龔張杰，于 衛(wèi)，王 丹，邱生輝

(揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225127)

0 引言

輪胎氣壓狀態(tài)直接影響著車輛的安全駕駛、燃油經(jīng)濟性以及輪胎壽命。我國高速公路每天平均有2000起輪胎事故，20%的事故是由于氣壓不足引起的[1]。隨著車輛業(yè)的高速發(fā)展和交通道路的不斷擴張，物流業(yè)的快速發(fā)展，車輛的使用越來越多，安全駕駛越來越受到人們的關(guān)注。車輛造成的交通事故每年也在逐漸上升，輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經(jīng)成為當代社會高速公路事故的三大殺手。其中，輪胎爆胎由于不可控制性和無法預(yù)測性被人最為關(guān)心。輪胎氣壓過高容易產(chǎn)生車輛爆胎和方向打滑失控等安全事故；輪胎氣壓過低會增大摩擦使得燃料消耗增加，輪胎磨損增加和使用壽命降低，同時高低氣壓的不平衡也是造成交通事故的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，在中國，如果維持在合適的車輛輪胎氣壓可以極大的減少用油量。每個輪胎可以增加10%的壽命，每年可以少生產(chǎn)5000萬個輪胎，提高了社會和經(jīng)濟效應(yīng)。輪胎氣壓檢測系統(tǒng)因此而產(chǎn)生。目前市場上存在間接式與直接式檢測這兩種設(shè)計方案，但是仍然存在一些缺點：一是技術(shù)指標相對較低；二是產(chǎn)品并不一定可靠、安全和經(jīng)濟。本論文正是基于上述考慮，克服已有的間接或直接測量設(shè)計的缺陷，通過精心設(shè)計電路、精選器件和符合實際情況的調(diào)試，設(shè)計出通過調(diào)節(jié)內(nèi)部電路電位器就適合于各類車輛使用的穩(wěn)定可靠的新穎實用的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，同時也增加了GSM短信通信自動報警功能。從多方面為安全駕駛提供了強有力的保障。

1 車輛輪胎氣壓監(jiān)測無線報警系統(tǒng)的功能設(shè)計

1.1 能現(xiàn)場指示輪胎過欠壓檢測

通過氣壓傳感器轉(zhuǎn)化為電信號與設(shè)定值進行比較，通過12個LED燈分別指示4個輪胎的氣壓狀況，每個輪胎分配紅、黃、綠三種LED燈，紅燈表示過壓，綠燈表示正常，黃燈表示欠壓。

1.2 出現(xiàn)過欠壓LED燈指示報警

當其中某個輪胎出現(xiàn)過欠壓情況時，會通過無線發(fā)送電路傳送到駕駛室的接收電路，接收電路中裝有4個LED燈，根據(jù)哪一只LED燈亮來判斷哪個輪胎出現(xiàn)問題，再進行具體判別過欠壓。

1.3 能實現(xiàn)GSM自動短信通信報警

當檢測到任何一個輪胎氣壓過壓或欠壓時，即發(fā)出報警電平信號給單片機。對單片機事先編程，將發(fā)送的報警信息內(nèi)容和綁定的電話號碼、發(fā)射次數(shù)和發(fā)射時間間隔等內(nèi)容通過C語言事先編程到單片機里，通過單片機和GSM短信通信模塊的通信，實現(xiàn)由單片機來控制GSM短信通信模塊，向綁定的電話號碼自動發(fā)送短信信息，還可以群發(fā)。在手機上報警還可以分別體現(xiàn)過壓情況和欠壓情況報警。

2 車輛輪胎氣壓監(jiān)測無線報警系統(tǒng)的電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計[2]

氣壓傳感器裝在輪胎氣門上，頂住氣門，使輪胎內(nèi)氣體流動到氣壓傳感器內(nèi)，傳感器得到一個微小的電信號，再經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)化為兩位輸出的TTL電平信號，通過其中的窗口電壓比較電路，當高于或低于設(shè)定值時，立即發(fā)出反映過欠壓的低電平信號：一方面激發(fā)無線發(fā)射電路工作，無線接收電路接收到信號即發(fā)出過欠壓指示報警信號；另一方面啟動單片機和GSM短信通信系統(tǒng)工作，使GSM短信通信模塊自動向主人手機發(fā)送短信報警信號。

根據(jù)設(shè)計要求，由氣壓傳感器、信號處理電路、無線發(fā)送與接收電路、單片機最小系統(tǒng)、GSM短信通信模塊、過欠壓報警器等組成?？傮w方案圖見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.2 氣壓傳感器[3]

輪胎氣壓采用直接氣壓測量、橋路輸出的氣壓傳感器，裝在輪胎氣門上，頂住氣門，使輪胎內(nèi)氣體流動到氣壓傳感器內(nèi)，氣壓傳感器接通電源后，即將氣壓轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

2.3 信號處理電路

圖2 微弱信號放大電路

窗口電壓比較電路見圖3,圖中輸入Vi接放大電路的輸出，運放U1、U2為精密度高的OP07，U3為反相器，U4為異或門，U5為或門，DW1、DW2為5 V的穩(wěn)壓管，LED1、LED2為發(fā)光二極管。

