基于MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统设计

轮胎是汽车的重要部件之-，显著影响着汽车的行驶性能和乘坐舒适度。而轮胎的性能很大程度上受到其工作状态时气压和温度的影响 。据分析，轮胎温度升高到 100 c，轮胎强度会降低15%，极易引起爆胎。同时，轮胎气压不足行驶，例如，轮胎气压比正常值下降 10%，轮胎寿命会减少15%，燃油消耗会增加 2% 。因此对于轮胎压力和温度的监测很有必要。

目前，国内安装胎压监测系统的车型较少，而市面上大部分轮胎监测系统仅有提示轮胎低压的功能，没有智能化的监测、管理胎压的功能。本文设计的基于 MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统 ，可以有效地监测轮胎的压力和温度，并做到对其的智能化管理--可 自行设置轮胎的气压和2013年2月 19日收到 国家自然科学基金(41075026)、江苏省自然科学基金(BK2012460)、江苏省高校自然科学研究面上项目(12KJB510011)资助第-作者简介：葛益娴(1982-)，女，江苏盐城人，讲师，博士。研究方向：微纳光机电系统和大气探测技术研究。E-mail：gyxnuist###ya-hoo.cn。

通信作者简介：张加宏(1979-)，男 ，江苏东台人，讲师 ，博士。研究方向：微纳机电系统和气象传感技术研究。E-mail：zjhnuist###ya-hoo.cn温度上下闸值，有越界提示的功能，并可以实时显示轮胎压力值、剩余压力百分 比、剩余轮胎压力可用时间、上次充气时间等参数，使用户全面、直观地了解轮胎压力状况 ，及时对轮胎做出调整，避免事故，具有-定的实用价值。

1 系统整体设计如图 1所示，本系统由轮胎监测拈和中心接收 2大拈构成，均以低功耗单片机 MSP430F149为主控，轮胎监测拈加以压力、温度传感器、无线发射拈 ，实时监测轮胎的压力和温度，并利用无线方式发送出去。中心接收拈加以无线接收模块、液晶显示拈、按键拈、时钟拈、EEPROM拈，实现对轮胎气压的智能化管理。具体讲，该低功耗智能轮胎监测系统具有以下功能：(1)实时显示轮胎的压力和温度；(2)实时显示轮胎气压的百分比--以最高气压闸值为100%，最低气压闸值为0%；(3)实时显示当前轮胎气压可持续使用时间；(4)在规定范围内，可手动设置轮胎气压上、下闸值；(5)可语音播报哪个轮胎胎压不足、胎压过高、4530 科 学 技 术 与 工 程 13卷温度过高；(6)当胎压不足时，显示距上次充足气的时间，有助于判断轮胎性能是否下降。

根据以上功能，用户可实时监测轮胎状况和性能，及时对轮胎做到调整，最大程度上避免由轮胎造成的事故，做到对轮胎的智能化管理。

轮舱监测拈MCU图1 系统框图2 系统硬件设计中心接收横块2.1 主控芯片简介考虑到具体 目标功能的实现，主控芯片选用德州仪器(TI)的 MSP430F149单片机。它是-款 16位超低功耗 RISC结构的混合信号处理器，具有丰富的寻址方式、简洁的指令、大量的寄存器及片内RAM，在8 MHz晶体下运算能力达到 1MPS ，且它具有超低功耗的显著特性，有 5个低功耗模式可供选择，唤醒时间很短，只需 6 s j。选用这款单片机，不仅可以满足驱动芯片、数据处理的要求，还可使单片机进入低功耗模式，有效地减少系统功耗，节约电能，增加使用时间。

2.2 压力/温度传感器拈由于传感芯片安装于轮胎内部，工作环境较差，且要求长达 3至 5年以上的工作时间，故需要选择-款稳定、功耗很低的传感芯片。目前应用较多的轮胎压力传感器是硅集成电容式压力传感器MPXY8020A、硅压阻式压力传感器 SP30、NPX1和NPX2。据相关报道，电容式压力传感器在功耗、尺寸、集成度、测量精度等方面远优于硅压阻式传感器，例如功耗仅为硅压阻式的1/40 000 。因此，本系统选用电容式压力传感器 MPXY8020A。该传感器内嵌入压力和温度传感器，能够测量 0-637.5kPa的胎压和 -40℃ ～125 oC范围内的胎温，适用于气体介质和-般的轮胎环境 。

