（精密仪器及机械专业论文）汽车轮胎压力监视系统（TPMS）的研究.pdf

摘要 随着社会经济和科学技术的发展，公路交通已经成为关系国民经济命脉和社 会、经济发展的重大系统，但随之而来的交通事故给人的生命安全和经济发展造 成了重大损失。爆胎是引起交通事故的主要原因，保持标准的车胎气压行驶和及 时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。汽车轮胎压力监视系统( t p m s ) 主要用于在 汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，是 驾车者、乘车人生命安全的保障预警系统。 汽车轮胎压力监视系统主要分为直接式汽车轮胎压力监视系统( p s bt p m s ) 和间接式汽车轮胎压力监视系统( w s bt p m s ) 。本文介绍了直接式t p m s 和间接 式t p m s 的工作原理，并根据直接式t p m s 的工作原理从压力传感器、单片机、 无线射频( r f ) 收发器件以及电池、显示器的设计选择方面做了详细的分析比 较，并从保证测量准确性、降低功耗和成本方面出发，提出了一套完整的基于英 飞凌公司的智能传感器和无线收发器的直接式汽车轮胎压力监视系统方案，实 现了对压力、温度的实时监测。 本文详细设计了直接式t p m s 系统的硬件电路和软件流程。硬件电路主要由 胎压测量发射部分和接收显示部分组成，其中胎压测量发射部分主要由压力温 度传感器、单片机以及无线发射芯片组成，用于测量胎压、温度并通过无线方式 发射出去；接收显示部分主要由无线接收芯片、单片机和液晶显示器组成，用于 无线接收数据并通过液晶显示出来。文中对功耗的设计做了详细的分析，分别从 软件和硬件两个方面提出了降低功耗的设计方案，通过使用唤醒方式降低了电流 消耗，延长了电池的使用寿命。设计了相应的软件编程流程图，编写了软件程序， 通过实验测试实现了对压力、温度的有效测量；对功耗作了实验，推出了系统的 使用寿命；最后对本设计方案的局限性进行了分析和总结，提出了相应的改进措 施和解决方法。 关键词：t p m s 汽车轮胎压力监视r f 单片机 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , r o a dt r a n s p o r t a t i o nh a s b e e np l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei no u rl i f e b u tt h et r a f f i ca c c i d e n t sd o ag r e a td a m a g et oo u rl i f ea n dm a k eal o tl o s st oe c o n o m y t i r eb l o w o u ti st h em a i n c a u s e t h ek e y p o i n tt oa v o i dt i r eb l o w o u ti st oh o l ds t a n d a r dp r e s s u r ea n da w a r eo f t h el e a k a g eo ft i r ei nt i m e t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) i sm a i n l yu s e dt o m o n i t o rt i r ep r e s s u r ew h i l er u n n i n ga n da l a r mt h el e a k a g ea n d l o w p r e s s u r eo ft i r e ，s o i ti sa s a f e g u a r dt od r i v e r sa n dp a s s e n g e r s t h e r ea r et w od i f f e r e n tk i n d so ft p m s ：p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m sa n d w h e e l s p e e db a s e dt p m s i nt h i st h e s i s ，t h eo p e r a t i o n a lt h e o r yo fp s bt p m sa n d w s bt p m sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 。ad e t a i ld e s c r i p t i o ni sg i v e nf r o mp r e s s u r e s e n s o r , s i n g l e - c h i pc o n t r o l l e r , r ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , b a t t e r i e sa sw e l la sl c d ， b a s e do nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dc o s t t h e naf u l lt p m s s c h e m eb a s e do nt h ep r e s s u r es e n s o ra n dr ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro fi n f m e o n t e c h n o l o g yi sg i v e na n da tl a s tt h em e a s u r e m e n to ft i r ep r e s s u r e & t e m p e r a t u r ea r e m e a s u r e dt i m e l ya n dc o r r e c t l y i nt h i st h e s i s ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h eh a r d w a r ec o n s i s t so ft w op a r t s t i r ep r e s s u r em e a s u r e m e n t & t r a n s m i t t i n gp a r ta n d r e c e i v i n g & d i s p l a yp a r t t i r ep r e s s u r em e a s u r e m e n t t r a n s m i t t i n gp a r tc o n s i s t so f p r e s s u r es e n s o r ，s i n g l e c h i pc o n t r o l l e ra n dw i f e l e s st r a n s m i t t i n g & r e c e i v i n g c o m p o n e n t s ，a n di su s e dt om e a s u r et h et i r ep r e s s u r ea n dt r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o n ； t h er e c e i v i n g & d i s p l a yp a r tc o n s i s t so fw i r e l e s sr e c e i v e r , s i n g l e c h i pc o n t r o l l e ra n d l c d ，a n di su s e dt or e c e i v ea n dd i s p l a yt h et i r ei n f o r m a t i o n t h e r ei sad e t a i ls t u d yo n p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n db yt a k i n gt h ew a k e - u pm o d et h ec u r r e n tc o n s u m p t i o ni s r e d u c e d a n dt h eb a t t e r i e sl i f e s p a ni sp r o l o n g e d t h es o f t w a r ef l o wa sw e l la st h e s o f t w a r ep r o g r a mi sg i v e n ，a n da tl a s tt h et i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea r em e a s u r e d a c c u r a t e l y ；i nt h ee n d , t h e r ei saa n a l y s ea b o u tr e s t r i c t i o no ft h es c h e m e ，a n dt h e + s o l u t i o n st os o l v et h ep r o b l e m sa l eg i v e n k e y w o r d s ：t p m s ，a u t o m o b i l e ，t i r e ，p r e s s u r e ，m o n i t o r , r f , m c u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：主3 乞宴 签字日期： 岬年7 月 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞叠盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主光扇 新躲旒形 签字日期：刀中年7 月多日签字日期：少唧年7 月厂日 第一章绪论 1 1 汽车行驶安全问题 第一章绪论 2 0 0 1 年，一则新闻进入人们的视线，美国福特汽车公司宣布，该公司计划耗 资2 1 亿美元更换福特汽车正在使用的1 3 0 0 万只存在质量问题的凡世通轮胎，生产 凡世通轮胎的普利司通公司随后宣布断绝与福特汽车公司长达9 5 年的合作关系， 老世交变成了新仇人【1 】。而美国政府部门在当年公布了统计数据，与凡世通轮胎 的胎面突然断裂有关的交通事故导致1 7 4 名美国人死亡，7 0 0 多人受伤【2 】，这些数 字引起业界和美国政府的高度关注，一时间汽配市场硝烟滚滚，轮胎安全成了当 年最热门的话题。 当汽车高速行驶时，轮胎故障是所有司机最难预料的，这也是突发事故出现 的最重要原因。公安部的相关统计显示，爆胎已经成为继酒后驾车、超速驾驶之 后的第三个道路安全杀手，在中国高速公路上发生的交通事故有7 0 是由于爆胎 引起的【3 - 4 1 。