汽車智能輪胎異物檢測系統設計

摘 要：以汽車輪胎異物檢測為目標，介紹了金屬異物和非金屬檢測原理，以電渦流傳感器和電容傳感器為基本檢測元件，通過電渦流感應的變化實現金屬異物檢測，同時依靠電容傳量的變化來實現非金屬異物的檢測。為此，設計了一種汽車智能輪胎異物檢測系統，系統由探測器中的各類傳感器（渦流傳感器探頭、電容式接近傳開關）進行數據采集，將采集的數據傳入單片機，控制器對數據進行系統分析處理，當輪胎卡入石子或金屬時，控制器對其預測、采集數據，綜合計算分析與控制器存儲數據進行對比，并控制警器報警。

關鍵詞：汽車輪胎;金屬異物;非金屬異物;探測原理;檢測

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.18.086

0 前言

隨著科技的進步和經濟的發展，我國汽車保有量的急速增加，汽車成為日常工作、旅行、學習等現代生活不可缺少的代步工具，汽車在給人民出行帶來便捷的同時，其造成的交通事故更是給人們帶來嚴重的安全威脅。輪胎作為汽車主要部件在行駛安全中起著極為重要的作用。汽車在行駛中，一旦發生爆胎現象很容易引起車輛轉向失控，引發嚴重交通事故。據交通部門統計，2018年我國40%的高速公路交通事故是由輪胎發生故障引起的，而爆胎引發的事故占了70%以上。究其根本原因是在事故發生前，螺釘、鐵屑、石子等異物刺入或卡入輪胎，構成了爆胎的潛在隱患;當輪胎高速運轉或負荷交變時，異物輕易刺破輪胎，造成突發漏氣或爆胎的現象。

目前現有的汽車胎壓監測系統，其原理主要是依靠裝在輪胎內部的電子傳感器監測輪胎氣壓和溫度，只有當輪胎溫度較高或輪胎壓力不足時，蜂鳴器才發出報警信號，是一種被動的防御系統。因此駕駛員不能及時對爆胎事故做出反應。其次，該裝置的安裝條件、工作環境要求均較高，不能從根本上應用在汽車輪胎異物檢測中。

所以本文目的為了預防車輪爆胎，在胎壓報警裝置發揮作用之前，設計一種智能輪胎異物檢測裝置，以汽車輪胎異物檢測為目標，介紹了金屬異物和非金屬檢測原理，以電渦流傳感器和電容傳感器為基本檢測元件，通過感應電渦流和電容量變化實現異物檢測，及時消除汽車爆胎的隱患 、有效保障安全行車。

1 異物探測原理

本文以汽車輪胎石子和金屬異物探測為目標，依靠電渦流傳感器、電容式接近傳開關探頭采集信號，采用飛思卡爾單片機處理信號，控制蜂鳴器，而當車輛轉彎時，車輪轉角傳感器的信號傳給單片機，控制蜂鳴器不報警，以防止誤報警，本質上通過電容容量變化、電渦流的感應實現對石子等非金屬、金屬異物檢測。設計這種石子等非金屬和金屬異物探測器，及時消除汽車爆胎的隱患、有效保障行車安全。

1.1 金屬檢測原理

金屬異物探測采用電渦流傳感器探頭，如圖1所示為電渦流探測傳感線圈的工作原理，如果給探測傳感線圈施加正弦交變電流I1，其角頻率為ω，則線圈在軸向會產生同頻率的交變磁場H1。如果此時有金屬異物存在交變磁場中，則金屬異物中會產生感應電流I2，同時會產生交變磁場H2，等效電路如圖2所示。

