基于GSM 网络的轮胎压力监测系统
作者:邓春林时间:2015-11-24 13:56:16 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:1408次 ]
【文章摘要】
汽车轮胎压力监测系统（TPMS）是一种能够在汽车行驶过程中对轮胎内部压力、温度进行实时监测，并在轮胎出现异常情况时进行报警，以确保汽车能安全行驶的保护系统。针对当前轮胎压力监测系统不能实现远程报警和系统体积大、功耗大、抗干扰能力弱等问题， 设计出一款基于GSM 网络的新型汽车轮胎压力监测系统。该系统具有GSM 网络的可靠性高、低成本、低功耗和高安全性等特点，能够实时监测轮胎压力、温度等状态信息，将异常情况通过GSM 网络发送给车主并进行报警，从而有效地保障了汽车行驶安全。
【关键词】
GSM 网络；轮胎压力监测；报警
中图分类号：请查阅中国图书馆分类法（第四版） 文献标识码：A
随着社会经济的不断发展和人们生活水平的提高，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分，汽车的安全性能也逐渐受到人们的重视。在汽车行驶过程中， 汽车轮胎是保障汽车行驶性能最重要的因素之一，保持正常的轮胎压力不仅可以增强汽车的安全可靠性和行驶性能，还能大大节省燃油消耗，延长轮胎的使用寿命。而轮胎是否处于安全状态由很多因素决定，其中最重要的因素便是轮胎内部的压力和温度。本文所设计的基于GSM 网络的汽车轮胎压力监测系统，不仅能够实现对汽车轮胎压力和温度的实时监测，而且其低成本、高可靠性和高抗干扰能力使得其具有很大的市场前景。
1 系统总体设计
系统由MCU、压力检测模块、加速度检测模块、温度检测模块、电池电压检测模块、GSM 模块、液晶显示模块、声光报警模块等组成。加速度检测模块、压力监测模块、轮胎温度检测模块实时地对汽车的加速度、轮胎内部压力和温度进行监测并通过GSM 网络将测得数据发送给终端主控芯片，如果此时出现检测到的汽车轮胎内部压力和温度超过所设定的阈值或电池电压过低等异常情况，传感器端MCU 便向终端主控芯片发送异常情况数据，终端主控芯片再通过LCD1602 液晶显示模块进行实时显示并发出声光报警信号，从而实现汽车的安全行驶。电池电压检测模块用来检测系统的工作电压是否正常，以防电压不足而造成系统不能正常工作。系统总体设计图如图1 所示。
2 系统硬件设计
2.1 终端主控芯片模块
本系统终端主控芯片采用AT89C52 单片机。AT89C52 是Atmel 公司生产的一款低电压、高性能CMOS 8 位单片机，其主要特性有：1）片内含8 k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器（ROM）和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）； 2）器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统；3）片内配置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元；4）器件具有32 个双向I/O 口， 3 个16 位可编程定时/ 计数器中断，2 个串行中断，可编程UART 串行通道，2 个外部中断源。总体上AT89C52 单片机具有
图1 系统总体设计图
图3 SP30 多功能传感器常用外围电路电路图
图2 SP30 多功能传感器内部结构图
接口简单、方便使用、功能强大等优点，并且成本低，所以能为本系统提供高灵活、超高效的解决方案。
2.2 SP30 多功能传感器模块
考虑到汽车行进中的振动、噪声等特殊环境，本系统采用的传感器为Infineon 公司的SP30 多功能传感器，SP30 内部结构如图2 所示，该传感器满足汽车使用要求，是硅片压阻式的压力传感器，它集成了硅微机械加工的压力、温度、电池电压和加速度传感器以及ASIC 数字处理单元，提供四合一传感器功能。SP30 的主要特性有：1）内部集成了一个低功耗8 位RISC 控制器；2）具有下电、运行、空闲、热关断四种工作模式；3）唤醒方式有IT/LT 唤醒，PORT 唤醒，LF 检测唤醒；4）固化函数库便于用户直接调用，能够自动补偿校准测量数据，将轮胎内部物理量转化为数字信号发送至MCU 与射频发送芯片。其工作电压为2.1V-3.6V， 压力测量范围为100KPa-450KPa，温度测量范围为-40 ℃ -125 ℃。加速度测量范围为-12g-115g。电压测量范围为1.8V-3.6V。SP30 内部控制器通常处于休眠状态，可以接收来自外部的中断信号， SP30 启动传感器进行监测时，将MCU 从休眠状态中唤醒，接收各个传感器的测量数据，并且将其与预先设定的阈值相比较，若压力、温度值超出所设阈值，判断轮胎状态出现异常，于是提高发送频率将异常数据发送至接收端进行报警。SP30 多功能传感器常用外围电路的电路图如图3 所示。
2.3 GSM 模块TC35i
射频处理单元是整个系统的核心部分，根据系统对胎压监测模块体积小、功耗低、成本低的要求，胎压监测模块射频电路采用西门子公司生产的TC35i 模块。TC35i 自带RS232 通讯接口, 可以方便地与PC 机、单片机连机通讯。TC35i 模块主要由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成。TC35i 模块设计小巧紧凑、功耗很低，有效地减小了系统的体积。TC35i 模块的工作电压为3.3-4.8V, 可以工作在900MHz 和1800MHz 两个频段, 所在频段功耗分别为2W(900M) 和1W(1800M)。TC35i 模块的典型外围电路的电路图如图4 所示。SP30 集成了8 位RISC 控制器， 能够对传感器测量的数据进行独立处理， 处理完的轮胎状态数据通过GSM 芯片TC35i 发送给终端，实现数据的无线传送。发射模块结构框图如图5 所示。