圖3 窗口電壓比較電路

圖中V1,V2通過可調(diào)電阻分壓而得，通過調(diào)節(jié)RW1、RW2就可調(diào)整V1和V2。它們分別對應(yīng)于輪胎氣壓下限值和輪胎氣壓上限值。當輸入信號ViV1(可以看成輪胎氣壓高于上限情況)，U1比較器均輸出1電平，U2比較器輸出0電平，此時P11P10=11為過壓報警，LED1紅燈亮表示過壓。

當V1

實際調(diào)試時，先確定合理的輪胎氣壓上下限值P1～P2，P1表示下限，P2表示上限，再根據(jù)P1、P2的數(shù)值通過傳感和放大電路分別確定V1和V2的數(shù)值。在氣壓略大于P1時，調(diào)節(jié)RW1、RW2，使之正好處于臨界狀態(tài)(U2輸出剛好從“1”電平轉(zhuǎn)為“0”電平)，此時的V1值對應(yīng)于P1值；在氣壓略小于P2時，調(diào)節(jié)RW1、RW2，使之正好處于臨界狀態(tài)(U1輸出剛好從“1”電平轉(zhuǎn)為“0”電平)，此時的V2值對應(yīng)于P2值；進行反復(fù)的調(diào)試，找到合適于P1,P2的值。小于P1為欠壓，大于P2為過壓，發(fā)出高電平信號報警；在P1～P2之間，為正常氣壓，發(fā)出低電平信號不報警。如輪胎中心氣壓為0.2MPa,以+/-20%范圍為正常范圍,即0.16MPa-0.24MPa為正常氣壓范圍,這里P1=0.16 MPa，P2=0.24 MPa。

2.4 無線發(fā)射與接收電路

無線報警系統(tǒng)由無線報警發(fā)射器和無線報警接收器組成。每個輪胎處配一個無線報警發(fā)射器，當其輸入端接收到低電平報警信號時，發(fā)射器即發(fā)出報警信號，安裝在駕駛室的無線接收器接收到信號，即發(fā)出報警信息，同時就可知道具體位置。

◆ 無線發(fā)射電路：對無線遙控距離要求：能夠繞過障礙物發(fā)射。如圖4，當編碼器(MC145026)的接收到來自窗口比較電路的低電平報警信號時， 編碼器將其地址碼(A1～A5)和數(shù)據(jù)碼(D6～D9)作脈沖數(shù)碼調(diào)制，送入發(fā)射模塊，通過發(fā)射天線向外發(fā)射無線電波。當接收器(解碼器) 的地址碼和發(fā)射器(編碼器)的地址碼一致時，接收器接收發(fā)射器發(fā)射過來的數(shù)據(jù)碼報警，不同的輪胎發(fā)送不同的數(shù)據(jù)碼(D6、D7、D8、D9分別為高電平)。

圖4 無線發(fā)射電路

◆ 無線接收電路：如圖5，為裝在值班室的無線遙控接收電路。接收電路在收到無線電波并解調(diào)后，經(jīng)接收模塊U12輸出串行碼給解碼器MC145027)的數(shù)據(jù)輸入端DI，當編碼與解碼的地址碼一致時，此時編碼器中的 數(shù)據(jù)從解碼器中的D6～D9數(shù)據(jù)端對應(yīng)輸出，并一直保持到新數(shù)據(jù)到來。編碼器和解碼器的工作頻率一致。根據(jù)發(fā)光管是否點亮判斷是否有報警信號，根據(jù)哪一個發(fā)光管亮判斷報警位置。

2.5 單片機最小系統(tǒng)和GSM短信通信電路

GSM是當前應(yīng)用最為廣泛的通信模塊。圖6為 GSM 自動短信通信系統(tǒng)示意圖，分單片機和GSM模塊兩部分。對單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)編程，實現(xiàn)單片機控制GSM短信通信模塊工作，在單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)的P11P10口接收到 “01”或“11”電平報警信號時，即控制GSM模塊電路自動向用戶手機發(fā)出短信報警信號。GSM模塊在應(yīng)用時，要插入待發(fā)送短信經(jīng)過注冊的電話號碼卡[4]。

圖5 無線接收電路

本專利使用單片機型號：STC12C5A60S2，GSM模塊型號：SIM808。

圖6 GSM自動短信通信系統(tǒng)示意圖

功能由對單片機編程決定，所用編程軟件是Keil uVision5，編程語言是C語言，在C語言里修改發(fā)送的信息內(nèi)容和接收的電話號碼(可以群發(fā))，信息內(nèi)容和電話號碼要經(jīng)過漢字到Unicode轉(zhuǎn)換后再復(fù)制輸入到C語言程序里(可修改內(nèi)容、增減電話號碼)。根據(jù)過欠壓情況，短信內(nèi)容分別是：胎壓過高，請注意；胎壓過低，請注意！編程時，要將信息內(nèi)容和手機號碼轉(zhuǎn)換成Unicode代碼才能編寫到C語言程序里。

3 結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，經(jīng)過硬件和軟件部分的精心設(shè)計，各方面功能完全實現(xiàn)。該系統(tǒng)靈敏度高，準確度高，可靠性好；能隨時指示過欠壓情況；能實現(xiàn)GSM遠程自動短信報警，報警內(nèi)容次數(shù)可進行人為修改；精心設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量好；通過微調(diào)電路參數(shù)，可用于檢測不同的過欠壓范圍；具有良好的市場發(fā)展前途。該系統(tǒng)設(shè)計的重要意義極大程度上地保障了行車者的安全，具有很高的社會價值。