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1、汽车轮胎检测系统的毕业论文 专科生毕业设计（论文）摘 要汽车在高速的行驶过程中轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。高速公路上发生的事故中有很大一部分是由于爆胎所引起的，对于预防爆胎的最好方法就是提前预知轮胎压力不足并及时防范。轮胎压力监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)即是基于以上原因应运而生的。其主要功能是用于对汽车轮胎气压进行自动监测，当轮胎状态处于不安全时进行报警，提醒驾驶员及时采取措施，避免车辆行驶在不安全状态下，从而实现事前保护功能。论文介绍了TPMS系统的发展现状，分析了TPMS的技术要求和功能，
2、提出了一种可行的系统设计方案；轮胎模块采用集成化芯片以及低功耗技术，保证了轮胎模块对体积小、重量轻、能耗小的要求；在系统无线发射/接收电路设计上，给出了针对射频发射/接收芯片MC33493/MC33594的调试办法，实现系统轮胎模块与接收模块之间的无线数据传输；系统采用LCD实时显示各轮胎的状态，利用蜂鸣与LED进行声光报警来提醒司机及时的采取措施；在软件设计的时候充分利用器件的等待、休眠功能，最大程度上降低了轮胎模块功耗，并将模块化的设计思想贯穿于整个软件设计过程中；系统进行硬件与软件的综合抗干扰设计，保证系统运行的可靠性。论文对应用于汽车轮胎压力监测系统的小环天线进行了分析与设计，对于其阻
3、抗的匹配作了深入的理论分析，设计的小环天线体积小、重量轻且对电干扰信号有免疫特性，使信号得到了高效的传输。论文对设计的系统作了温度、压力测试实验以及路试实验，实验结果表明，论文设计的系统达到了预期指标。 关键词：轮胎压力；小环天线；FSK调制 I 专科生毕业设计（论文）AbstractTire malfunction while car traveling at high speed is what the drivers most worriy about and difficult to prevent as well as one of the major causes of sudde
4、ntraffic accidents.No matter domestic or abroad traffic accidents occurredespecially in highway due to puncture.Experts emphasize that the bestpreventive measure is to be aware of the insufficient tire pressure in advance andtake timely precaution.Tire Pressure Monitoring System(TPMS)is born of thea
5、bove reasons.It is mainly used to monitor tire pressure automatically and alarmto warn the driver to take measures in time when the tire is in unsafe state so thatto achieve pre-protection.This dissertation introduct the development of TPMS system,analysetechnical requirements and functional of TPMS
6、,propose a feasible system designprogram;Tire module adopt integrated chip and low-power technology to ensurethe requirement of Tire module such as small size,light weight,small energyconsumption;In wireless Tx/Rx circuit design,we give an answer to the debugof RF Tx/Rx chip MC33493/MC33594 and real
7、ize the wireless datatransmission between tire module and receiving module;System use LCD todisplay the tire status intime,use Beep and the LED to give sound and light alarmto remind drivers take timely measures;we make full use of the device waiting、sleep function in the software design to reduce t
8、he tire module powerconsumption to the maximum extent and take the modular thought throughout thewhole software design process;we carry out Hardware and softwarecomprehensive anti-interference design to ensure system reliability.This dissertation stresses in detail on the The working principle of RF
9、module and its hardware and software implementation，and gives separatesoftware flow charts of the launch and receiving ends.Then focuses onantenna，one of the most difficulties of the system and gets a suitable solution.The test results of and analysis of the system are shown in the latter，pressure t
10、esting and road test experiment results indicate that the system has reached thelevel of car practicality. Key words：tire pressure,small loop antenna,frequency-shift modulationII 专科生毕业设计（论文）目 录第1章 绪 论 . 11.1 TPMS研究的目的与意义 . 11.2 TPMS的分类和比较 . 21.2.1 TPMS分为间接式和直接式两种 . 21.2.2 TPMS的比较 . 31.3 课题研究的主要内容 .
