單片機控制輪胎自動充氣裝置的設(shè)計

豆鵬飛

(長慶油田公司，陜西 榆林 718100)

作為單片機智能化產(chǎn)品，其在市面上的應用極為普遍。單片機智能化產(chǎn)品具有價位低、低耗電、體積小、輕質(zhì)量以及性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，所以其在醫(yī)療器械、航空工業(yè)、家用電器、儀表儀器、設(shè)備管理以及過程管理控制等行業(yè)中獲得廣泛應用。單片機控制系統(tǒng)也在常見電子產(chǎn)品和大中型電氣設(shè)備中用于系統(tǒng)控制。本文基于汽車用戶對充氣裝置的便攜式要求以及智能化需求而設(shè)計出單片機控制系統(tǒng)充氣裝置產(chǎn)品。

本文設(shè)計的自動充氣裝置由壓力檢測模塊、核心控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、充氣模塊等幾部分構(gòu)成。

文中設(shè)計的壓力檢測模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片以及壓力傳感器等兩部分構(gòu)成。而受溫度影響較小的惠斯通電橋構(gòu)成壓力傳感器本質(zhì)[1]。傳感器上的差動輸出信號是由膜片壓力造成的電橋不平衡產(chǎn)生的。壓力傳感器膜片結(jié)構(gòu)特性為差動輸出電壓（U）和偏置電壓△U成正比關(guān)系。而此正比關(guān)系導致偏置電源容限值由壓力的測量精確度決定。四個橋臂電阻處于某種程度時，則其電橋輸出值為0[2]。利用壓力電橋獲得的壓力模擬值通過ADC0809轉(zhuǎn)換后即可供單片機分析使用。利用矩陣鍵盤控制，設(shè)定充氣預定值和氣泵的啟停。利用LCD顯示屏顯示設(shè)定值和輪胎內(nèi)的當前壓力值。此外，在考慮到價格低廉、使用方便、電路簡單等要求，充氣模塊我們選用繼電器驅(qū)動氣泵工作；控制模塊選用AT89C51作為輪胎自動充氣壓力控制系統(tǒng)的控制核心。

本設(shè)計輪胎自動充氣壓力控制系統(tǒng)是基于滿足設(shè)計要求的前提并且根據(jù)理論上的可實現(xiàn)性和硬件上的經(jīng)濟實用性，綜合考慮各種因素的情況下，而得來的系統(tǒng)方案。方案總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 輪胎自動充氣壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 硬件電路設(shè)計

1.1 壓力檢測電路

輪胎自動充氣壓力控制系統(tǒng)要根據(jù)輪胎內(nèi)壓力當前值的大小來確定充氣是否完成和需不需要關(guān)閉氣泵，因而需要使用到壓力應變傳感器[3]。電阻應變式傳感器按其用途不同，可分為應變測力傳感器、應變壓力傳感器、應變式加速度傳感器等[4]。本設(shè)計中我們使用的是壓力傳感器， 這種傳感器主要用于對氣體、液體的動態(tài)和靜態(tài)的壓力的測量。如對內(nèi)燃機管道和動力設(shè)備管道進、出氣孔流液的壓力、發(fā)動機噴口的壓力等的測量。這種傳感器主要采用膜片、薄板、筒式等組成的彈性元件。傳感器所用的應變片電阻值國內(nèi)標準有：60、120、350、和600 Ω等各種阻值，其中以120 Ω為最常用。利用電橋測量原理，通過對電路輸出電壓和標準壓強的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學模型，將電壓量的變化改為壓力的變化，即可以測出一定范圍內(nèi)的壓力值。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器[5]。設(shè)計還利用了運算放大電路的作用，就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號進行一定倍數(shù)的放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的進行各種轉(zhuǎn)換處理的要求。壓力檢測部分連接如圖2所示。

