基于压力传感器的数字胎压计系统设计

付承彪， 田安红， 朱怡婷

(1.曲靖师范学院 信息工程学院,云南 曲靖 655011;2.新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046)

基于压力传感器的数字胎压计系统设计

付承彪1， 田安红1， 朱怡婷2

(1.曲靖师范学院 信息工程学院,云南 曲靖 655011;2.新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046)

针对汽车胎压监控不当，引起爆胎导致交通事故的问题，设计一个基于气压传感器的数字胎压系统，主要包含AT89C51单片机、MPX4115压力传感器、A/D转换模块ADC0832和七段数码管液晶显示器模块。通过Proteus环境下的电路原理图设计，以及Proteus和Keil的联合调试，获得轮胎胎压的模拟值。经过单片机处理后在数码管中显示胎压值，起到实时监控汽车胎压的作用，同时确保行车安全。仿真结果表明，本系统结构简单，成本低，易于操作和移植推广。

数字气压计； 胎压检测； 单片机； 仿真软件； 压力传感器

0 引 言

轮胎是汽车安全行驶的重要部件之一，轮胎性能的优劣直接影响汽车的可操控性、舒适性和安全性。传统气压表，如弯管式或空盒式，精度低，且显示和控制方式单一;数字气压计，因为被单片机控制，具有精度高，灵活性强，方便易用等优点，从而提高产品质量。目前数字气压计已被广泛使用，在国防、工业、农业、医疗领域以及日常生活当中非常普及[1-3]，其核心元器件的实质是气压传感器。

本文设计一款基于压力传感器的数字胎压计系统，通过压力传感器和单片机的共同作用[4-6]，实现胎压检测功能。首先在Proteus软件中设计电路图，然后通过气压传感器获得轮胎胎压的模拟值，经过转换模块变为数字脉冲信号，最后再经过单片机处理后在液晶显示电路中，显示出对应的气压值。所设计的气压计稳定性好，功能易于扩展。同时通过传感器、单片机和显示器的共同协调作用，实现对汽车胎压的实时监控功能，当汽车的胎压超出正常范围时，通过警报方式提醒驾驶员，预防爆胎风险，起到安全驾驶目的。

1 总体设计思路

1.1 设计原理

基于压力传感器的气压计设计原理流程如图1所示，其中，通过MPX4115压力传感器进行数据采集工作，采集后的数据通过A/D进行转换，转换后的值输出，并发送到单片机，单片机进行数据的处理工作，并将气压值输出，以在LED数码管上的方式进行显示。从图1可知，本系统主要包含4个元器件，分别为AT89C51单片机、A/D转换模块ADC0832、压力传感器模块MPX4115和四位共阳LED显示模块。

图1 系统原理流程

1.2 总体设计

数字气压计系统的硬件电路如图2所示，气压传感器MPX4115与ADC9832相连接，ADC9832与AT89C51相连接，AT89C51又与数码管相连接。MPX4115可将具体的大气压值转换成电压值的形式输出，输出的电压值通过ADC9832转换成数字量，并通过ADC9832的DO引脚转换数据输出，将结果输送到单片机，单片机进行处理后，把气压值大小显示在数码管上。

图2 系统硬件电路

2 硬件电路设计

2.1 AT89C51单片机

MCS-51系列单片机由美国Intel公司研发，它的结构先进、功能很强大，其中典型的是AT89C5x系列。本系统选用AT89C51单片机，主要包含中断系统、时钟电路、存储器系统和8051引脚功能。其中，8051具有2个外中断、2个定时器和1个串行中断；在8051的时钟电路中，内置的最高频率可达12 MHz；8051采用40 Pin封装的双列直接DIP结构，包含40个引脚。

2.2 MPX4115压力传感器

在工业实践中，压力传感器非常常用，本系统的MPX4115是一个硅压力传感器，是基于半导体材料的压阻效应而形成[7-10]。当有外力F作用于硅晶体时，晶格会产生变形，导致载流子发生迁移率的变化，最终影响电阻率的变化。MPX4115具有集成度高、质量小，主要有4 g和1.5 g两种型号，测量准确度高[11-14]，长期稳定，过载能力强等优点。量程为15～115 kA，模拟信号电压范围0.2～4.8 V。

MPX4115的输出电压与气压的关系式：

(1)

式中:Us表示电源电压，5 V；p表示要测量的大气压强。

由于大气压强和温度的变化，会引起传感器的测量误差，可通过补偿电压进行修正，补偿电压的表达式为：

(2)

式中:Terror表示温度补偿系数，

(3)