压力/温度测量电路如图 2所示，MPXY8020A通过 SPI串行接口与单片机相连，S0与 s1作为模式选择端口，可选择待机/复位、压力测量、温度测量、数据输出4个模式。MPXY8020A采用逐次逼近的方法得到胎内压力、温度值。初始化芯片并选择测量模式后，单片通过 SPI接口输入猜测数据，在芯片内部经比较后，数据输出端口 OUT输出高低电平，表示猜测值大于或小于真实值，单片机检测后，逐次逼近，最后得到 8位压力/温度的真实值。

：2 S1/VPP S0，CCT- VD0 CLKI l 6L I IO.1uF VSS DATA； 及亓 丽 邶 Ⅳ XY8020A图2 压力/温度测量电路2.3 无线通信拈无线通信拈分为发射和接收 2部分。发射部分安装于轮胎内部，所以，要求无线通信拈抗干扰能力强，且功耗必须很低。目前使用较多的芯片是 nRF24L01、nRF905 和 CC1101。 相 比 之 下nRF905传输速度稍慢；CC1101功耗稍大，且较复杂，故选用高速、低功耗、成本低的无线通信芯片nRF24L01。nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于 2.4～2.5 GHz的 ISM频段，工作电压为 1.9～3.6 V，有多达 125个频段可供选择，支持多点间通信 ，最高速率达 2 Mb/s，具有 自动应答和自动重发功能6j。并且它的功耗特别低，发射功率为 -6dBm时，电流消耗为 9 mA，接收模式时为 12.3 mA。

图3所示为无线通信拈电路，CE、CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ端口与单片机相连，SCK、MISO、MOSI组成 SPI接口；CE配合芯片内部寄存器，可将其设置为发射、接受、空闲、掉电等四种工作方式--通过改变工作方式，可有效降低功耗，节约电能。发射数据时，将 nRF24L01设置为发射模式，单片机通过 SPI接 口将接受点地址写入芯片缓存区，之后，配合 cE电平发射数据，发射后进行-次16期 葛益娴，等：基于MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统设计G图 3 无线通信电路应答，确认数据发射成功∮收数据时，将 nRF24L01设置为接受模式，之后等待数据的到来，接受到对方的有效地址和CRC后，将数据储存在寄存器中，产生中断，让单片机读取，并进行-次应答，确认数据接收成功。

2.4 人机接口拈键盘拈：在中心接受拈上，采用3个独立按键，对应设置闸值、上、下 3个功能。上、下键用于以1 kPa为步进上、下调节轮胎气压闸值。

液晶显示拈 ：采用低功耗 12864液晶，3.3 V供电，实时显示当前轮胎压力、温度、轮胎气压的百分比、当前轮胎气压可持续使用时间，当胎压不足时，显示距上次充足气的时间等数据。

2.5 智能化管理拈系统电源拈：由于轮胎检测拈安装于论胎内部，故选用容量较大、瞬时脉冲足够大又轻便的CR17335型锰锂电池，其容量 2 000 mA·h，额定电压3.0 V，重量仅 26 g，很适合于此拈。而中心接受拈，直接用车载 5 V电压供电，5 V电压通过 LM1117-3.3 V得到3.3 V电压给 MSP430单片机供电时钟拈：时钟拈用于记录时间，分析胎压与时间的关系。采用时钟芯片 DS1302，它是 DAL-LAs公司推出的-种高性能、低功耗、带 31字节静态 RAM的时钟芯片，工作电压 2.5 V-5.5 V，使用SPI接口与 MCU进行同步通信，可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时 。

EEPROM拈：储存拈用于储存需要的轮胎气压值和每次轮胎充气时间，储存数据较少，且地址可反复使用 ，选用成本较低的 AT24C02存储器，其内部 EEPROM大小为2 kB，通过 I C总线接口进行操作，每个储存单元可以进行 100万次写操作，储存数据可保存4O年以上 J。

语音提示拈：目前轮胎气压监测系统的报警功能多是采用蜂鸣器呜叫，这种方式无法第-时间按直观判断轮胎出现的状况，且容易引起驾驶者的惊慌。本系统采用语音芯片 ISD25609 J，录制语音文件录入芯片中，当轮胎压力、温度超过设定闸值，可通过人声，提示驾驶者胎压不足、胎压过高、温度过高等问题，第-时间帮助驾驶者判断轮胎状况。

4532 科 学 技 术 与 工 程 13卷图4 语音提示电路3 系统软件设计3.1 软件流程该系统软件设计包括轮胎监测拈的软件设计和中心接收拈的软件设计，主要流程如图5、图6所示。轮胎监测拈初始化以后，传感器 5 S采样- 次轮胎内压力、温度数据，采样后数据由发射芯片发射，然后进入低功耗模式，下次采样时再被唤醒。中心接收拈接收轮胎内采集的数据，经处理后，液晶屏显示各项数据，并判断采集数据是否超过设定闸值，若超过，则驱动语音芯片语音提示。