圖2 壓力檢測電路原理圖

圖3 壓力傳感器電橋電路

此部分壓力傳感器參照了LAB6000使用說明書電路原理圖，傳感器的工作原理本質(zhì)上是惠斯通電橋，該電橋溫度特性好[6]。傳感器上的差動輸出信號是由膜片壓力造成的電橋不平衡產(chǎn)生的。壓力傳感器膜片結(jié)構(gòu)特性，即為差動輸出電壓（U）和偏置電壓△U兩者之間成正比關(guān)系。四個橋臂電阻處于某種程度時，則其電橋輸出值為0，但其也可以提供一種最通用的方法，即溫度補償[7]。該電路三部分組成：（1） 電源電路部分；（2） 電橋電路部分；（3） 放大電路部分。如圖所示，傳感器采用15V恒壓源Vcc供電，經(jīng)過R1與R2分壓（電容C1起濾波作用），U2A起到電壓跟隨器的作用，所以點1、2、3三點處有相同電壓U1:

根據(jù)上式，帶入數(shù)據(jù)R1=4K，R2=1K，VCC=15V，求得U1=3V。

經(jīng)過電路分析電橋部分可等效為如圖3所示。

設(shè)橋臂電阻分別為R1，R2，R3，R4，R1=R3=R’=1/（1/R3+1/R4）=118Ω，R2=R4=R’=120Ω，則當壓力傳感器受力時，電阻變化對應的輸出電壓值為[8]：

由于△R＜＜1，則上式可化簡為

帶入電阻、電壓值得Uo=0.25△R/R，最后經(jīng)過放大部分，壓力傳感器的微弱采樣電壓經(jīng)過放大電路放大。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換的作用是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。在選擇A/D轉(zhuǎn)換時，先要確定A/D轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度以及轉(zhuǎn)換位數(shù)等，A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制范圍和精度有關(guān)[9]，在輪胎自動充氣壓力控制系統(tǒng)中采用了8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809引腳，如圖4所示。

圖4 ADC0809引腳圖

ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。8路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100 μs左右。

ADC0809的主要特性有：

（1） 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。

（2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。

（3）轉(zhuǎn)換時間為100 μs（時鐘為640 kHz時），130 μs（時鐘為500 kHz時）

（4）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。

ADC0809主要引腳功能如下：

IN0～IN7：八路模擬量的輸入端。

D0～D7：A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，可直接與總線相連。

A、B、C：模擬通道地址選擇斷，A為低位，C為高位。

ALE：地址鎖存允許信號，當此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存電路選通對應的模擬輸入通道。

SC：啟動轉(zhuǎn)換信號。通常與單片機的寫信號線連接，啟動A/D轉(zhuǎn)換。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，表示一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。常作為中斷觸發(fā)信號。

OE：輸出允許控制信號，通常與系統(tǒng)的讀信號線連接，打開三態(tài)門，此時可通過數(shù)據(jù)線讀到轉(zhuǎn)換結(jié)果。

本系統(tǒng)ADC0809與單片機和壓力傳感器連接如圖5所示。

如原理圖所示，ADC0809的A、B、C共同接地選中第0通道，即模擬信號從IN-0輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機P2.4引腳start送出一個正脈沖，從而啟動轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成后，EOC輸出一個由低到高的跳變沿，經(jīng)過一個非門取反變?yōu)橄陆笛?，出發(fā)已經(jīng)設(shè)置為邊沿觸發(fā)的I外部中斷0；在中段程序中通過P.3引腳enable送出高電平，控制ADc0809數(shù)字量允許輸出，信號經(jīng)過74HC573鎖存器流入P0口；通過單片機讀程序，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字讀入片內(nèi)，進行相應操作后顯示在數(shù)碼管上。

1.3 顯示電路

本設(shè)計采用LED數(shù)碼管進行顯示是因為LED數(shù)碼管具有以下幾個優(yōu)點[10]：（1）能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。（2）發(fā)光響應時間極短（＜0.1 μs），高頻特性好，單色性好，亮度高。（3）體積小，重量輕，抗沖擊性能好。

數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種類型，為位選端主要進行位控制，斷選端則是進行字符控制，數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方法[11]，說明如下：

(1) 靜態(tài)顯示驅(qū)動

靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二—十進位器進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O來驅(qū)動，要知道一個89C51單片機可用的I/O才32個。故實際應用時必須增加驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬體電路的復雜性。

