CN1695964A - 无线汽车轮胎安全监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种无线汽车轮胎安全监测系统，主要包括：可置于轮胎内的发射机和置于汽车驾驶室内的接收机两大部分，发射机主要包括微控制单元和无线发射单元，发射机的微控制单元分别与温度和压力传感器、无线发射单元连接，无线发射单元与天线匹配网络连接，发射机的振动开关直接与微控制单元相连。接收机的无线接收器直接与接收微控制器相连，接收微控制器分别与液晶显示模块、蜂鸣器、复位电路、RS232/TTL电平转换器和12V/5V电压变换器连接，接收微控制器通过移位寄存器与LED显示阵连接。本发明的优点是对汽车的轮胎安全状态实行实时监控，把获取轮胎状况传递给液晶显示器或者汽车仪表盘显示，能量消耗最优化和发射机工作寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及汽车轮胎安全监测系统，特别涉及一种实时、无线监测汽车轮胎安全指标的系统。
技术背景
据统计，高速公路上1/3的交通事故是由轮胎问题引起的。当一个或多个轮胎的气压比厂方推荐的[冷态]使用值低20％或25％时，发出警告信号，或者是规定一个气压低限，当胎压低于该值时，发出警示。因此，应率先采取的措施是汽车必须配备胎压监测及警示装置。本发明的目的就是提供一种安装于汽车上的汽车轮胎胎压监测及警示装置。
本发明克服了现有产品易受干扰、产品寿命短的缺点，提供了一种抗干扰、可靠、具有智能及节能功能和RFID识别功能的无线轮胎安全监测系统。
发明内容
本发明提供了一种无线汽车轮胎安全监测系统，该系统能实时智能化、抗干扰、低能耗、无线监测轮胎安全指标，该系统主要包括：可置于轮胎内的发射机和置于汽车驾驶室内的接收机两大部分。发射机主要包括微控制单元和无线发射单元集成模块、天线匹配及天线单元、温度和压力传感器、振动开关、电池单元，接收机主要包括无线接收器、微控制器、液晶显示模块、LED显示灯、蜂鸣器、复位电路、RS232/TTL电平转换器和12V/5V电压变换器。微控制单元一端与温度和压力传感器连接，另一端连接无线发射单元，无线发射单元的射频输出引脚连接到天线匹配网络，微控制单元不带有时钟振荡电路，它的时钟频率由无线发射单元内部时钟发生器提供，发射机的振动开关直接与微控制单元相连，微控制单元和无线发射单元集成模块由发射微控制单元和无线发射单元构成，接收机的无线接收器直接与接收微控制器相连，接收微控制器分别与液晶显示模块、蜂鸣器、复位电路、RS232/TTL电平转换器和12V/5V电压变换器相连，而接收微控制器通过移位寄存器与LED显示阵相连。
本发明的优点是：采用无线方式对汽车的轮胎安全状态实行实时监控，该系统不仅采纳基于MEMS技术保证封装的可靠性，而且通过使用振动开关、低功耗元器件、节能算法和并联电池来实现能量消耗最优化和延长发射机工作长寿命，接收机不仅进行低压声、光告警、高压声、光告警和高温告警，还可以把获取轮胎状况传递给液晶显示器或者汽车仪表盘显示。
附图说明
图1无线汽车轮胎安全监测系统示意图；
图2本发明的发射机结构框图；
图3本发明的发射机电路原理图；
图4本发明的接收机结构框图；
图5本发明的接收机电路原理图；
图6本发明的发射机工作的节能算法流程框图；
图7本发明的振动开关对发射机工作状态的管理框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例，参见图1、2、3，本发明包括的发射机，由电池单元、压力和温度传感器、振动开关、微控制单元和无线发射单元集成模块、天线及天线匹配单元组成。所述电池单元由两块电池并联增加电池容量而又符合MEMS封装的要求，采取二极管预防反向电流，采取LC电路进行电源滤波，另外，电池采取传统的过孔方法进行可靠性焊接，有利于应对轮胎中高温和振动频繁的恶劣环境；所述压力和温度检测电路由压力和温度传感器及微控制单元连接构成，压力和温度传感器U1的/OUT脚与微控制单元U2的KBD3相连，每隔数秒向微控制单元发出唤醒脉冲，而后由微控制单元决定是否去测量压力或温度；微控制单元和无线发射单元集成模块U2和压力和温度传感器U1相连接，而压力和温度数据测量依赖于微控制单元和无线发射单元集成模块U2和压力和温度传感器U1的控制线，时钟线CLK、数据线DATA以及输出线/OUT之间的协调工作；微控制单元和无线发射单元集成模块U2的/RST和压力和温