章志和，何彬靈，張薇，李澤清，張今朝

（嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

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一種電動汽車爆胎預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

章志和，何彬靈，張薇，李澤清，張今朝

（嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

摘 要：基于國內(nèi)外內(nèi)燃機式發(fā)動機驅(qū)動的汽車爆胎預(yù)警系統(tǒng)研究成果，針對電動汽車驅(qū)動及穩(wěn)定系統(tǒng)的新特點，以其為研究對象，來設(shè)計爆胎預(yù)警。為了降低整套裝置的功耗和優(yōu)化裝置的顯示方式，文章從硬件和軟件兩方面介紹了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。通過傳感器（于汽車輪胎內(nèi)）實時檢測胎壓、溫度等參數(shù)，反饋至控制系統(tǒng)，當(dāng)這些相關(guān)參數(shù)超過預(yù)定閾值時，實施警報，以此來提醒司機，達到能提高行車安全的目的。

關(guān)鍵詞：胎壓監(jiān)測；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；預(yù)警系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.021

Keyword:tire pressure monitoring; hardware design; software design; early warning system

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-59-04

引言

汽車在給我們帶來交通便利的同時也產(chǎn)生了能源、環(huán)境等一系列問題。電動汽車由于具有低排放、低噪聲、低污染等的特點，越來越成為汽車行業(yè)的發(fā)展方向，當(dāng)下只是局限于電動汽車的電源的開發(fā)，使之不能發(fā)揮它的優(yōu)勢和特點。在我國新能源的政策支持下，預(yù)計2010～2015年我國年均新能源汽車需求量將達35.2萬輛，2015年需求量將達97.7萬輛，年均增長率為21.6%。[1]

電動汽車不僅是傳統(tǒng)動力汽車的發(fā)展趨勢，其產(chǎn)業(yè)化的提升需要動力系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)等技術(shù)的綜合進步。[2]動力系統(tǒng)主要考慮的是對電動汽車的節(jié)能減噪，更加符合環(huán)保的要求；驅(qū)動系統(tǒng)主要考慮的是電動汽車的啟動性、加速性和穩(wěn)定性，在行車的過程中有更舒適的體驗；整車控制系統(tǒng)主要考慮的是汽車行駛過程中的安全問題，最大限度地保證生命財產(chǎn)安全，這三大系統(tǒng)的發(fā)展進步以致最終代替?zhèn)鹘y(tǒng)動力汽車有著決定性的作用。對于整車控制的研究一直都沒有停止過，汽車輪胎安全的隱患也一直困擾著司機，關(guān)系著汽車輪胎安全的不穩(wěn)定因素確實有很多，因此國內(nèi)外以內(nèi)燃機式發(fā)動機驅(qū)動的汽車爆胎預(yù)警系統(tǒng)著力完成了對輪胎安全系統(tǒng)的控制。

本文以電動汽車為研究對象，設(shè)計了一種新型的爆胎預(yù)警系統(tǒng)，通過實時檢測胎壓及溫度變化，作出爆胎預(yù)警處理。

1、爆胎預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 爆胎預(yù)警系統(tǒng)描述

汽車胎壓檢測系統(tǒng)簡稱“TPMS(Tyre Pressure Monitoring System)”。在2000年第二季度的時候，美國凡士通公司出現(xiàn)大批輪胎爆胎及召回事件后，美國交通安全局向白宮通報了此事，引起國內(nèi)外的高度重視，此后TPMS 得以研發(fā)推廣。[3]按工作原理的不同可分為間接式和直接式。間接式TPMS是一種主動安全的裝置，利用汽車已經(jīng)標(biāo)配的ABS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器，通過比較汽車兩對角線上車輪的轉(zhuǎn)速之和來判斷輪胎的氣壓情況以實現(xiàn)實時自動監(jiān)測，并給與適當(dāng)?shù)奶幚怼ｉg接式TPMS雖然在安裝和操作上簡單，但是存在定位事故點難、報警慢等難題，目前世界范圍內(nèi)主要把直接式DTPMS作為研究的對象。而直接式TPMS是利用安裝在每一個輪胎里檢測模塊來測量輪胎內(nèi)的氣壓、溫度等直接關(guān)系到輪胎是否安全工作的數(shù)據(jù)信息，然后通過無線調(diào)制將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到駕駛室的接收模塊進行處理，如果參數(shù)超過了閾值，會立即報警。[4]簡單說就是智能采集、智能計算、智能處理，給司機以警告提示的作用。本文設(shè)計的就是一種直接式DTPMS。