图4 TC35i 模块的典型外围电路的电路图
图5 SP30 与GSM 模块工作框图
2.4 液晶显示模块
液晶显示模块需要对当前轮胎内部的压力和温度、汽车加速度、电池电压等数据进行实时地显示。本系统的液晶显示模块采用LCD1602 液晶显示模块。LCD1602 液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由若干个5X7 或者5X11 等点阵字符位组成， 每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。LCD1602 液晶具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点。本系统中LCD1602 液晶显示模块的电路图如图6 所示。
图6 液晶显示模块电路图
3 系统软件设计
本系统的软件设计部分包括系统初始化、轮胎内部压力和温度检测、加速度检测、电池电压检测等部分。SP30 传感器对汽车加速度、轮胎内部的压力和温度、电池电压分别进行检测，MCU 判断当前测量值是否超过预先设定的阈值，如果超过阈值，则判定为轮胎出现异常状况，便将当前数据发送给终端并带有报警信号， 否则直接发送当前测量数据。终端接收到数据后，对其进行显示并判断是否带有报警信号，如果带有报警信号则启动声光报警系统。系统程序流程图如图7 所示。
4 结语
本文综合利用GSM 网络和各种传感器技术，实现对汽车轮胎内部状态的不间断监测并在异常状况时进行报警，从而保证了汽车的安全可靠性和行驶性能。同时，该系统操作比较简单，只需设置相应的工作参数即可。所设计的基于GSM 网络的轮胎压力监测系统由于具备成本低、可扩展性强、便于操作等优点，所以具有很大的市场前景。
【参考文献】
[1] 谭浩强．C 程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2005．
[2] 李全利．单片机原理及接口技术[M] ．北京：高等教育出版社，2009．
[3] 赵正宁，孙航，曹呈荣．TPMS 解决方案中的几个关键问题[J]．单片机基于嵌入式系统应用，2006， 3(11) ：52-54．
[4] 米林，陈然，谭伟．嵌入式轮胎压力无线监测系统的设计[J]．仪器仪表用户，2006，13(1) ：24-35．
汽车轮胎压力监测系统（TPMS）是一种能够在汽车行驶过程中对轮胎内部压力、温度进行实时监测，并在轮胎出现异常情况时进行报警，以确保汽车能安全行驶的保护系统。针对当前轮胎压力监测系统不能实现远程报警和系统体积大、功耗大、抗干扰能力弱等问题， 设计出一款基于GSM 网络的新型汽车轮胎压力监测系统。该系统具有GSM 网络的可靠性高、低成本、低功耗和高安全性等特点，能够实时监测轮胎压力、温度等状态信息，将异常情况通过GSM 网络发送给车主并进行报警，从而有效地保障了汽车行驶安全。
【关键词】
GSM 网络；轮胎压力监测；报警
中图分类号：请查阅中国图书馆分类法（第四版） 文献标识码：A
随着社会经济的不断发展和人们生活水平的提高，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分，汽车的安全性能也逐渐受到人们的重视。在汽车行驶过程中， 汽车轮胎是保障汽车行驶性能最重要的因素之一，保持正常的轮胎压力不仅可以增强汽车的安全可靠性和行驶性能，还能大大节省燃油消耗，延长轮胎的使用寿命。而轮胎是否处于安全状态由很多因素决定，其中最重要的因素便是轮胎内部的压力和温度。本文所设计的基于GSM 网络的汽车轮胎压力监测系统，不仅能够实现对汽车轮胎压力和温度的实时监测，而且其低成本、高可靠性和高抗干扰能力使得其具有很大的市场前景。
1 系统总体设计
系统由MCU、压力检测模块、加速度检测模块、温度检测模块、电池电压检测模块、GSM 模块、液晶显示模块、声光报警模块等组成。加速度检测模块、压力监测模块、轮胎温度检测模块实时地对汽车的加速度、轮胎内部压力和温度进行监测并通过GSM 网络将测得数据发送给终端主控芯片，如果此时出现检测到的汽车轮胎内部压力和温度超过所设定的阈值或电池电压过低等异常情况，传感器端MCU 便向终端主控芯片发送异常情况数据，终端主控芯片再通过LCD1602 液晶显示模块进行实时显示并发出声光报警信号，从而实现汽车的安全行驶。电池电压检测模块用来检测系统的工作电压是否正常，以防电压不足而造成系统不能正常工作。系统总体设计图如图1 所示。
2 系统硬件设计
2.1 终端主控芯片模块
本系统终端主控芯片采用AT89C52 单片机。AT89C52 是Atmel 公司生产的一款低电压、高性能CMOS 8 位单片机，其主要特性有：1）片内含8 k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器（ROM）和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）； 2）器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统；3）片内配置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元；4）器件具有32 个双向I/O 口， 3 个16 位可编程定时/ 计数器中断，2 个串行中断，可编程UART 串行通道，2 个外部中断源。总体上AT89C52 单片机具有