T表示传感器工作时的温度值;perror表示压强补偿系数，在传感器的量程范围内;perror取均值1.5。

MPX4115压力传感器的输出电压与压强变化有良好的线性对应关系，如图3所示。图中:max表示最大值;min表示最小值;typ表示典型值。

图3 MPX4115输出电压与压力的关系曲线

2.3 A/D转换模块ADC0832

ADC0832是一种A/D转换芯片，具有双通道和8为分辨率，它采用5 V电源供电，8引脚双列直插式进行封装，工作频率250 kHz，输入电压0～5 V，转换时间32 μs, ADC083的引脚排列如图4所示。图中：CS表示片选使能，在低电平时有效；CH0表示模拟输入通道0；CLK表示芯片的时钟输入；CH1表示模拟输入通道1；Vcc表示电源输入；GND表示芯片参考0点位；DI表示信号的输入，进行通道的选择；DO表示信号的输出。正常情况下，ADC0832与单片机的接口应有4条线，但DO端和DI端分别表示信号的输入和输出，不能同时有限，在电路设计中可以考虑将DO端和DI端并联起来。当ADC0832不工作时，应禁用芯片，此时CS为高电平；当进行AD转换时，CS需要提前设为低电平，并一直持续到整个转换过程结束。

图4 ADC083的引脚

2.4 显示模块

本系统的数码管是七段共阳显示，七段数码管的结构与引脚如图5所示。在共阳极方式中，当位选信号为高电平时，表示选中数码管；当各个段选信号为低电平时，表示选中各数码管。共阳极的数码管0～f的段编码：

unsigned char code table[]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,//0～3

0x99,0x92,0x82,0xf8,//4～7

0x80,0x90,0x88,0x83,//8～b

0xc6,0xa1,0x86,0x8e //c～f

};

图5 七段数码管结构与引脚

3 软件设计

数字气压计的系统流程如图6所示。当系统启动后，首先进行初始化系统的操作;然后启动ADC0832对传感器的输出电压进行转换操作，再通过单片机进行数字电压信号的处理;最后，将气压值显示在数码管上。 ADC0832在工作过程中有严格的时序要求，在本系统中，由单片机控制产生必要的时序信号，时序信号控制ADC0832将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，数字气压计的A-D转换流程如图7所示。

图6 系统流程

图7 A/D转换流程

4 仿真测试与结果

通过C语言程序编写，在Keil中编写的软件程序调试成功后，在Output选项上面，勾选create HEX file，编程成功生成.HEX文件，把.HEX文件加载到AT89C51单片机中进行总调试[15-18]，点击play运行按钮，可以得到仿真结果。

在MPX4115压力传感器上，模拟一个气压值，LED显示出响应的气压值，如模拟的气压值为109.3 kPa，如图8所示。 而数码管显示的也为109.3，如图9所示，说明运行正常，本文设计的硬件电路和程序调试均能够正常工作。

图8 MPX4115模拟气压值

图9 运行结果

5 结 语

通过Proteus和Keil的联调，实现数字胎压计的设计和调试工作，避免了在电路板上反复测试的费时费力工作，节约了一定的硬件成本。在Proteus软件中模拟仿真数字胎压系统，提高了开发效率，降低了风险，在Proteus中测试成功的电路，可以直接移植到电路板上，具有良好的移植性和可扩展性。本文所设计的数字胎压系统，结构简单，成本低，便于操作，易于推广。数字胎压检测系统，能够有效降低爆胎风险，减少交通事故的发生率。

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Design of Digital Tire Pressure Gauge Based on Pressure Sensor

FUChengbiao1,TIANAnhong1,ZHUYiting2

(1. School of Information Engineering, Qujing Normal College, Qujing 655011, Yunnan, China;2. College of Resource and Environment Sciences, Xinjing University, Urumqi 830046, China)

Facing on the problem that tire blowout causes traffic accident due to inappropriate automobile tire pressure monitoring, a digital tire pressure system based on air pressure sensor has been designed, it mainly includes AT89C51, MPX4115 pressure sensor, A/D conversion module ADC0832, and liquid crystal display with seven-segment digital tube. Circuit principle diagram has been designed in the Proteus environment, and the method of joint debugging between Proteus and Keil has been adopted. It can obtain the simulation value of tire pressure, then the tire pressure value will display in the digital tube by single chip microcomputer. This can monitor the automobile tire pressure in real time, and ensure the driving safety. The system based on simulation software provides the development efficiency, reduces the design cost, in addition, this system has the advantages of simple structure and low cost, and is easy to operate and transplantation.

digital barometer; tire pressure detection; single chip microcomputer; simulation software; pressure sensor

2016-10-17

国家自然科学基金项目(31660680);云南省教育厅自然科学基金项目(2016ZDX127)

付承彪(1982-),男，云南宣威人,讲师，现主要从事物联网技术和无线定位导航研究。

Tel.: 15825089126; E-mail: tianfucb@163.com

TP 273

A

1006-7167(2017)06-0051-04