1.2 爆胎預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)

分析爆胎的原因，主要有：胎壓過高、超載、輪胎老化、針扎等突發(fā)事件。從這些原因中，可概括出用于檢測的參數(shù)有：胎壓、溫度、輪胎的軸心高（即胎面與輪胎軸心的距離）。這些參數(shù)都間接或直接地關(guān)系到了汽車輪胎的安全，因此在設(shè)計輪胎檢測模塊時用到的相關(guān)傳感器包括：溫度傳感器、壓力傳感器、距離傳感器、加速度傳感器。加速度傳感器的作用是：用于控制發(fā)射模塊的工作狀態(tài)，包括低功耗狀態(tài)和運行工作狀態(tài)?？紤]司機開車的實際情況，對于參數(shù)的顯示本文有一種特別的處理方式。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1 TPMS硬件框圖

硬件系統(tǒng)包括信息發(fā)射模塊和接收模塊兩部分，發(fā)射模塊負責(zé)收集和發(fā)送輪胎安全方面的信息，接收模塊負責(zé)接收和處理由發(fā)射模塊發(fā)送出來的信息，他們之間互相聯(lián)系、不可分割。在設(shè)計這套系統(tǒng)的過程中，考慮設(shè)備的兼容性和工作特性，最后選擇了經(jīng)常使用的51系列單片機和一些片外設(shè)備來模擬，整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如下圖1所示。

2.1 發(fā)射模塊硬件設(shè)計方案

為檢測到胎壓，選擇把壓力傳感器安裝于輪胎氣嘴處，檢測方式類似于一般的胎壓檢測儀。輪胎信息發(fā)射模塊的設(shè)計方案是：電池、嵌入式微型處理器（內(nèi)部集成傳感器）、發(fā)射設(shè)備。這種方案的優(yōu)點是：①減少裝置的能耗，能夠提高續(xù)航功能，其中包括設(shè)備的工作狀態(tài)可控、發(fā)送可控、接收可控等；②靈敏度高且成本低，這套設(shè)備具有現(xiàn)代電子消費產(chǎn)品普遍的優(yōu)點；③可集成度較高，目前，各種產(chǎn)品集成化的發(fā)展速度和程度都在加快。[4]在建模時選擇的微處理器是51單片機，片外設(shè)有加速度、壓力、溫度、距離傳感器，射頻發(fā)射模塊選用nrf24L01無線模塊。在設(shè)計模擬時，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)，無線信號調(diào)制中心頻率為433.92MHz，采用SPI進行通信。

這些輪胎的參數(shù)當(dāng)中，能用做輪胎是否爆胎的參數(shù)最可靠的是胎面到輪胎軸心的高度，但這對預(yù)警而言效果不大。對于預(yù)警來說，輪胎內(nèi)的氣壓是最可靠的參數(shù)，無論是由于爆胎，還是因其他事故造成輪胎氣壓發(fā)生劇烈變化，都能夠給司機提供參考。最后我們考慮在檢測系統(tǒng)中不再加入距離傳感器，而只對胎壓和溫度進行監(jiān)測。

發(fā)射模塊的檢測電路如下圖2所示，數(shù)字溫度傳感器DS18B20與單片機的P1.0口連接，溫度傳感器DS18B20將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過P1.0送給單片機，單片機接收到信息后把它通過nrf24L01無線模塊實現(xiàn)發(fā)射，只需將DQ與VCC之間接一個4.7K的上拉電阻，DQ端與單片機的P1.3相接即可，P2口接下拉電阻10K，將不確定的信號通過該電中斷阻嵌位在低電平，并且達到限流的目的。P2口是spi接口（即串行外圍設(shè)備接口），CE：選擇信號、CSN、SCK：時鐘信號、MISO：主入從出信號、MOSI：相反信號、IPQ：中斷信號。

圖2 DS18B20溫度傳感器模塊、NFR24L01無線模塊與89C52單片機接線圖

2.2 接收模塊硬件設(shè)計方案

如上圖2TPMS硬件框圖所示，接收模塊由射頻接收器、微處理器、LCD液晶顯示器、報警器、人機接口等組成，這樣增加了這套設(shè)備的靈活性，同時也不會破壞電動汽車車內(nèi)原來的設(shè)計布局。其中核心器件為微處理器、射頻接收器、報警器，微處理器選擇了8051單片機，射頻接收器也選擇nrf24L01，報警器選擇蜂鳴器。行車胎壓信息，既可以在線預(yù)警，也能保存在存儲器中，以供離線分析。