度传感器U1的RSTB相连，使得系统每隔一段时间进行复位，以便系统出错时能够返回到正常状态；微控制单元和无线发射单元集成模块U2的相关I/O口与外设调试板相连，实现程序的下载和调试；微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚XTAL1、XTAL0与晶体相连，构成锁相环的振荡器；而无线发射单元的数字输出脚DATACLK给微控制器单元提供参考时钟；微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚RFOUT与天线匹配网络相连，匹配网络由电感、电容构成，匹配网络接电小天线，实现最优的50Ω射频匹配网络，减少射频损耗，提高发射效率，满足发射机基于MEMS封装的需要；R1一端与微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚REXT相连，另一端与地相连，控制无线发射单元输出功率的大小；电容C3、电阻R6并联，其中一端和微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚CFSK相连，另一端和地相连，决定了发射信号载频频偏的大小；微控制单元和无线发射单元集成模块中，微控制单元控制的引脚PTB1、PTB2、PTB0、PTA7引脚分别控制无线发射单元的四个数字输入引脚ENABLE、DATA、BAND、MODE，使得射频发射电路能够正常工作。
参见图4、图5，本发明包括的接收机，由天线及天线匹配单元、接收器、微控制器、液晶显示模块、LED显示灯、蜂鸣器、复位单元、RS232/TTL电平转换器及12V/5V电压变换器组成。所述天线及天线匹配单元采纳
电小天 线，由电感、电容构成50Ω匹配网络，高效率的天线及天线匹配网络提高了接收机的灵敏度；所述接收器U2带有由电容C2、电容C3和晶体CRYSTAL1构成的时钟振荡电路，分别给接收器的锁相环和中频滤波提供参考时钟；接收器U2的电阻R3、电容C7决定了选通脉冲振荡器的频率值，使得接收机能够工作在运行/睡眠状态，提高接收器的工作效率和减少接收器的能量消耗；接收器U2的引脚CAGC上的电容C1的优化选取有利于提高接收器的灵敏度；接收器U2的电阻R7、电容C22、电容C23构成集成锁相环的外部环路滤波器，它与内部滤波器并联，提高了接收器的本地振荡器的性能；接收器U2和微控制器U1的MOSI、MISO、SCLOCK分别相连，通过SPI接口进行通讯，接收器U2的RESETB和微控制器U1的P2.3端口相连；微控制器U1为带有时钟振荡的MCU，U1的P0端口与液晶显示模块的数据线，微控制器U1的P2.5、P2.6、P2.7与显示模块的控制线相连；微控制器U1的UART串口P3.0、P3.1分别与RS232/TTL电平转换器U5的R1out、T1in相连，而RS232/TTL电平转换器U5的T2out、R2in与DB9接口JP7相连，实现微控制器U1与计算机等汽车电子外部设备的通讯；微控制器U1的RESET口与复位单元/RESET相连，保证微控制器在上电、供电不足导致异常工作状况下的可靠复位；微控制器U1的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7、P2.0分别与移位寄存器U4的SER、SRCK、/SRCLR、RCK、/G相连，通过控制数据的移位、锁存和使能驱动，实现LED的正常显示，LED采用双色二极管，以不同发光颜色和状态显示轮胎工作状态；微控制器U1的P2.4与电阻R16相连，电阻R16的另一端与发光二极管D5相连，指示接收机电源状态；微控制器U1的P2.1与电阻R23相连，使得以适当的电压和电流去驱动蜂鸣器LS1的异常告警；微控制器U1的/EA与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电源正极相连，使得微控制器U1运行内部程序存储器中的程序；微控制器U1的/PSEN通过开关JP1与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与地相连，以便微控制器U1的程序调试和下载，以及日后为产品用户接收机软件的修改或升级；12V/5V电压变换器U6的输入端INPUT与+12V汽车供电相连，驾驶室点烟器提供+12V电压，输出端OUTPUT与接收机+5V供电相连，大容值电容C26、电容C27分别对12V/5V电压变换器U6的输入和输出端进行电源滤波；二极管D6、二极管D7、电阻R22并联，它们一端与电压VCC相连，另一端与模拟电压AVdd相连，实现微控制器U1的数字电压和模拟电压的隔离，提高微控制器U1工作的稳定性。