11、3第2章 TPMS的系统组成设计及实现理论 . 42.1 TPMS的设计目标 . 42.2 TPMS的系统组成设计 . 42.2.1轮胎模块设计 . 42.2.2接收模块设计 . 52.3 关键部件的选择 . 52.3.1轮胎模块传感器的选择 . 52.3.2微控制器的选择 . 72.3.3发射芯片的选择 . 72.3.4接收芯片的选择 . 82.3.5轮胎模块供电电池的选择 . 8第3章 系统的硬件设计 . 93.1 轮胎模块的硬件设计 . 93.1.1 MPXY8020A的结构原理及特点 . 93.1.2 MCU+RF的结构和应用 . 123.1.3 电路设计 . 133.1.4 发射天线
12、的设计 . 163.2 接收模块的硬件设计 . 203.2.1 MC68HC908LJ12的特有属性 . 203.2.2 MC33594的原理和应用 . 213.2.3液晶显示器的设计 . 24第4章 系统的软件设计 . 254.1 轮胎模块的软件设计 . 254.1.1 轮胎模块的低功耗软件设计 . 25III 专科生毕业设计（论文）4.1.2 数据采集子程序及算法 . 274.1.3 数据无线发射模块的软件设计 . 284.2 接收模块软件设计 . 314.2.1 接收模块主程序设计 . 314.2.2 按键功能设置子程序 . 324.2.3 数据接收和处理程序 . 334.2.4 中断服
13、务程序 . 34第5章 结论 . 36参考文献 . 37致 谢 . 38附 录 . 39 IV 专科生毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 TPMS研究的目的与意义轮胎是汽车重要的组成部分之一，有实验表明，行驶在道路上的车辆，影响轮胎性能的主要因素是轮胎充气压力。可以说“气压是轮胎的生命”，充气压力过高或者过低，都会给轮胎的性能和使用寿命带来影响。轮胎气压过高，轮胎与路面接触面积小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂。此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，汽车的平顺性较坏，轮胎的回正力矩减小，促使汽车的操作性能降低。途中若遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎的使用寿
14、命缩短。而轮胎与路面之间动载荷增大，也意味着轮胎与路面之间的最小正压力减小，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。气压不足同样对轮胎有很大的影响，有资料表明，约有85%有缺陷的轮胎始于慢渗气(自然渗透)，有25%的轮胎损坏是由于慢渗气造成的。气压不足对轮胎的危害主要表现在以下几个方面：1.降低轮胎使用寿命，轮胎气压不足使轮胎胎肩区和胎圈区弯曲变形明显加大，对轮胎磨耗和使用寿命产生致命影响；2.降低了燃油经济性，轮胎气压不足使轮胎下沉量明显增大，印痕长度增大，轮胎内应力加剧，行驶阻力增大，耗油量增大，从而降低了燃油经济性；3.加速轮胎的温升破坏，在高速行驶时，轮胎的破坏主要体现在热破坏
15、，轮胎急剧升温导致脱层，甚至发生高温爆破，造成重大交通事故。轮胎气压不足将使轮胎积热倍增。低气压的轮胎在滚动时将使轮胎橡胶产生较大的弹性变形，从而使轮胎的弹性滞后损失增加，发热加剧，导致轮胎早期的疲劳破坏；4.降低轮胎的载荷能力，轮胎的负荷是根据轮胎的结构、胎体帘线的强度以及使用时的速度等经过计算确定的。轮胎的载荷能力随着充气压力的降低而降低，对于轿车，其轮胎内压每下降0.05 MPa，其承载能力就减少100 N。综上所述，轮胎内部气压过低是致使行驶车辆轮胎发生问题近而造成交通事故的主要原因，而且由于自然渗透和其它外界破坏因素的存在，轮胎压力降低的趋势是时刻存在的。为了保障行车安全，降低事故隐