3、軟件系統(tǒng)設(shè)計方案

對于發(fā)射模塊加入了電路自啟動的檢測程序，也即通常遇到的軟件看門狗程序，電路啟動時進入自檢狀態(tài)以保證能順利地進行工作。同時安裝了加速度傳感器，用作檢測汽車運動情況，如上圖1所介紹，當(dāng)檢測到汽車靜止時讓發(fā)射模塊進入休眠模式，當(dāng)檢測到汽車在運動行駛時，整個檢測發(fā)射電路馬上進行工作，軟件發(fā)送流程圖和接收流程圖如下圖3所示。

圖3 軟件發(fā)送流程圖和接收流程圖

發(fā)射模塊喚醒自檢后首先檢測輪胎內(nèi)的壓力值和溫度值，并把測量值與設(shè)定的報警閥值相比較，不在設(shè)定的閥值范圍內(nèi)說明有輪胎異常行為，將檢測到的數(shù)據(jù)以特殊序列發(fā)射出去，接收模塊能立即采取行動，如果檢測到的參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)，則不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，因為發(fā)射模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時能耗最大，這樣降低發(fā)送的次數(shù)可以做到有效節(jié)能。當(dāng)然如果汽車靜止超過60s，則發(fā)射模塊自動進入休眠模式，功耗降到最低。

接受模塊的CPU開始處于待啟動狀態(tài)，等待發(fā)送模塊發(fā)送的啟動碼，啟動后會喚醒CPU以處理啟動信息，即讓綠燈顯示3秒，之后CPU又處于睡眠狀態(tài)。直到發(fā)來爆胎信號時才喚醒CPU,此時立即打開蜂鳴器并且讓紅燈一直亮，除非人為操作，否則紅燈不會熄滅。

4、部分程序如下

①溫度采集和信號指示的主程序：

5、結(jié)論

本文以電動汽車為研究對象，設(shè)計了胎壓及溫度檢測裝置，并通過發(fā)送與接收模塊，實時分析輪胎的運行情況。分析胎壓與溫度的變化，設(shè)置臨界點，當(dāng)輪胎實然失壓或溫度高于臨界點，則啟動預(yù)警裝置，使司機及時得到爆胎信息，減速和穩(wěn)定方向，減少損害。

參考文獻

[1] 林燕.中國電動汽車發(fā)展趨勢及有待解決的問題[J].汽車工業(yè)研究,2010,(11):13-15.

[2] 張樹偉.以技術(shù)動力學(xué)視角看電動汽車的發(fā)展前景[J].能源技術(shù)經(jīng)濟,2010,(8):37-41.

[3] 劉全有,趙福全,楊安志,金吉剛,翟洪軍,. TPMS的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010,(12):5.

[4] 楊兵,袁立棟,奚忠芳. TPMS系統(tǒng)(Tire Pressure Monitory System)發(fā)展綜述[J]. 電子世界,2013,(20):8.

[5] 李艷華,肖文光.新型低功耗TPMS設(shè)計[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(工程技術(shù)版),2013,(4):75-76.

Research and Design on Early Warning System of Tire burst for Electric Vehicle

Zhang Zhihe, He Binling, Zhang Wei, Li Zeqing, Zhang Jinzhao
( Mechanical and Electrical Engineering College, Jiaxing University, Zhejiang Jiaxing 314001 )

Abstract:The research achievements of the car’s burst early-warning system which is in view of new features of the electric vehicle drive and stable system is based on the domestic and overseas internal combustion engine driven by the engine. as our research object, we design tire burst early-warning. In order to reduce the power consumption of the whole device and optimize its display, this paper introduces the method of realizing the system from two aspects of hardware and software. through sensor, real-time monitoring of tire pressure, temperature and other parameters are feed back to the control system. when the relevant parameters exceed a predetermined threshold, the alarms implement in order to remind the driver, achieving the purpose of improving the traffic safety.

作者簡介：章志和，就讀于嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院。研究方向：電力系統(tǒng)及電機調(diào)速控制?；痦椖浚?014年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201410354013)。

中圖分類號：U463.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-59-04