一种高效节能的智能算法可以提高系统的稳定性和正常工作年限，尽可能地避免数据出错和冲突。当多个轮胎模块同时发送数据时可能会发生数据冲突，为了避免由冲突造成的数据丢失，模块应在每个数据帧之间随机发送多个帧包。
参见图6，本发明的发射机是基于MEMS的无线汽车轮胎安全监测装置。上述发射机的整个算法是建立在电池负荷长期稳定地工作基础上的。传感器对于压力和温度的查询有一个很快的响应，相对于温度检测，压力检测耗能较多，所以测量压力次数越少越好，但是除了定时检测车轮状况之外，也须要对司机及时发出压力检测警报。传感器绝大部分时间都是在耗电nW级别的空闲模式下，每隔数秒向微控制单元发送唤醒信号，每次唤醒，微控制单元就去测量一次数据。由控制器来掌控系统的运作情况。该发射机所采用的精巧的算法将减少系统在不影响发射数据效率情况下使用最少的发送次数，从而达到对能量的高效利用。此外，控制器的停止模式也是一个关键。
发射机的微处理单元绝大部分时间处于节能模式(停止模式)。传感器每隔几秒唤醒微处理单元一次，一旦唤醒，就在微处理器的控制下检测压力值，温度值以及电池状态并保存数据。然后将压力和温度值与前一组数据进行比较，如有较大变化(超过预设的额定值)，或者此时温度压力值超过一定值(超过告警值)，则将新值通过发射机发射出去，接收机显示端更新显示数据。如果没有显著变化，微处理器回到节能模式。
微控制单元会智能分析存储的最大值和最小值的差额，如果差额大于ROM中存储的最大的固定差额，模块就会进入最快的发送模式，在最快的发送模式中，用800ms到900ms的时间传送255个数据。这样极大地增加了接收器所能收到数据的可能性，如果检测出轮胎正在漏气，会及时提醒司机安全停车。
本发明的接收机在通电以后，接收端的控制器首先初始化，然后配置接收机。检验接收机配置完成以后，系统灯闪烁一次显示接收端已经准备好接收数据。当接收端等待数据的时候，接收端处于低耗能状态。在接收机捕捉到数据以后，重新进行校验和比较，验证以后，把接受到的轮胎数据与控制器存储中的轮胎数据进行比较，如果有吻合的数据，数据将被加工处理。在异常情况下，对应轮胎的指示灯会被点亮且不断闪烁，同时系统发出声音告警。此外，数据将会通过串口或者可扩展功能接口，把数据传输到外界的采集器和存储设备。
参见图7，为了延长发射机的寿命和提高发射机的效率，需要对电源进行有效管理，以避免电池能量过快地消耗掉。当车辆静止或v＜＝10km/m时，就没有必要进行连续测量数据和连续发射信号，即发射机工作在泊车模式，减少测量数据和发射信号的次数。当车辆运动时速v＞10km/m时，发射机工作在正常的行驶模式，正常测量数据和发射信号。该发明采用一个振动开关，在车辆静止时，开关断开，仅仅在车辆时速超过10km/h时开关接上。在汽车停止状态下每隔半小时发送一次轮胎状态信号以节省电池能量。
Claims (9)
1.一种无线汽车轮胎安全监测系统，主要包括：可置于轮胎内的发射机和置于汽车驾驶室内的接收机两大部分，发射机主要包括微控制单元和无线发射单元集成模块、天线匹配及天线单元、温度和压力传感器、振动开关、电池单元，接收机主要包括无线接收器、微控制器、液晶显示模块、LED显示灯、蜂鸣器、复位电路、RS232/TTL电平转换器和12V/5V电压变换器，其特征是：微控制单元一端与温度和压力传感器连接，另一端连接无线发射单元，无线发射单元的射频输出引脚连接到天线匹配网络，微控制单元不带有时钟振荡电路，它的时钟频率由无线发射单元内部时钟发生器提供，发射机的振动开关直接与微控制单元相连，接收机的无线接收器直接与接收微控制器相连，接收微控制器分别与液晶显示模块、蜂鸣器、复位电路、RS232/TTL电平转换器和12V/5V电压变换器连接，而接收微控制器通过移位寄存器与LED显示阵连接。
2.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是发射机的压力和温度检测电路由压力和温度传感器及微控制单元连接构成，压力和温度传感器U1的/OUT脚与微控制单元U2的KBD3相连，微控制单元和无线发射单元集成模块U2的/RST和压力和温度传感器U1的RSTB相连，微控制单元和无线发射单元集成模块U2的相关I/O口与外设调试板相连。