16、患，我们有必要研一种可以动态监测行驶车辆轮胎气压的系统。此系统能够在轮胎气压低于安全范围时通过视觉、听觉等直观信号提醒驾驶人员注意，令其及时采取补充轮胎气压和其它维护措施。1 专科生毕业设计（论文）TPMS系统正是在这种情况下应运而生的，而且TPMS特点如下：1.事前主动型安保，汽车现有安全措施，如ABS，EDS，EPS、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故发生后才起到保护人身安全的作用。而TPMS属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾驶员可采取措施，将事故消灭在萌芽状态；2.延长轮胎使用寿命，统计表明：汽车在行驶时，车轮气压比正常值下降25%，轮胎寿命将减少30%
17、。如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，轮胎磨损加快，一般认为提高气压25%，轮胎寿命将会降低15-20%。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大(一般温度不能超过80度，当温度达到95度时，轮胎的情况非常危险)，每升高1度，轮胎磨损就增加2%；3.减少燃油消耗，利于环保。实验显示，轮胎气压低于标准气压值30%，油耗将上升10%。油耗上升不仅增加车辆运行费用，而且增加废气排放，对环境的污染加大。车辆安装了TPMS系统，就能及时发现车胎气压异常，有效避免上述现象的发生，不仅降低油耗，而且还可减轻对环境的污染；4.避免车辆部件不正常的磨损，若汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘、及
18、悬挂系统将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统的磨损。因而，我们可以认为对TPMS的研究是极具实际意义的。1.2 TPMS的分类和比较1.2.1 TPMS分为间接式和直接式两种间接式TPMS：间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发报警系统来向司机发出警告。间接系统相对便宜，使用间接系统，己经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级。但是，目前这类系统没有直接式系统准确
19、率高，它根本不能确定故障轮胎，无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作，例如同一车轴的2个轮胎气压都低。直接式TPMS：直接式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。直接系统可以提供更高级的功能，使用直接系统，可以随2 专科生毕业设计（论文）时测定每个轮胎内部的压力和温度，很容易确定故障轮胎。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向接收模块发出信号，接收模块及时作出报警，可
20、以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求。但其容易受到无线电波干扰，而且发射模块的电池存在使用寿命的问题。1.2.2 TPMS的比较直接式TPMS与间接式TPMS各有其优缺点，如表1.1所示： 表1.1直接式TPMS与间接式TPMS的比较 由上表可知，直式TPMS系统相对于间接式TPMS系统具有更好的测量精度。在人们对测量精度的要求越来越高的今天，直接式TPMS系统是更好的选择，本系统设计即是基于直接式TPMS的，通过改进系统结构、增加系统功能，设计适用于当前汽车的TPMS系统。1.3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容：1.提出系统总体设计要求，对现有的直接式TPMS方案
