基于GSM 網絡的輪胎壓力監測系統

【文章摘要】
汽車輪胎壓力監測系統（TPMS）是一種能夠在汽車行駛過程中對輪胎內部壓力、溫度進行實時監測，并在輪胎出現異常情況時進行報警，以確保汽車能安全行駛的保護系統。針對當前輪胎壓力監測系統不能實現遠程報警和系統體積大、功耗大、抗干擾能力弱等問題， 設計出一款基于GSM 網絡的新型汽車輪胎壓力監測系統。該系統具有GSM 網絡的可靠性高、低成本、低功耗和高安全性等特點，能夠實時監測輪胎壓力、溫度等狀態信息，將異常情況通過GSM 網絡發送給車主并進行報警，從而有效地保障了汽車行駛安全。
【關鍵詞】
GSM 網絡；輪胎壓力監測；報警
中圖分類號：請查閱中國圖書館分類法（第四版） 文獻標識碼：A
隨著社會經濟的不斷發展和人們生活水平的提高，汽車已經成為人們生活中不可或缺的一部分，汽車的安全性能也逐漸受到人們的重視。在汽車行駛過程中， 汽車輪胎是保障汽車行駛性能最重要的因素之一，保持正常的輪胎壓力不僅可以增強汽車的安全可靠性和行駛性能，還能大大節省燃油消耗，延長輪胎的使用壽命。而輪胎是否處于安全狀態由很多因素決定，其中最重要的因素便是輪胎內部的壓力和溫度。本文所設計的基于GSM 網絡的汽車輪胎壓力監測系統，不僅能夠實現對汽車輪胎壓力和溫度的實時監測，而且其低成本、高可靠性和高抗干擾能力使得其具有很大的市場前景。
1 系統總體設計
系統由MCU、壓力檢測模塊、加速度檢測模塊、溫度檢測模塊、電池電壓檢測模塊、GSM 模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊等組成。加速度檢測模塊、壓力監測模塊、輪胎溫度檢測模塊實時地對汽車的加速度、輪胎內部壓力和溫度進行監測并通過GSM 網絡將測得數據發送給終端主控芯片，如果此時出現檢測到的汽車輪胎內部壓力和溫度超過所設定的閾值或電池電壓過低等異常情況，傳感器端MCU 便向終端主控芯片發送異常情況數據，終端主控芯片再通過LCD1602 液晶顯示模塊進行實時顯示并發出聲光報警信號，從而實現汽車的安全行駛。電池電壓檢測模塊用來檢測系統的工作電壓是否正常，以防電壓不足而造成系統不能正常工作。系統總體設計圖如圖1 所示。
2 系統硬件設計
2.1 終端主控芯片模塊
本系統終端主控芯片采用AT89C52 單片機。AT89C52 是Atmel 公司生產的一款低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，其主要特性有：1）片內含8 k bytes 的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器（ROM）和256 bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM）； 2）器件采用高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51 指令系統；3）片內配置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元；4）器件具有32 個雙向I/O 口， 3 個16 位可編程定時/ 計數器中斷，2 個串行中斷，可編程UART 串行通道，2 個外部中斷源。總體上AT89C52 單片機具有
圖1 系統總體設計圖
圖3 SP30 多功能傳感器常用外圍電路電路圖
圖2 SP30 多功能傳感器內部結構圖
接口簡單、方便使用、功能強大等優點，并且成本低，所以能為本系統提供高靈活、超高效的解決方案。
2.2 SP30 多功能傳感器模塊