(2) 動態(tài)顯示驅(qū)動

動態(tài)驅(qū)動器是連接所有數(shù)碼管“a、b、c、d、e、f、g、dp”的8個顯示行程的同名終端。此外，位元控制電路被添加到每個數(shù)字管的公共極COM，其由獨立I/O線控制。當單片機輸出字體代碼時，所有數(shù)碼管會接收相同的字體代碼。然而，單片機控制位元COM端電路影響數(shù)碼管的字體顯示。所以只需打開顯示數(shù)碼管的選通控制，其位元便出現(xiàn)不同的字形，而未選通的數(shù)碼管不可能發(fā)亮。以分時輪流方式來控制每個相應的LED數(shù)碼管COM端，便會將每個數(shù)碼管受控以輪流顯示，即為動態(tài)驅(qū)動顯示。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮時間為1～2 ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低[12]。

圖5 單片機和壓力傳感器連接

在本設(shè)計過程中，我們查詢了大量與車胎壓強相關(guān)的資料得知汽車輪胎壓強一般在1.5～2.2bar（即150～220 kPa）比較適宜，具體冬夏也有少許差別。所以我們采用3位共陰極數(shù)碼管作為顯示部件。數(shù)碼管顯示部分電路圖6所示。

如上述電路圖所示，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，系統(tǒng)段選碼和位選碼均是通過74HC573分時送出。74HC573是八個透明的D 型鎖存器，當使能C為高電平時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù) D的輸入而變。當使能C為低電平時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。當系統(tǒng)需要顯示數(shù)碼時，先通過單片機引腳P0口送出相應位選碼，再控制P2.0引腳輸出高電平，74HC573（U6）被打開，位選碼送到數(shù)碼管陰極。P2.0再輸出低電平把位選信號所存到Q端；此后，單片機P0口輸出相應段選碼，P2.1引腳輸出高電平，打開74HC573（U5）被打開，段選碼送到數(shù)碼管段選端，點亮選中的數(shù)碼管，并延時1ms；以此為原理第二個、第三個數(shù)碼管一次被點亮；最后重復上述過程。

1.4 鍵盤電路

由于本設(shè)計需要設(shè)定充氣預定值和氣泵啟停，所需要的按鍵較多，若采用方案一所占單片機I/O資源較多，而矩陣鍵盤按鍵多、占用I/O口少，很好的滿足了設(shè)計與需求?？紤]到鍵盤需要設(shè)置0～9十個數(shù)字和設(shè)置啟、停按鈕，所以我們最終選定使用3×4的矩陣鍵盤功能，如圖7所示。

圖6 數(shù)碼管顯示電路

圖7 矩陣鍵盤功能圖

如圖按照鍵盤掃描至獲得鍵號編寫程序?qū)缟蠄D所示。矩陣鍵盤在系統(tǒng)中原理圖如圖8所示：

矩陣鍵盤工作是利用P1口分別對某一行賦低電平，其余行賦值高電平，然后分別掃描各列是否出現(xiàn)低電平，若無退出掃描，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。斷閉合鍵所在的位置是通過讀取P1口的值，與預設(shè)值比對，確定是哪個鍵按下，在確認有鍵按下后，就可以進入相應操作程序。

1.5 氣泵控制電路

如圖9所示為電磁繼電器控制電路氣泵的工作電路。

要控制氣泵工作，只需控制電磁閥的閉合與斷開。單片機的pump（P2.7）引腳控制三極管的工作在放大區(qū)和截止區(qū)。當該引腳輸出高電平時，使三極管導通，繼電器的內(nèi)部線圈有電流通過，產(chǎn)生吸合力，將公共端吸合到常開端，則氣泵開始充氣；當輪胎的氣充足后，pump引腳輸出低電平，使三極管截止，則繼電器不會產(chǎn)生吸合力，從而斷開了氣泵的工作。

1.6 電源電路

51單片機正常工作電壓為5V，因此我們設(shè)計了電源電路為單片機工作供電。如下圖10是為單片機提供電源的電路。在這個電路中采用了三端集成穩(wěn)壓芯片7805， 來為單片機提供穩(wěn)定的5V的直流電壓。

1.7 復位電路

復位電路的主要功能是使單片機進行初始化，在初始化的過程中需要在復位引腳上加大于24個時鐘周期的高點平。本設(shè)計復位電路如圖11所示。

1.8 時鐘電路

電路利用晶振產(chǎn)生固定周期的震蕩脈沖。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來產(chǎn)生基準頻率的。通過基準頻率來控制電路中的頻率的準確性。同時，它還可以產(chǎn)生振蕩電流，向單片機發(fā)出時鐘信號。如圖12為單片機時鐘電路