21、进行分析，确定系统总体方案，选择相应的硬件设备，进行系统硬件设计，包括轮胎检测模块和中央接收模块的电路原理图；2.对发射天线进行详细的理论分析，选择小环天线作为系统的天线，给出天线的匹配电路并对天线的接收情况作了具体的实验验证；3.定制液晶显示面板，并就其具体人机接口功能实现进行软件的设计；4.进行系统软件设计，在轮胎检测模块设计注重电池能耗，在中央接收模块的程序设计是注重信号的实时处理，并给出重要功能实现的软件流程图；3 专科生毕业设计（论文）第2章 TPMS的系统组成设计及实现理论2.1 TPMS的设计目标系统设计的总体目标是：对汽车轮胎现场数据进行高精度的采集，能够根据采集的数据判断汽车
22、轮胎是否处于安全状态。能够将采集到的数据实时可靠的传输至接收模块处理并显示。能够对轮胎的非安全状态信息及时通过各种方式向驾驶者示警。系统所要实现的主要技术指标及功能有：1.压力测量精度为8 kPa；2.温度测量精度为3；3.能对汽车轮胎的高气压(超过标准气压20%)和低气压(低于标准气压20%)进行语音报警。由于轮胎气压低于标准气压20%不会对车辆造成危害，有时会适当加大胎压以利于载重需要，故以20%为阀值；4.温度超过70时发出高温语音报警；5.动态显示6个轮胎压力与温度数据；6.可针对不同轮胎特性对报警阀值进行设定；7.在发射机发射功率不超过10 dBm的情况下，接收机在15 m范围内能对
23、射频调制信号进行稳定的接收。2.2 TPMS的系统组成设计2.2.1轮胎模块设计要实现上述的设计目标，对轮胎系统数据采集的方式只能采用直接式数据采集方式。直接式数据采集需要在汽车轮胎现场安装数据采集装置，所采集的数据必须通过无线的方式传送至中心接收站处理。本模块的设计方案总图如图2.1所示。各轮胎模块与接收模块之间的通信是采用FSK调制方式单向通信。实际使用时根据轮胎数量的多少来决定模块的个数。直接式TPMS要求高可靠性与环境适应性。就我国而言，南方的最高气温高为40，而北方的最低气温低至-40。汽车需要行驶在这样的温度条件下加之随时可能会出现的雨、雪、冰、雾等恶劣天气，对安装其上的电子设备有
24、相当高的稳定性和可靠性要求。它的体积和重量也受到了限制，体积要能满足在轮胎内有限4 专科生毕业设计（论文）空间内安装，重量要尽量不引起轮胎的不平衡。所以不能选用大的电源来供电，同时要求模块长时间工作，在一块锂离子电池供电的情况下，使用寿命要达到5年左右，因而要减少发射模块的功耗。 图2.1轮胎模块方案图2.2.2接收模块设计接收模块作为TPMS显示报警部分，功能主要是接收射频数据、处理数据以及显示报警。因此中央监视器硬件可由五个功能模块组成：射频匹配电路，UHF接收模块、中央处理器模块、显示报警模块和串口及系统控制接口模块构成。接收模块方案图如图2.2所示： 图2.2接收模块方案图2.3 关键
25、部件的选择2.3.1轮胎模块传感器的选择轮胎模块传感器是整个TPMS系统的关键元件，数据的准确采集和发射是系统功能实现的决定因素，而其工作环境的特殊性又为传感器的选择增加了难度。轮胎模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的工作场合。汽车5 专科生毕业设计（论文）轮胎独特的工作环境，决定了对轮胎压力实时监测的压力传感器的高要求：宽工作温度区间、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性及低功耗。市面上现有的TPMS系统中采用的压力传感器均为硅压力传感器。主要有：SENSORNOR公司生产的SP12、SP13和SP29系列。MOTOROLA公司生产的MPXY8020/8040系列。下面就这两
