轮胎压力监测系统的研究

论文摘要

为了有效的防止爆胎事故的发生,提高汽车行驶的安全性,本文根据轮胎压力和温度参数对轮胎工作性能的影响,在分析轮胎爆胎的发生机理基础上,结合实际应用的具体技术性能要求,设计一套主动直接式轮胎压力监测系统(TPMS,Tire Pressure Monitoring System)。目前,该系统主要存在以下问题需要解决:首先,轮胎内部复杂的工作环境,需考虑发射器体积、质量对轮胎平衡性的影响,由于发射器是嵌在轮胎内部,更换电池不方便,要求系统低功耗;其次,系统以无线射频技术进行通信,要求数据传输稳定可靠;最后,系统射频天线的设计要求小型化,辐射功率大,接收灵敏度高,及匹配网络合理设计。针对上述问题,本文主要围绕系统中存在的低功耗如何实现、无线信号传输、射频天线设计问题展开研究,主要包括系统总体设计,硬件/软件设计,天线设计四个方面内容,并把方法成功运用在轮胎压力监测系统中。取得的研究成果主要包括以下方面:(1)射频天线优化及匹配网络设计。采用遗传算法和有限元法相结合的方法来优化设计宽带小型化加载法向模螺旋天线。这两种优化方法互相取长补短,形成性能优良的全局搜索算法。优化后所得的集总元件的数目少,降低了天线的加工研制和实验调整的难度。(2)完成了系统的总体设计并做出实物。系统以MPXY8300系列传感器模块、微控制器和无线射频发射芯片三者集成一体为核心,按照系统的功能分为安装于汽车轮胎内的轮胎模块和安置在驾驶室的主机模块。系统软件在硬件电路基础上执行数据测量、模拟/数字转换、无线传输控制、预警门限的温度补偿和系统状态监控等功能。最后根据轮胎压力监测系统实际工作过程的特点进行了装车实验,实验结果表明所提出的系统设计方法能有效预防轮胎爆胎,提高汽车高速行驶的安全性,具有很高的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外现状及水平
• 1.3.1 间接式 TPMS
• 1.3.2 直接式 TPMS
• 1.3.3 直接式 TPMS 关键技术
• 1.4 本文研究内容和结构
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 论文的结构安排
• 第二章 轮胎压力监测系统总体设计
• 2.1 TPMS 的总体组成
• 2.2 TPMS 方案分析
• 2.3 TPMS 方案设计分析
• 2.3.1 TPMS 的工作环境
• 2.3.2 TPMS 的技术要求
• 2.3.3 TPMS 实现的功能
• 2.4 轮胎压力监测系统的总体设计及工作原理
• 2.4.1 轮胎模块的硬件总体设计
• 2.4.2 主机模块的硬件总体设计
• 2.5 系统软件的总体设计
• 2.6 系统安装方案的选择
• 2.7 本章小结
• 第三章 系统的硬件设计
• 3.1 轮胎模块硬件设计
• 3.1.1 嵌入式传感器 MPXY8300
• 3.1.2 传感器 MPXY8300 工作模式
• 3.1.3 发射电路设计
• 3.2 主机模块硬件设计
• 3.2.1 核心微控制器STC12C5416AD
• 3.2.2 接收电路设计
• 3.3 显示及报警电路设计
• 3.3.1 显示电路设计
• 3.3.2 报警电路设计
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 轮胎模块频率测试
• 3.4.2 轮胎模块功耗测试
• 3.4.3 主机模块解调测试
• 3.4.4 主机模块灵敏度测试
• 3.4.5 主机模块接收效率测试
• 3.4.6 优化后主机模块灵敏度/带宽测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 天线设计
• 4.1 天线主要性能指标
• 4.1.1 天线的输入阻抗
• 4.1.2 天线的方向性系数和增益
• 4.1.3 发射系数和驻波比
• 4.2 轮胎环境对天线的影响
• 4.2.1 轮毂结构
• 4.2.2 橡胶对电磁波传播的影响
• 4.2.3 轮毂对电磁波传播的影响
• 4.3 天线设计
• 4.3.1 法向模螺旋天线分析
• 4.3.2 天线仿真
• 4.3.3 法向螺旋天线的优化及匹配网络
• 4.4 天线匹配网络实验测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统的软件设计
• 5.1 轮胎模块的软件设计
• 5.1.1 轮胎模块工作流程
• 5.1.2 轮胎模块的软件流程设计
• 5.1.3 软件异步串行通讯
• 5.1.4 通信的编码方式
• 5.2 主机模块的软件设计
• 5.2.1 主机模块主程序设计
• 5.2.2 参数设定模块
• 5.2.3 报警处理模块
• 5.2.4 轮胎参数查询模块
• 5.2.5 SPI 中断服务模块
• 5.2.6 定时中断处理模块
• 5.3 软、硬件联机系统调试
• 5.3.1 未装车无线测试模式
• 5.3.2 车载测试模式
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文的总结及展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 今后待研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