謝樂天 李昶亮 于貝

鄭州外國語新楓楊學(xué)校 河南省鄭州市 450001

1 項(xiàng)目的背景及意義

當(dāng)今社會(huì)，隨著人們生活水平提高，家用和貨車越來越多，每天在高速路上高速行駛車輛絡(luò)繹不絕。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在高速行駛時(shí)，從爆胎到失控，司機(jī)的反應(yīng)控制時(shí)間只有3秒鐘左右，而且據(jù)科學(xué)分析，時(shí)速在160公里以上由于爆胎引起的交通事故的死亡率接近100%，由此可見，爆胎事故會(huì)造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失，危害極大[1]。

查閱文獻(xiàn)分析汽車爆胎的原因，主要是由于輪胎是熱的不良導(dǎo)體，在100℃時(shí)橡膠與簾線間的粘附強(qiáng)度大約降低一倍，超過121℃時(shí)，簾線的物理性能急劇下降，從而導(dǎo)致輪胎的脫層與爆破[2]。尤其是進(jìn)入炎熱的夏季，地面溫度往往超過60-70℃，車輛持續(xù)在高溫路面上高速行駛，輪胎氣壓也隨之升高，車輪與地面劇烈摩擦導(dǎo)致輪胎溫度驟升是爆胎事故頻發(fā)的主要原因。另一方面，汽車輪胎胎壓過高或過低、輪胎老化或在行駛過程中軋到尖銳的金屬或其他硬物，都有可能導(dǎo)致爆胎[3]。設(shè)計(jì)一套智能檢測(cè)輪胎爆胎的預(yù)警裝置，減少或避免汽車高速行駛時(shí)由于輪胎高溫或者壓力異常導(dǎo)致的爆胎事故具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 智能輪胎爆胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制方案

智能輪胎爆胎監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)共分水箱控制部分、輪胎壓力檢測(cè)部分和監(jiān)視報(bào)警三個(gè)部分，如圖1所示。通過薄膜壓力傳感器檢測(cè)輪胎胎壓，通過溫度傳感器獲取實(shí)時(shí)輪胎溫度，同時(shí)通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳遞至監(jiān)視報(bào)警部分。當(dāng)檢測(cè)輪胎壓力不正常（可能發(fā)生爆胎狀況）時(shí)，單片機(jī)會(huì)將信號(hào)在監(jiān)控部分的顯示屏上顯示爆胎信息并使得蜂鳴器工作，提醒司機(jī)及時(shí)停車檢查車輛行駛狀況；當(dāng)輪胎的溫度升高到一定溫度時(shí)，可以按照設(shè)定模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或者手動(dòng)控制控制水箱部分的抽水泵，噴出霧狀水進(jìn)行降溫；當(dāng)輪胎溫度達(dá)到合適溫度時(shí)，水泵停止工作。

水箱控制部分由微處理器、液位傳感器、電磁閥、抽水泵、水溫檢測(cè)傳感器等部分組成，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，通過信息傳輸模塊獲得來自監(jiān)視報(bào)警部分的命令，控制抽水泵的開啟和關(guān)閉。同時(shí)采用水位傳感器檢測(cè)水箱水位，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，水位不足時(shí)提醒及時(shí)加水。噴頭采用霧狀噴頭，提高水霧揮發(fā)速度和降溫速度，同時(shí)還能夠起到防止水量過多導(dǎo)致輪胎打滑的問題[4]。

輪胎檢測(cè)部分主要由低功耗微處理器、無線信息傳輸模塊NRF2401、壓力傳感器和溫度傳感器部分組成，系統(tǒng)使用鋰電池供電。微處理器以及電池安裝于輪胎的軸心處，旋轉(zhuǎn)時(shí)減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，壓力傳感器安裝與輪胎的內(nèi)胎與外胎的接觸處，同時(shí)溫度傳感器安裝于輪胎外表面偏底部。工作時(shí)，壓力傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎的溫度和壓力值，并將數(shù)據(jù)通過信息傳輸模塊傳至監(jiān)測(cè)報(bào)警部分。