图5 轮胎监钡惜 獬 图 图6 中.c蒯 炙 主流程图3.2 数据智能化分析设计数据的智能化分析主要是分析轮胎内气压百分比、轮胎内电池电压和轮胎气压与时间的关系。

普通家用车轮胎压力大约在 220 kPa～270 kPa之间，用户可根据自己需要，在此范围内，设置自己轮胎气压的上、下闸值。系统根据以下公式计算出轮胎内气压百分比：Og[(PN-P i )/(P -P i )]×100 (1)式(1)中P 是当前轮胎内气压值，P 是用户设置的气压闸值上限，P 是用户设置的气压闸值下限。

当轮胎内气压不足5%时，开始语音提示用户，胎压不足。充气时，超过 95%，语音提示，轮胎气已足。

ROM记录-次时间，而当胎压不足时，读取上-次充气时记录的时间，两次时间之差，为据上次充气的时间，单位精确到天。

中心接受拈每小时向 EEPROM内写人-次接收到的轮胎气压信息，写入前，先读取前-小时写入的轮胎气压数据，根据以下公式算出轮胎剩余气压最长可持续使用时间，精确到天。

T：(P -P)/[24×(P -P )] (2)式(2)中 P 是前-小时存人的轮胎气压值。如果(P -尸N)等于0，则不计算，直接显示上次充气轮胎持续使用时间。

3.3 低功耗设计MSP430单片机最大优势在于它的低功耗特性，本系统程序按照低功耗方式设计。完成设备初始化后，系统进入 LPM1低功耗模式中，只有外部中断到来时才被唤醒，完成后重新进入低功耗模式，达到降低功耗的目的。除了单片机的低功耗以外，轮胎检测拈需要进-步降低功耗，因此，需要降低射频芯片 nRF24 I2)1的功耗。系统采取 5秒钟发射-次轮胎压力、温度值的方式，当系统不发射数据时，nRF24 LO1进入待机状态，这样 nRF24 L01平均工作电流可减少到 1 mA以下，进-步降低了系统的功耗。当汽车停止使用时，停止对轮胎压力、温度的监测，所有芯片进入待机模式，此时电流降至最低，约2O A左右，可大大减少电池损耗，延长使用时间。

16期 葛益娴，等：基于 MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统设计4 系统测试与分析4.1 系统模拟测试为了快速、方便地测试本系统的各种功能，利用实验室的氧气袋模拟轮胎气压环境，对本系统进行初步测试～系统放人氧气袋中，上、下闸值分别设置为230 kPa、260 kPa，然后将氧气袋气压充至约250 kPa，中心接受拈显示轮胎气压 248.3 kPa，温度 5.2℃，百分比为61%，上下摇动氧气袋，接受数据不受影响。系统持续运行-天后 ，将氧气袋中气放至约 240 kPa，中心接受拈显示轮胎气 压241.1 kPa，温度 5.8℃，百分比为37%，可持续使用时间为4 d～氧气袋中气放至约230 kPa时，显示轮胎气压 230.6 kPa，温度 5.8℃，百分比0%，并开始语音提示，轮胎气压不足。从初步模拟测试的结果可以看出，本系统能够实现预期功能，做到对轮胎压力和温度实时监测和智能化管理。

4.2 系统功耗分析轮胎监测系统安装于轮胎内部，对系统功耗和电池可持续工作时间有很严格的要求，下面具体分析轮胎监测拈的功耗和电池寿命。表 1为轮胎监测系统各元件数据手册给出的电流消耗。

表 1 轮胎监测拈功耗分析假设汽车平均-天使用 6 h，使用期间，每 5 S测量-次轮胎内气压、温度信息并发射，其余时间均处于待机模式，同时假设测量压力、温度和发射时间-样。而在汽车停止使用期间，所有器件处于掉电状态。经估算轮胎监测拈-天消耗电量大约 1.2 mA，而采用 的 CR17335型锰锂 电池容量2 000 mA·h，则此 电池大约可工作 1 666 d，约4.5 a。

5 结论针对目前国内轮胎监测系统匮乏、缺少智能化管理的现状，设计了基于 MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统。该监测系统可以有效实时监测轮胎的气压和温度，并具有越值语音提示功能，还可以对轮胎压力进行智能化分析，实现监测轮胎气压百分比、分析轮胎气压可持续使用时间、手动设定轮胎上、下闸值等功能，使用户可以智能化管理轮胎，且功耗很低 ，大约可持续使用 3～4年以上，具有较强的实用性。如果该系统和车载里程记录系统联用，还可以监测轮胎可持续使用公里数等信息，有很强的扩展性和推广价值。