一種電動汽車爆胎預警系統的研究與設計

章志和，何彬靈，張薇，李澤清，張今朝

（嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

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一種電動汽車爆胎預警系統的研究與設計

章志和，何彬靈，張薇，李澤清，張今朝

（嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

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

關鍵詞：胎壓監測；硬件設計；軟件設計；預警系統

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生了能源、環境等一系列問題。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的發展方向，當下只是局限于電動汽車的電源的開發，使之不能發揮它的優勢和特點。在我國新能源的政策支持下，預計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動力汽車的發展趨勢，其產業化的提升需要動力系統、驅動系統、整車控制系統等技術的綜合進步。[2]動力系統主要考慮的是對電動汽車的節能減噪，更加符合環保的要求；驅動系統主要考慮的是電動汽車的啟動性、加速性和穩定性，在行車的過程中有更舒適的體驗；整車控制系統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安全，這三大系統的發展進步以致最終代替傳統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，關系著汽車輪胎安全的不穩定因素確實有很多，因此國內外以內燃機式發動機驅動的汽車爆胎預警系統著力完成了對輪胎安全系統的控制。

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

1、爆胎預警系統構建

1.1 爆胎預警系統描述

汽車胎壓檢測系統簡稱“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，引起國內外的高度重視，此后TPMS 得以研發推廣。[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，利用汽車已經標配的ABS系統的轉速傳感器，通過比較汽車兩對角線上車輪的轉速之和來判斷輪胎的氣壓情況以實現實時自動監測，并給與適當的處理。間接式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的氣壓、溫度等直接關系到輪胎是否安全工作的數據信息，然后通過無線調制將這些數據發送到駕駛室的接收模塊進行處理，如果參數超過了閾值，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。本文設計的就是一種直接式DTPMS。

1.2 爆胎預警系統的實現

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

2、硬件系統設計方案

圖1 TPMS硬件框圖

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

2.1 發射模塊硬件設計方案

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。輪胎信息發射模塊的設計方案是：電池、嵌入式微型處理器（內部集成傳感器）、發射設備。這種方案的優點是：①減少裝置的能耗，能夠提高續航功能，其中包括設備的工作狀態可控、發送可控、接收可控等；②靈敏度高且成本低，這套設備具有現代電子消費產品普遍的優點；③可集成度較高，目前，各種產品集成化的發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，片外設有加速度、壓力、溫度、距離傳感器，射頻發射模塊選用nrf24L01無線模塊。在設計模擬時，符合歐洲標準，無線信號調制中心頻率為433.92MHz，采用SPI進行通信。

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

發射模塊的檢測電路如下圖2所示，數字溫度傳感器DS18B20與單片機的P1.0口連接，溫度傳感器DS18B20將溫度轉化為數字信號通過P1.0送給單片機，單片機接收到信息后把它通過nrf24L01無線模塊實現發射，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，這樣增加了這套設備的靈活性，同時也不會破壞電動汽車車內原來的設計布局。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，既可以在線預警，也能保存在存儲器中，以供離線分析。

3、軟件系統設計方案

對于發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，當檢測到汽車靜止時讓發射模塊進入休眠模式，當檢測到汽車在運動行駛時，整個檢測發射電路馬上進行工作，軟件發送流程圖和接收流程圖如下圖3所示。

圖3 軟件發送流程圖和接收流程圖

發射模塊喚醒自檢后首先檢測輪胎內的壓力值和溫度值，并把測量值與設定的報警閥值相比較，不在設定的閥值范圍內說明有輪胎異常行為，將檢測到的數據以特殊序列發射出去，接收模塊能立即采取行動，如果檢測到的參數在設定的范圍內，則不需要發送數據，因為發射模塊在發送數據時能耗最大，這樣降低發送的次數可以做到有效節能。當然如果汽車靜止超過60s，則發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，等待發送模塊發送的啟動碼，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。直到發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、結論

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

參考文獻

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

[2] 張樹偉.以技術動力學視角看電動汽車的發展前景[J].能源技術經濟,2010,(8):37-41.

[3] 劉全有,趙福全,楊安志,金吉剛,翟洪軍,. TPMS的研究現狀及發展趨勢[J].農業裝備與車輛工程,2010,(12):5.

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

[5] 李艷華,肖文光.新型低功耗TPMS設計[J].蘇州科技學院學報(工程技術版),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，就讀于嘉興學院機電工程學院。研究方向：電力系統及電機調速控制。基金項目：2014年地方高校國家級大學生創新訓練計劃項目(201410354013)。

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-59-04