監(jiān)視報(bào)警部分由LED顯示屏、信息傳輸模塊、按鍵電路、微處理器、蜂鳴報(bào)警器等幾部分組成。工作時(shí)，該系統(tǒng)能夠收到輪胎檢測(cè)部分測(cè)得的數(shù)據(jù)，并比對(duì)預(yù)置的數(shù)據(jù)，控制蜂鳴器報(bào)警獲知控制水箱閥門開合，起到調(diào)節(jié)輪胎溫度的作用。同時(shí)可以通過按鍵電路輸入預(yù)置的信息[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分，分別輪胎檢測(cè)、水箱控制和監(jiān)測(cè)報(bào)警部分軟件設(shè)計(jì)。三個(gè)部分通過無線模塊NRF2401建立連接，形成信息采集和反饋的閉環(huán)控制。

輪胎檢測(cè)系統(tǒng)：首先系統(tǒng)初始化，打開定時(shí)器，按照設(shè)定的時(shí)間間隔采集輪胎胎壓和胎溫，按照固定的數(shù)據(jù)格式，通過無線模塊NRF2401將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)視器。其中輪胎監(jiān)測(cè)部分采用獨(dú)立電源，安裝在輪胎中心，僅用于數(shù)據(jù)采集，功耗低。

水箱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如下：?jiǎn)?dòng)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并啟動(dòng)定時(shí)器，按照固定時(shí)間間隔采集水箱水位，并按照固定的數(shù)據(jù)格式，通過無線模塊NRF2401將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)視器，防止水位過低。同時(shí)循環(huán)讀取無線模塊數(shù)據(jù)，如果接收到開啟MINI水泵指令，立即通過控制繼電器打開水泵，起到降溫的作用，否則關(guān)閉MINI水泵。

監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如下：監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)可安裝在駕駛室，方便司機(jī)監(jiān)控。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，循環(huán)讀取無線模塊數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。如果溫度高于設(shè)定值，則在液晶屏上顯示預(yù)警信息，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警響聲，并通過無線模塊向水箱發(fā)出控制指令，進(jìn)行及時(shí)的降溫。如果胎壓超過設(shè)定值范圍，會(huì)在液晶屏上顯示報(bào)警信息，以及蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，提醒司機(jī)進(jìn)一步檢查[6]。

圖1 智能輪胎爆胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

圖2 水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)可以得知，該裝置能夠自動(dòng)檢測(cè)輪胎溫度，對(duì)汽車輪胎進(jìn)行智能降溫，減少車輛的帶水量。并且考慮到經(jīng)常采用冷水對(duì)輪胎直接降溫會(huì)導(dǎo)致輪胎橡膠老化加速，影響使用壽命，采用加裝水箱控制系統(tǒng)和車輛行駛過程中機(jī)器部件的自產(chǎn)熱，采用加熱片輔助水溫控制，用溫水降溫，盡可能減少對(duì)輪胎壽命的影響。采用高靈敏度、高精度的薄片壓力傳感器能夠精確檢測(cè)輪胎胎壓，使得爆胎的實(shí)時(shí)檢測(cè)信息更加準(zhǔn)確，提高整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

總之，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路汽車的流通量加大，使用這套裝置可以減少汽車在高速行駛時(shí)因爆胎導(dǎo)致的交通事故，保障司機(jī)和車輛的安全；并且該裝置兼具爆胎預(yù)警和輪胎降溫功能，提高輪胎壽命，可以減少輪胎維修和更換的費(fèi)用；裝置系統(tǒng)的整體和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)采用無線傳輸，減少排線的煩惱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；整個(gè)裝置價(jià)格便宜，方便拆卸和維修，通用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，便于推廣應(yīng)用。進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)裝置的微型化，將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推廣應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。