率0.5g/lsb；(3)温度范围：-40℃到+125℃，分辨率1℃/lsb；(4)传感器供电电压：1.8V到3.6V，分辨率18.4mV/lsb。 英飞凌的SP12传感器的优点：(1)硅压阻式压力传感器SP12Title检测精度方面：SizeNumberRevision是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，其BDate:22-Jun-2011Sheet of 测量精度能达0.01%～0.03%FS；(2)测量可靠性方面：SP12设有补偿功能，可File:D:\\PROGRAM FILES\\PROTEL 99SE汉化版\\EXAMPLES\\PREVIO~3Drawn By:2.DDBAB以对压力, 加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境时的正确补偿值，有效地保证了测量可靠性；(3)低功耗方面：英飞凌的SP12传感器首先是采用了唤醒瞬态工作模式，当它工作在睡眠工作模式时其功耗仅0.6微安秒，器件所有数字模拟部分全部工作时的电流消耗是6mA，大大地降低系统功耗，延长了电池的使用寿命。

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456*******大学电子信息工程学院毕业设计（论文） C7+5V104U3WAKEUP1REST234567WAKEUPRESTTEST/GNDVSS3VNCGNDGNDSP12NCSSDOSCLKSDIVPPVCCGND141312111098NCSSDOSCLKSDI+5VC 压力传感部分图2.10传感器电路 SP12传感器引脚： NCS：片选使能输入信号，当NCS接收到低电平信号时SP12被选中工作，否则SP12不工作。 SCLK：串行时钟输入/输出，用于输出或者接收数据传输的串行时钟，本例中用于接收来自单片机的串行时钟。 SDI：串行数据输入信号，用于接收单片机的串行数据输入。 SDO：串行数据输出信号，用于向单片机串行输出SP12的测量数据。 同时内部有两个时钟信号，WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s输出一个脉冲信号，RESET每隔约54min输出一个脉冲信号，低电平有效。 TitleARevisionB采样端对数据进行的处理 SizeA4由于SP12测量的压力、温度、加速度以及电压并不能直接用来表示实际NumberDate:8-Jun-2011 Sheet of 的压力、温度、加速度以及电压，需要进行二次处理才能转化为实际检测值。File:D:\\PROGRAM FILES\\PROTEL 99SE汉化版\\EXAMPLES\\PREVIO~3Drawn By:1.DDB3所以，需要单片机对接收到的SP12响应数据进行处理后才能送到液晶显示器4进行显示。 (1)压力数据处理：实际压力 = 温度字节数据×1.37 + 100（kPa） (2)温度数据处理：温度字节中的内容（T+50），反映了测量到的温度T，

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34*******大学电子信息工程学院毕业设计（论文） 单位是摄氏度。其范围是10~175，对应于-40~125℃的温度范围，即：实际温度 = 温度字节数据–50（℃） 由于温度测量存在非线性误差，因此必须进行修正，修正公式为： Tright =Tsp12－T ??????????（1） 2T=－0.92+0.04*Tsp12+0.002*Tsp12??????（2） 式中：Tright为修正后的温度，Tsp12为实际温度，T为非线性误差。 (3)加速度数据处理：实际加速度 =（加速度字节数据×0.5）– 12（g） (4)电压数据处理：实际电压 =（电压字节数据×0.0184）+ 1.73（V） 2.2.5 LCD显示 1602LCD分为带背光和不带背光两种，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，本设计采用的是不带背光的LCD。管脚如图2.11所示： LCDLCDVSSVDDVEERSRW7819011121314123456D0D1D2D3D4D5D6D7E 图2.11 1602LCD管脚图 1.1602LCD主要技术参数 显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm - 18 - *******大学电子信息工程学院毕业设计（论文）

引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2.2所示:

表2.2 1602LCD引脚说明

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 引脚说明 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 VSS 电源地 VDD 电源正极 VL 液晶显示偏压 RS 数据/命令选择 R/W E D0 D1 读/写选择 使能信号 数据 数据 引脚接口说明： 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

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第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。 1602LCD的指令说明及时序

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2.3所示：

表2.3 1062指令及时序表

序号 指令 RS R/W 1 2 3 清显示 光标返回 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 I/D 4 5 显示开/关控制 光标或字符移位 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 S/C 6 7 8 9 10 11 置功能 置字符发生存贮器地址 置数据存贮器地址 读忙标志或地址 写数到CGRAM或DDRAM） 从CGRAM或DDRAM读数 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 BF 0 1 1 DL N D R/L F * * C * B * 1 * S D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 字符发生存贮器地址 显示数据存贮器地址 计数器地址 要写的数据内容 读出的数据内容

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1602控制命令

1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）

指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2：光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。

指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。

指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。

指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：写数据。 指令11：读数据。

与HD44780相兼容的芯片时序表如下：

表2.4 1602芯片时序表

读状态 写指令 输入 RS=L，R/W=H，E=H 输出 D0—D7=状态字 输入 RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲 输出 无 - 21 -

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读数据 写数据 输入 RS=H，R/W=H，E=H 输入 RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲 输出 D0—D7=数据 输出 无 读写操作时序如图2.12和2.13所示：