考慮到汽車行進中的振動、噪聲等特殊環境，本系統采用的傳感器為Infineon 公司的SP30 多功能傳感器，SP30 內部結構如圖2 所示，該傳感器滿足汽車使用要求，是硅片壓阻式的壓力傳感器，它集成了硅微機械加工的壓力、溫度、電池電壓和加速度傳感器以及ASIC 數字處理單元，提供四合一傳感器功能。SP30 的主要特性有：1）內部集成了一個低功耗8 位RISC 控制器；2）具有下電、運行、空閑、熱關斷四種工作模式；3）喚醒方式有IT/LT 喚醒，PORT 喚醒，LF 檢測喚醒；4）固化函數庫便于用戶直接調用，能夠自動補償校準測量數據，將輪胎內部物理量轉化為數字信號發送至MCU 與射頻發送芯片。其工作電壓為2.1V-3.6V， 壓力測量范圍為100KPa-450KPa，溫度測量范圍為-40 ℃ -125 ℃。加速度測量范圍為-12g-115g。電壓測量范圍為1.8V-3.6V。SP30 內部控制器通常處于休眠狀態，可以接收來自外部的中斷信號， SP30 啟動傳感器進行監測時，將MCU 從休眠狀態中喚醒，接收各個傳感器的測量數據，并且將其與預先設定的閾值相比較，若壓力、溫度值超出所設閾值，判斷輪胎狀態出現異常，于是提高發送頻率將異常數據發送至接收端進行報警。SP30 多功能傳感器常用外圍電路的電路圖如圖3 所示。
2.3 GSM 模塊TC35i
射頻處理單元是整個系統的核心部分，根據系統對胎壓監測模塊體積小、功耗低、成本低的要求，胎壓監測模塊射頻電路采用西門子公司生產的TC35i 模塊。TC35i 自帶RS232 通訊接口, 可以方便地與PC 機、單片機連機通訊。TC35i 模塊主要由GSM 基帶處理器、GSM 射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF 連接器、天線接口六部分組成。TC35i 模塊設計小巧緊湊、功耗很低，有效地減小了系統的體積。TC35i 模塊的工作電壓為3.3-4.8V, 可以工作在900MHz 和1800MHz 兩個頻段, 所在頻段功耗分別為2W(900M) 和1W(1800M)。TC35i 模塊的典型外圍電路的電路圖如圖4 所示。SP30 集成了8 位RISC 控制器， 能夠對傳感器測量的數據進行獨立處理， 處理完的輪胎狀態數據通過GSM 芯片TC35i 發送給終端，實現數據的無線傳送。發射模塊結構框圖如圖5 所示。
圖4 TC35i 模塊的典型外圍電路的電路圖
圖5 SP30 與GSM 模塊工作框圖
2.4 液晶顯示模塊
液晶顯示模塊需要對當前輪胎內部的壓力和溫度、汽車加速度、電池電壓等數據進行實時地顯示。本系統的液晶顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示模塊。LCD1602 液晶是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，它由若干個5X7 或者5X11 等點陣字符位組成， 每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。LCD1602 液晶具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧等特點。本系統中LCD1602 液晶顯示模塊的電路圖如圖6 所示。
圖6 液晶顯示模塊電路圖
3 系統軟件設計
本系統的軟件設計部分包括系統初始化、輪胎內部壓力和溫度檢測、加速度檢測、電池電壓檢測等部分。SP30 傳感器對汽車加速度、輪胎內部的壓力和溫度、電池電壓分別進行檢測，MCU 判斷當前測量值是否超過預先設定的閾值，如果超過閾值，則判定為輪胎出現異常狀況，便將當前數據發送給終端并帶有報警信號， 否則直接發送當前測量數據。終端接收到數據后，對其進行顯示并判斷是否帶有報警信號，如果帶有報警信號則啟動聲光報警系統。系統程序流程圖如圖7 所示。
4 結語
本文綜合利用GSM 網絡和各種傳感器技術，實現對汽車輪胎內部狀態的不間斷監測并在異常狀況時進行報警，從而保證了汽車的安全可靠性和行駛性能。同時，該系統操作比較簡單，只需設置相應的工作參數即可。所設計的基于GSM 網絡的輪胎壓力監測系統由于具備成本低、可擴展性強、便于操作等優點，所以具有很大的市場前景。
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