26、种传感器的基本特性作一个比较，如表2.1所示： 表2.1传感器的性能比较 本系统采用的是Freescale针对轮胎环境设计的温度压力集成为一体的传感器MPXY8020A。它是一种基于MEMS技术的单体压力温度传感器，主要包括硅集成式压力检测单元、温度检测单元、SPI串行数据接口、DAC数/模转换器、模拟值比较电路及待机唤醒电路等。MPXY8020A满足轮胎模块特殊工作环境对传感器的要求，其具体工作性能及特点如下：1)集成度较高，有利于减少轮胎模块宝贵的空间资源和减轻轮胎模块的质量，减少安装轮胎模块后的轮胎不平衡性；2)温度检测范围为-40120，压力检测范围为0637 kPa，能满足系统对温度
27、和压力检测范围的要求；3)采用SSOP封装可提供强大的介质保护，体积小巧，抗干扰能力强；4)功率低、耗电量小，其能量损耗可以通过外部引脚选择工作模式进行控制；5)具有唤醒功能通过RST引脚在每隔大约52分钟，输出复位脉冲。它是针对轮胎压力检测环境，设置的一个功能，可以用来复位微控制器等外部设备，以防止在轮胎环境中造成轮胎模块不正常工作，起到类似看门狗的作用；6)传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号供电电压等情况下测量结果会产生漂移，MPXY8020A具有校准功能，可以对压力、温度数据进行检测和校准。由以上分析可知MPXY8020A满足本系统的测量要求。6 专科生毕业设计（论文）2.3
28、.2微控制器的选择M68HC908RF2是M68HC908家族低功耗，高性能的8位MCU，它内部集成68HC908 Flash MCU和RF发送器MC33493。因为它为低功耗特别优化，特别适用于无线传输设计。主要特征如下：1)32引脚LQFP封装；2)内部振荡器，无需外部器件，软件可选总线频率；3)2k byte片上Flash内存；4)具有Flash编程安全措施；5)128 byte片上RAM；6)带有停止和等待模式的的低功耗设计；7)芯片工作温度范围0到85；8)支持FSK和ASK两种调制方式；9)可选频带：315434 MHz和868928 MHz；10)第三方C语言支持。由上分析可知，
29、M68HC908RF2体积小，功耗低，是一款非常适合用于轮胎压力监测电路的芯片。2.3.3发射芯片的选择TPMS的工作频率北美标准为315 MHz，欧洲标准为433.92 MHz，韩国为448 MHz。目前国内尚无此标准，参考国内无线电频率分配，本系统选择符合欧洲标准又与国内已经分配的无线电频率不冲突的433.92 MHz作为发射频率。另外对发射功率也有要求，发射功率不能超过10 dBm，否则要接受无线电管制。数字调制方式有三种基本方式，分别是幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)和频移键控(FSK)，其中FSK抗干扰性较好。因此，本系统应选具有FSK调制功能的无线发射芯片作为轮胎模块的发射芯
30、片。由于M68HC908RF2芯片中集成了发射芯片，因此在这里简单介绍一下其发射芯片MC33493的功能。C33493是MTOROLA一款数据传输用PLL调谐的UHF发射器芯片，频率为315434 MHz和868928 MHz，具有FSK和OOK调制。FSK为频移键控数字调制方式，后面的章节将对其调制机理进行说明。OOK(On-Off Keying)通断键控调制方式，属于ASK。通过开关控载波振荡器的输出来产生断续高频振荡信号，实现调制。即用信号的有无表示二进制数字“1”和“0”，开关导通有信号输出表示“1”，开关闭合无信号输出表示“0”。MC33493电源电压为1.9 V3.6 V，7 专科
31、生毕业设计（论文）在工作温度为25时待机电流为0.1 nA，符合ETSI标准。2.3.4接收芯片的选择 nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，所以本系统在接收模块中选择nRF2401作为接收芯片。2.3.