图1 系统总体设计图
图3 SP30 多功能传感器常用外围电路电路图
图2 SP30 多功能传感器内部结构图
接口简单、方便使用、功能强大等优点，并且成本低，所以能为本系统提供高灵活、超高效的解决方案。
2.2 SP30 多功能传感器模块
考虑到汽车行进中的振动、噪声等特殊环境，本系统采用的传感器为Infineon 公司的SP30 多功能传感器，SP30 内部结构如图2 所示，该传感器满足汽车使用要求，是硅片压阻式的压力传感器，它集成了硅微机械加工的压力、温度、电池电压和加速度传感器以及ASIC 数字处理单元，提供四合一传感器功能。SP30 的主要特性有：1）内部集成了一个低功耗8 位RISC 控制器；2）具有下电、运行、空闲、热关断四种工作模式；3）唤醒方式有IT/LT 唤醒，PORT 唤醒，LF 检测唤醒；4）固化函数库便于用户直接调用，能够自动补偿校准测量数据，将轮胎内部物理量转化为数字信号发送至MCU 与射频发送芯片。其工作电压为2.1V-3.6V， 压力测量范围为100KPa-450KPa，温度测量范围为-40 ℃ -125 ℃。加速度测量范围为-12g-115g。电压测量范围为1.8V-3.6V。SP30 内部控制器通常处于休眠状态，可以接收来自外部的中断信号， SP30 启动传感器进行监测时，将MCU 从休眠状态中唤醒，接收各个传感器的测量数据，并且将其与预先设定的阈值相比较，若压力、温度值超出所设阈值，判断轮胎状态出现异常，于是提高发送频率将异常数据发送至接收端进行报警。SP30 多功能传感器常用外围电路的电路图如图3 所示。
2.3 GSM 模块TC35i
射频处理单元是整个系统的核心部分，根据系统对胎压监测模块体积小、功耗低、成本低的要求，胎压监测模块射频电路采用西门子公司生产的TC35i 模块。TC35i 自带RS232 通讯接口, 可以方便地与PC 机、单片机连机通讯。TC35i 模块主要由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成。TC35i 模块设计小巧紧凑、功耗很低，有效地减小了系统的体积。TC35i 模块的工作电压为3.3-4.8V, 可以工作在900MHz 和1800MHz 两个频段, 所在频段功耗分别为2W(900M) 和1W(1800M)。TC35i 模块的典型外围电路的电路图如图4 所示。SP30 集成了8 位RISC 控制器， 能够对传感器测量的数据进行独立处理， 处理完的轮胎状态数据通过GSM 芯片TC35i 发送给终端，实现数据的无线传送。发射模块结构框图如图5 所示。
图4 TC35i 模块的典型外围电路的电路图
图5 SP30 与GSM 模块工作框图
2.4 液晶显示模块
液晶显示模块需要对当前轮胎内部的压力和温度、汽车加速度、电池电压等数据进行实时地显示。本系统的液晶显示模块采用LCD1602 液晶显示模块。LCD1602 液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由若干个5X7 或者5X11 等点阵字符位组成， 每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。LCD1602 液晶具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点。本系统中LCD1602 液晶显示模块的电路图如图6 所示。
图6 液晶显示模块电路图
3 系统软件设计
本系统的软件设计部分包括系统初始化、轮胎内部压力和温度检测、加速度检测、电池电压检测等部分。SP30 传感器对汽车加速度、轮胎内部的压力和温度、电池电压分别进行检测，MCU 判断当前测量值是否超过预先设定的阈值，如果超过阈值，则判定为轮胎出现异常状况，便将当前数据发送给终端并带有报警信号， 否则直接发送当前测量数据。终端接收到数据后，对其进行显示并判断是否带有报警信号，如果带有报警信号则启动声光报警系统。系统程序流程图如图7 所示。
4 结语
本文综合利用GSM 网络和各种传感器技术，实现对汽车轮胎内部状态的不间断监测并在异常状况时进行报警，从而保证了汽车的安全可靠性和行驶性能。同时，该系统操作比较简单，只需设置相应的工作参数即可。所设计的基于GSM 网络的轮胎压力监测系统由于具备成本低、可扩展性强、便于操作等优点，所以具有很大的市场前景。
【参考文献】
[1] 谭浩强．C 程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2005．
[2] 李全利．单片机原理及接口技术[M] ．北京：高等教育出版社，2009．
[3] 赵正宁，孙航，曹呈荣．TPMS 解决方案中的几个关键问题[J]．单片机基于嵌入式系统应用，2006， 3(11) ：52-54．
[4] 米林，陈然，谭伟．嵌入式轮胎压力无线监测系统的设计[J]．仪器仪表用户，2006，13(1) ：24-35．
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