3.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是发射机的微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚XTAL1、XTAL0与晶体相连，构成锁相环的振荡器，无线发射单元的数字输出脚DATACLK给微控制器单元提供参考时钟频率。
4.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是发射机的微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚RFOUT与天线匹配网络相连，匹配网络由电感、电容构成，R1一端与微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚REXT相连，另一端与地相连，控制无线发射单元输出功率的大小；电容C3、电阻R6并联，其中一端和微控制单元和无线发射单元集成模块U2的引脚CFSK相连，另一端和地相连，微控制单元控制的引脚PTB1、PTB2、PTB0、PTA7引脚分别与无线发射单元的四个数字输入引脚ENABLE、DATA、BAND、MODE连接。
5.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是发射机的电池单元由两块电池并联，采取二极管预防反向电流，LC电路进行电源滤波，电池用过孔方法焊接。
6.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是发射装机的振动开关在车辆时速超过10km/h时接通，在车辆静止时断开，每隔半小时发送一次轮胎状态信号。
7.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是接收机的天线及天线匹配单元由电感、电容构成50Ω匹配网络，接收器U2带有由电容C2、电容C3和晶体CRYSTAL1构成的时钟振荡电路，接收器U2的电阻R3、电容C7确定选通脉冲振荡器的频率值，接收器U2的引脚CAGC接入电容C1，电阻R7、电容C22、电容C23构成的集成锁相环外部环路滤波器与接收器U2相连。
8.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是接收机的接收器U2和微控制器U1的MOSI、MISO、SCLOCK分别相连，通过SPI接口通讯，接收器U2的RESETB和微控制器U1的P2.3端口相连，微控制器U1为带有时钟振荡的MCU，U1的P0端口与液晶显示模块的数据线相连，微控制器U1的P2.5、P2.6、P2.7与显示模块的控制线相连，微控制器U1的UART串口P3.0、P3.1分别与RS232/TTL电平转换器U5的Rlout、Tlin相连，而RS232/TTL电平转换器U5的T2out、R2in与DB9接口JP7相连，微控制器U1的RESET口与复位单元/RESET相连，微控制器U1的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7、P2.0分别与移位寄存器U4的SER、SRCK、/SRCLR、RCK、/G相连，通过控制数据的移位、锁存、驱动LED，微控制器U1的P2.4与电阻R16相连，电阻R16的另一端与发光二极管D5相连，微控制器U1的P2.1与电阻R23相连，微控制器U1的/EA与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电源正极相连，使得微控制器U1运行内部程序存储器中的程序，微控制器U1的/PSEN通过开关JP1与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与地相连。
9.根据权利要求1所述的一种无线汽车轮胎安全监测系统，其特征是接收机的12V/5V电压变换器U6的输入端INPUT与汽车驾驶室点烟器12V输出端相连，输出端OUTPUT与接收机+5V供电相连，大容值电容C26、电容C27分别对12V/5V电压变换器U6的输入和输出端进行电源滤波，二极管D6、二极管D7、电阻R22并联，它们一端与电压VCC相连，另一端与模拟电压AVdd相连。
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