32、5轮胎模块供电电池的选择轮胎模块的电源直接关系到轮胎模块的寿命、甚至整个系统的寿命和可行性。由于轮胎模块是安装在轮胎内部，无法利用汽车电源，只能采用电池供电。轮胎模块工作条件非常恶劣，既要耐高低温，还要能抗击震动、离心力作用、高气压和潮湿等。这就对选作轮胎模块的电源的电池提出了更高的要求。目前工业用锂电池主要有三类：锂氩电池、锂锰电池及锂氟电池。三种电池的特性比较如表2.2所示：表2.2锂氩电池、锂锰电池及锂氟电池特性比较 8 专科生毕业设计（论文）第3章 系统的硬件设计3.1 轮胎模块的硬件设计在进行轮胎模块设计之前，需要对MPXY8020A系列传感器和MCU+RF芯片68HC908RF的M
33、PXY8020A的结构原理及特点MPXY8020A系列是飞思卡尔公司推出的8位数字轮胎压力监测传感器。它主要由1个可变电容压力传感器单元、1个温度传感器单元和1个具有唤醒功能的数字接口电路3个单元模块组成。3个单元模块利用MEMS技术封装集成在一个超小外廓封装(SSOP，Super-SmallOutline Package)的硅片中。SSOP的尺寸及媒介保护能为TPMS提供很好的解决方案。一般而言，芯片的集成度与芯片功耗成正比。但由于采用了ME技术，该传感器的闲置模式电流小于1.5A。MPXY8020A系列传感器内部结构框图如图3.1所示：从图3.1中可以看出，除前面介绍的3个主要单元模块外，
34、值得一提的是它还集成了内部高频振荡器和内部低频振荡器、功耗控制单元以及两个分频器。内部高频振荡器为信号调理电路及处理电路提供时钟。而内部低频振荡器通过214分频器接至3通道数据选择器。在闲置模式(Standby)下，在OUT管脚有如图3.2所示的脉冲波形(图片来源于MPXY8020数据手册)。 9 专科生毕业设计（论文） 图3.1 MPXY8020A内部结构图 图3.2复位引脚上输出波形图3.2中，T为低频振荡周期，值为1/LFOF。从波形图可清楚的看出，只要传感器模块在闲置模式下时，OUT端被置为高电平。但每间隔大约3秒钟，都会有持续时间为2T的低电平脉冲输出。可以利用此脉冲作为微控制器的唤
35、醒信号，降低整个系统的功耗。模块上电状态下，不论在何种模式下，每间隔52分钟，都会在RST管脚上输出2T宽度的低电平脉冲。此信号可作为不带看门狗电路的微控制器的硬件复位信号，以免程序失控或进入异常状态。从传感器内部结构框图3.1可以看到，RST管脚的与OUT管脚的周期信号由共有的214分频器所驱动，所以在RST输出低电平脉冲的同时，OUT也会输出同宽度的低电平脉冲。 10 专科生毕业设计（论文）MPXY8020A信号采集原理压力的测量是通过采用MEMS技术的电容感应式压力传感器来完成的。电容式微传感器因其结构简单、灵敏度高、受周围环境影响较小。工艺采用硅-硅键制作，采用电容开关放大电路作为测试
36、电路，利用方波激励信号把测量电容的变化转换为电压输出。温度的测量通过一个正温系数的扩散电阻(Diffused Resistor)和一个驱动电流源来完成。下面对压力测量的具体过程给予分析：MEMS加工的电容感应压力传感器受外界压力Pcur影响，其表面电极板会发生相应的位移。位移值自动与参考压力Pret所产生位移值进行比较，然后输出当前压力下的电容值Ccurr。电容值Ccurr经过信号调理电路转换成电压信号称Ucurr。电压信号Ucurr通过受控的电压放大器放大后(放大后值为Uamp)送入2路数据选择器MUXl。MUX1是控制当前被测量的数据选择器，当前被测量有压力和温度两种。MUX1输出与电压比
37、较器的同相端连接。Uamp=GUcurr 3-1行接口随机写入8位二进制数据至传感器的数模转换寄存器(DAC Register)，经数模转换器转换后的电压值Uth经2路数据选择器MUX2连接至电压比较器的反相端。在控制逻辑的控制下，选择MUX1的一路输入(压力传感器经放大处理后的等效电压值Uamp接至电压比较器的同相端。当Uamp>Uth时，电压比较器经3路数据选择器MUX3在OUT管脚输出高电平。反之，当Uamp>Uth时，OUT管脚输出低电平。根据OUT管脚输出的电平状态就可以判断出当前输入的8位二进制数据值是高于还是低于当前气压Pcurr对应的数字信号。微处理器通过逐次逼近反复判断，直至所给8位二进制数据恰好使比较器输出电平反相。这时的DAC寄存器中的值即是测量压力数据数字输出值。操作模式及接口特点介绍MPXY8020A系列的管脚