图2.12 读操作时序

图2.13 写操作时序

1602LCD的RAM地址映射及标准字库表

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图2.14是1602的内部显示地址。

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图2.14 1602LCD内部显示地址

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图10-58所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”，对应关系如表2.5所示。

表2.5字符码与字符字模之间的对应关系表

2.2.6系统功耗

由于要求TPMS系统整体静态电流小于20 μA，所以保证选用的器件必须是低功耗或超低功耗的芯片。PIC16F628A的静态电流为0.1 μA，传感器SP12的静态电流为0.6 μA，射频NRF401的待机电流为8 μA。

经过实测，静态功耗Ist =Ist_mcu+Ist_sensor+Ist_rf+Ist_cap=15 μA。Ist_cap为钽电容的泄露电流。动态功耗在射频处于连续发射的情况下，经实测

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为25 mA(最大值)。

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第3章 汽车轮胎压力监测系统的软件设计

本系统软件设计采用模块化结构。整个程序分为采样端的数据采集发送程序和接收端的数据接收程序两大部分。两部分程序均采用C语言编写。

3. 1 采样端的软件设计

3.1.1需要注意的问题

考虑到在采样端中的传感器模块只使用一节电池供电，并且由于整个采样端是植入轮胎内部的，电池的更换非常麻烦甚至是不可能的，在这种前提下，就对传感器的能量消耗提出了严格的要求，因此采样端软件设计是否能很好的做到这一点也就成为TPMS系统成败的关键。

考虑到传感器SPl2和射频发射芯片nrf401睡眠时的电流消耗最低，而发射数据时的电流消耗最大。当汽车停止运行的时候可以使系统处于睡眠状态，那么电能消耗也会降低。实际上在选择传感器的时候，我们已经考虑到这一点，SPl2具有加速度检测功能，我们可以在汽车从静止到运动的过程中唤醒传感器模块．

综合以上考虑，采样端软件设计需要特别注意以下三点： (1)传感器在没有安装的时候让系统处于完全的睡眠模式； (2)在汽车停止运行的时候使整个系统处于睡眠模式； (3)在汽车行驶过程中，尽量延长数据采集并发送的次数。

但是从系统可靠性上考虑，应该在每次发生异常情况如低压时，就应该及时地做出反应并报警，提示司机停车处理，真正发挥TPMS系统的预警作用。

一般的解决方案为系统设景定时唤醒，系统异常则立刻发送数据，但是一段时间后会停止发送该异常数据，若特定时间之后该异常情况还是没有解除则继续发送，如此循环反复报警。如果系统正常，则还是按照规定时间发送数据，更新控制器显示屏数据，降低电能消耗。

在本论文的设计中，我们采用的是正常情况下定时发送与异常情况下实时

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a． 判别键盘上是否有键按下：

b．如果有键按下，则应进行扫描，判别是哪一个键按下； c．去抖动常采用延时程序； d．读取闭合按键的特征值；

e．对特征值进行译码，获得按键的相应顺序号，而后再按各键的实际

定义去执行相应的服务程序；

(3)极限压力和名义压力的确定和改变

本设计定义了一个上限压力max，一个下限压力min，一个漏气压力leak。因为欠压过压和漏气的判别是在驾驶室模块里面完成的，所以只要改变这些值，就可以改变报警的标准。改变的方法就是用单片机与RS-232接口跟计算机相连接，通过计算机来改变这些值。轮胎的ID也可以通过计算机来改变，也就是改变四个轮胎数组的头一个字节，以便实现轮胎在换位的时候进行识别。

3.2.1接收端的通信流程介绍

接收端通信流程的如图3.5所示。

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开始 初始化 接收状态 Yes超时 No 开始接收 No 数据有效 存入轮胎所在组 YesS YesS No 超压或欠压 报警 No 手动读取 显示温度和压力 YesS 返回

图3.5接收端通信流程图

3.2.2接收端的软件流程设计

根据接收端功能要求，按照接收端通信流程，下面介绍接收端的软件流程设计。上电后，PIC初始化自身，并配置nrf401，LCD显示系统信息。此后单

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片机等

待nrf401传来数据，接到数据后，单片机进行数据校验。接收的数据包含的轮胎的ID与存储在单片机存储器中四个ID做比较，如果与其中一个相符，数据确认有效。单片机处理该数据并根据结果决定是否做出气压过高、欠压、漏气等预警功能。下面是接收端的软件流程图3.6。

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初始化pic 配置nrf401 LCD显示 等待数据 接收数据 校验数据 校验失败 校验成功？ 校验成功 检验轮胎ID ID错误 ID是否正确？ ID正确

图3.6接收端软件流程图

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3.3 PROTEUS 仿真

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，能够仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

1.其功能特点

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： (1)原理布图

(2)PCB自动或人工布线 (3)SPICE电路仿真 2.革命性的特点 (1)互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

(2)仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

本设计利用Proteus仿真模拟了部分电路，下图为显示部分电路LCD仿真模拟图3.7。

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图3.7 lcd部分仿真模拟图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/44dg.html