1.9 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理圖如圖13所示。

圖8 陣鍵盤原理圖

圖9 電磁繼電器控制電路

圖10 電源電路圖

圖11 復位電路

圖12 單片機時鐘電路

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括壓力檢測及數(shù)模轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示程序，鍵盤掃描程序，外部中斷0服務(wù)程序構(gòu)成。

圖13 系統(tǒng)原理圖

2.1 壓力檢測及A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

壓力電橋和發(fā)明和放大電路由硬件控制始終處于工作狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束方式是選擇使用結(jié)束限號，觸發(fā)外部中斷0的方式。具體工作是：由于ADC0809的A、B、C共同接地，選中第0通道，模擬信號從IN-0輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機P2.4引腳start送出一個正脈沖，從而啟動轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成后，EOC輸出一個由低到高的跳變沿，經(jīng)過一個非門取反變?yōu)橄陆笛?，出發(fā)已經(jīng)設(shè)置為邊沿觸發(fā)的I外部中斷0；在中段程序中通過P.3引腳enable送出高電平，控制ADC0809數(shù)字量允許輸出。AD轉(zhuǎn)換流程如圖14所示：

圖14 A/D轉(zhuǎn)換流程

2.2 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計

本設(shè)計數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式，通過單片機引腳分別送出相應位選碼，選通相應數(shù)碼管，再用單片機輸出相應段選碼，點亮選中的數(shù)碼管，并延時1ms；以此為原理第二個、第三個數(shù)碼管依次被點亮，再循環(huán)此過程。數(shù)碼管顯示流程如圖15所示。

2.3 鍵盤掃描程序設(shè)計

矩陣鍵盤工作是利用鍵盤掃描，依次檢測按鍵是否按下。首先對某一行賦低電平，其余行賦值高電平，然后分別掃描各列是否出現(xiàn)低電平，若無退出掃描，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。斷閉合鍵所在的位置是通過讀鍵盤行取列值，與預設(shè)值比對確定的。鍵盤掃描流程如圖16所示。

圖15 數(shù)碼管顯示流程圖

圖16 鍵盤掃描流程圖

2.4 外部中斷0服務(wù)程序設(shè)計

本設(shè)計采用外部中斷0監(jiān)測A/D是否完成，當完成后觸發(fā)中斷，在中斷處理中獲得此時輪胎氣壓值，比較是否達到設(shè)定值，若是氣泵停止工作，若否等待下一次中斷。中斷處理流程如圖17所示：

2.5 系統(tǒng)總體程序設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)工作開始首先調(diào)用鍵盤子程序等待用戶輸入需要沖氣的多少，并把所設(shè)定的氣壓值再數(shù)碼管上顯示一段時間，幫助使用者確定是否有誤操作，若有重新輸入，若無則按下start鍵，啟動氣泵開始工作，啟泵啟動后應該立即調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序及顯示子程序，動態(tài)的顯示輪胎內(nèi)的氣壓，以及比較現(xiàn)在的氣壓是否達到用戶的要求。由于LED顯示是動態(tài)的。所以必須循環(huán)的調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這樣做不僅實時性強，可以讓用戶了解輪胎內(nèi)氣壓的變換，而且可以增強LED顯示亮度。

圖17 中斷處理流程圖

圖18 軟件設(shè)計總流程圖

此外，在設(shè)計過程中，我們查閱了大量與輪胎胎壓相關(guān)的資料，得知汽車輪胎壓強一般在1.5～2.2bar（即150～220 kpa）比較適宜，具體冬夏也有少許差別。故在考慮到實際情況和軟件編制的簡易性的情況下，我們規(guī)定用戶輸入的充氣氣壓只能位于0～255 kPa的范圍內(nèi)。這樣一來，由于ADC0809的精度為八位，其輸出的數(shù)字量的范圍也是0～255。量化后正好是一對一的關(guān)系，就大大的減輕了軟件編制的困難。如下圖18所示為軟件設(shè)計總流程圖。