智能檢測輪胎爆胎預警與降溫處理裝置

謝樂天 李昶亮 于貝

鄭州外國語新楓楊學校 河南省鄭州市 450001

1 項目的背景及意義

當今社會，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繹不絕。據公安部統計，國內高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在高速行駛時，從爆胎到失控，司機的反應控制時間只有3秒鐘左右，而且據科學分析，時速在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，爆胎事故會造成生命和財產的重大損失，危害極大[1]。

查閱文獻分析汽車爆胎的原因，主要是由于輪胎是熱的不良導體，在100℃時橡膠與簾線間的粘附強度大約降低一倍，超過121℃時，簾線的物理性能急劇下降，從而導致輪胎的脫層與爆破[2]。尤其是進入炎熱的夏季，地面溫度往往超過60-70℃，車輛持續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致輪胎溫度驟升是爆胎事故頻發的主要原因。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，都有可能導致爆胎[3]。設計一套智能檢測輪胎爆胎的預警裝置，減少或避免汽車高速行駛時由于輪胎高溫或者壓力異常導致的爆胎事故具有非常重要的實際應用價值。

2 智能輪胎爆胎監測系統的控制方案

智能輪胎爆胎監測控制系統共分水箱控制部分、輪胎壓力檢測部分和監視報警三個部分，如圖1所示。通過薄膜壓力傳感器檢測輪胎胎壓，通過溫度傳感器獲取實時輪胎溫度，同時通過無線傳輸模塊將數據傳遞至監視報警部分。當檢測輪胎壓力不正常（可能發生爆胎狀況）時，單片機會將信號在監控部分的顯示屏上顯示爆胎信息并使得蜂鳴器工作，提醒司機及時停車檢查車輛行駛狀況；當輪胎的溫度升高到一定溫度時，可以按照設定模式實現自動或者手動控制控制水箱部分的抽水泵，噴出霧狀水進行降溫；當輪胎溫度達到合適溫度時，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、水溫檢測傳感器等部分組成，其控制系統的結構如圖2所示。工作時，通過信息傳輸模塊獲得來自監視報警部分的命令，控制抽水泵的開啟和關閉。同時采用水位傳感器檢測水箱水位，并將數據上傳至監測報警系統，水位不足時提醒及時加水。噴頭采用霧狀噴頭，提高水霧揮發速度和降溫速度，同時還能夠起到防止水量過多導致輪胎打滑的問題[4]。

輪胎檢測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，旋轉時減少轉動慣量，壓力傳感器安裝與輪胎的內胎與外胎的接觸處，同時溫度傳感器安裝于輪胎外表面偏底部。工作時，壓力傳感器和溫度傳感器實時監測輪胎的溫度和壓力值，并將數據通過信息傳輸模塊傳至監測報警部分。

監視報警部分由LED顯示屏、信息傳輸模塊、按鍵電路、微處理器、蜂鳴報警器等幾部分組成。工作時，該系統能夠收到輪胎檢測部分測得的數據，并比對預置的數據，控制蜂鳴器報警獲知控制水箱閥門開合，起到調節輪胎溫度的作用。同時可以通過按鍵電路輸入預置的信息[5]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為三個部分，分別輪胎檢測、水箱控制和監測報警部分軟件設計。三個部分通過無線模塊NRF2401建立連接，形成信息采集和反饋的閉環控制。

輪胎檢測系統：首先系統初始化，打開定時器，按照設定的時間間隔采集輪胎胎壓和胎溫，按照固定的數據格式，通過無線模塊NRF2401將數據傳送至監視器。其中輪胎監測部分采用獨立電源，安裝在輪胎中心，僅用于數據采集，功耗低。

水箱控制系統實現原理如下：啟動后首先進行系統初始化，并啟動定時器，按照固定時間間隔采集水箱水位，并按照固定的數據格式，通過無線模塊NRF2401將數據傳送至監視器，防止水位過低。同時循環讀取無線模塊數據，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，否則關閉MINI水泵。

監視報警系統實現原理如下：監視報警系統可安裝在駕駛室，方便司機監控。首先進行系統初始化，循環讀取無線模塊數據，數據實時顯示在液晶屏上。如果溫度高于設定值，則在液晶屏上顯示預警信息，蜂鳴器發出報警響聲，并通過無線模塊向水箱發出控制指令，進行及時的降溫。如果胎壓超過設定值范圍，會在液晶屏上顯示報警信息，以及蜂鳴器發出警報，提醒司機進一步檢查[6]。

圖1 智能輪胎爆胎監測系統的工作原理

圖2 水箱控制系統結構圖

4 結語

通過測試實驗可以得知，該裝置能夠自動檢測輪胎溫度，對汽車輪胎進行智能降溫，減少車輛的帶水量。并且考慮到經常采用冷水對輪胎直接降溫會導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和車輛行駛過程中機器部件的自產熱，采用加熱片輔助水溫控制，用溫水降溫，盡可能減少對輪胎壽命的影響。采用高靈敏度、高精度的薄片壓力傳感器能夠精確檢測輪胎胎壓，使得爆胎的實時檢測信息更加準確，提高整個系統準確性。

總之，隨著經濟的發展，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因爆胎導致的交通事故，保障司機和車輛的安全；并且該裝置兼具爆胎預警和輪胎降溫功能，提高輪胎壽命，可以減少輪胎維修和更換的費用；裝置系統的整體和數據傳輸設計采用無線傳輸，減少排線的煩惱，系統結構簡單；整個裝置價格便宜，方便拆卸和維修，通用性強，操作簡單，便于推廣應用。進一步提高系統的穩定性，實現裝置的微型化，將系統實現產業化，推廣應用，具有良好的發展前景。