根據基爾霍夫定律可寫出方程：

R1I1·+jωML1I1·-jωMI2·=U·

R2I2·+jωML2I2·-jωMI1·=0（1）

解2的方程式可得：

I1·=U·R1+ω2M2R22+（ωL2）2+jωL1-L2ω2M2R22+（ωL2）2（2）

當探測傳感器的附近有金屬時，電流I1·就會發生變化，對其電流進行分析處理就能檢測金屬異物的存在。

1.2 非金屬探測

由電容的基本知識可知，忽略邊緣效應，電容傳感器的電容量C的表達式為：

C=ε0εSδ（3）

式中，ε0、ε分別是介電常數、相對介電系數;S為電容器對應面積;δ為電容器和異物的距離。

當δ、S或ε任一參數發生變化時，將會引起電容量的變化。如果保持S、ε參數都不改變，僅改變距離δ，就可轉變為非金屬異物檢測電容器的容量變化，再通過測量電路運算，將最終電容量的變化轉換為電信號輸出，電容傳感器基本的結構原理如圖3所示。

隨著齒輪轉動，電容量發生周期性變化，通過測量電路運算處理后輸出脈沖信號，則頻率計計算出齒輪轉速的大小。

2 異物檢測系統的設計

該裝置主要有電渦流傳感器、電容式接近傳感器、轉角傳感器、PIC16F877單片機、探頭保護罩殼、報警器、LCD報警指示燈、車載網絡數據線、安裝支架等組成。該系統由探測器中的各類傳感器（渦流傳感器探頭、電容式接近傳開關）進行數據采集，將采集的數據傳入控制器（飛思卡爾單片），控制器對數據進行系統分析處理，當輪胎卡入石子或金屬時，控制器對其預測、采集數據，綜合計算分析與控制器存儲數據進行對比，并控制警器報警，系統結構原理如圖4所示。

該裝置固定在車輪上方車架上，傳感器有外殼保護，傳感器探頭及其控制電路固定于車輪上方合適位置，使探頭朝向車輪流水槽，設定正常狀態下的探頭與車輪頂部的距離值，并將距離為主要參數，通過軟件編程，設定蜂鳴器發出警報的條件。若有異物位于輪胎上時，探測器產生反常信號，控制器控制蜂鳴器發出報警以提醒駕駛員車輪有異物存在，駕駛員則可以及時處理。

2.1 信號接收、信息的采集與傳遞

電渦流傳感器、電容接近開關對輪胎石子和金屬異物進行檢測，把信號傳輸給控制器，由控制器判斷是否發出報警。當車輪轉向時，轉向輪轉角傳感器把信號傳給控制器，以防止控制器進行誤報警。

2.2 信息傳輸

輪胎異物檢測控制器依靠LIN線接受車輪轉角傳感器信號，實現數據的共享和傳輸。控制器可以通過CAN網絡與儀表控制單元進行數據交換，未來可以實現儀表板指示燈報警等。

2.3 中央處理器（控制器）

控制器數據設定包括傳感器閾值設定、轉向角度設定。控制器通過傳感器傳回的數據與設定閾值對比做出相應計算并回應，若輪胎卡石子或金屬異物時，控制器通過存儲的數據與現時狀況數據綜合分析得出信息并迅速有效地將其反饋到顯示終端，其基本組成數據模塊如圖5所示。

2.4 數據處理

傳感器的數據傳到控制器，控制器將通過所得數據和已設定數據計算輸出信號，并傳給顯示終端，同時控制蜂鳴器報警。

2.5 中央處理器總輸出

中央處理器顯示器在正常狀態下檢測數據，當出現以下情況時做出相應操作：

（1）單一傳感器數據低于閾值失效，顯示該傳感器位置。

（2）單一傳感器數據高于閾值時，發出報警信號。

2.6 顯示終端智能化

示終端采用蜂鳴器報警，可以共用倒車雷達蜂鳴器，正常狀態處于休眠狀態，當收到中央控制器信號時喚醒控制此系統中的單片機，控制報警器進行報警。

3 結論

本文設計的金異物探測器有效地降低了硬件系統的復雜度，提高了探測的準確性。本系統以預防爆胎為基本設計要求，與現有的設備相結合，用傳感器、單片機及報警器來串聯整個系統，最終完成了“汽車輪胎異物智能檢測”的設計;此外，系統中的控制器經過數據采集、分析及評測可以快速準確地做出相關反應，并實現報警。

參考文獻

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