据美国汽车工程师学会最近的调查，美国每年有2 6 万交通事故是由 于轮胎气压不足造成的，另外，每年有7 5 的轮胎故障是由于轮胎漏气或充气不 足引起的【5 。根据国家公安部的通报，2 0 0 5 年我国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡，4 6 9 9 1 1 人受伤，直接经济损失达1 8 8 亿元人民币m j 。 据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时 发现车胎漏气是防止爆胎的关键。因为较低的轮胎压力将导致制动的距离增大， 每年因此而导致的交通事故高达数十万起，尽管轮胎是保障汽车性能的最重要的 因素之一，然而许多汽车驾驶员往往忽视了轮胎中的隐患。适当充气的轮胎不仅 可以增强行车安全性，还能节省燃料并延长轮胎的使用寿命p 】。 1 2 压力对轮胎使用的影响 1 轮胎压力不正常造成的经济损失 一辆汽车不论是它的自重，还是乘人或载物，其重量都要通过车体传到轮胎， 最后由轮胎肩负起全部的重担，所以轮胎是汽车的重要组成部分。它的主要作用 有以下三方面：( 1 ) 汽车上唯一与路面接触的部位；( 2 ) 与悬架共同吸收汽车行 驶中受到的冲击，以确保汽车具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性：( 3 ) 与路面 有良好的附着性，以提高汽车的牵引性、制动性和通过性( 包括汽车的起动、加 第一章绪论 速、减速、停车和转向) f 捌。可见轮胎对于整个汽车的作用巨大，但是由于轮胎 气压的不恰当，偏高或者偏低严重的缩短了轮胎的使用寿命，给汽车使用者带来 经济上的损失。 根据英国的个调查机构研究结果：由于车主对轮胎压力普遍重视不足，仅 英国每年就多浪费1 0 亿英镑，还直接增加了车祸发生的风险。这家名为a v o nt y r e s 的调查机构的研究显示，英国大约9 0 的车辆都至少有一个轮胎压力不足，低于 最佳胎压1 0 左右，加快了轮胎的老化速度，使轮胎的正常使用寿命减少了1 5 ，这就意味着车主每年为此要额外花费2 3 亿英镑来购买新轮胎【1 1 1 。同时油耗 也会增加，一辆油耗为3 0 m p g 的车如果按每年行驶1 万英里来算，那么整个英国就 会白白浪费7 9 亿英镑的燃油费用。轮胎压力不适当带来的安全问题，也同样达 到令人吃惊的地步。英国交通部的数据显示，每年因为轮胎老化、爆胎而发生严 重车祸次数高达2 6 0 0 次，占每年车祸总数的7 。 根据德国轮胎制造商大陆公司( c o n t i n e n t a l ) 的调查报告，三分之一的德国司 机驾驶的车辆的轮胎压力小于标准值约2 0 7 0 k p a ，而如果轮胎压力长期小于额 定值约2 0 k p a 、4 0 k p a 、6 0 k p a ，其使用寿命将分别会降低1 0 、2 5 、5 0 ，同 时油耗也会相应有5 1 0 、1 0 一2 0 、2 0 3 0 的增加。如果汽车轮胎压力都 满足技术规范，那么这就意味着每年仅在德国就可节省2 亿升燃油，同时也因减 少了轮胎的磨损而降低了轮胎橡胶碎沫对空气和土壤的污染。对于轿车，其轮胎 气压每下降5 0 k p a 那么他的承载能力就减少l o o k g 。当轮胎压力高于额定值2 5 时，其寿命将会降低1 5 2 0 【1 2 j 。 2 气压不足对轮胎使用性能的影响 气压不足，轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产 生压缩应力，随着胎温升高，胶料的物理性能受到破坏，导致以下影响： ( i ) 轮胎在负荷下变形加大，胎肩与地面接触部分的磨耗增大，胎面磨耗不 均，轮胎生热快，造成脱层。 ( 2 ) 轮胎碰到障碍物时，由于冲击力大，胎体帘线易断裂，致使轮胎爆破。 ( 3 ) 轮胎生热高，加速内胎损坏。 ( 4 ) 并装双胎气压过低，相邻的两胎胎侧互相挤压、摩擦而损坏。如一胎气 压过低，则加大另一胎的负荷而促使轮胎早期损坏。 ( 5 ) 外胎在轮辋上有时发生转动，易引起气门嘴脱落，而且驱动轮上的轮胎 易损坏。 ( 6 ) 轮胎滚动阻力增大，燃料消耗增加，转向性能差。 ( 7 ) 在坏路面上高速行驶，造成胎冠损伤、花纹掉块。 ( 8 ) 在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱 2 第一章绪论 离、胎里和胎体碾伤。 ( 9 ) 轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增加或移位导致 过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散。 此外，在轮胎理赔检查中发现大量使用至后期的载重轮胎发生肩空、肩裂现 象，其中大部分为低气压超负荷下肩部磨损严重所致【l 列； 需要特别强调的是，轮胎气压的损失是不可避免的，它是一个自然的过程， 随着行驶路程的增加，轮胎的气压会自动地减小。为了使轮胎气压尽量保持在额 定值，避免轮胎故障的发生，应当定时对轮胎压力进行测量以决定是否对轮胎进 行充气，以保证轮胎压力不会偏低。 图i 1 轮胎胎压过低，易导致胎肩异常磨损 3 气压过高对轮胎使用性能的影响 当轮胎气压明显高于其额定值时，轮胎变硬，刚度增大，会导致以下后果： ( 1 ) 胎体帘线所受原始应力增大，胎体强度相对下降1 4 j 。 ( 2 ) 胎冠凸出，磨耗不均匀，容易造成严重的胎冠磨损。 ( 3 ) 胎体硬，弹性差，汽车行驶时，轮胎冠部受冲击应力大，容易产生冠部 帘线损伤，严重时引起轮胎爆破。 ( 4 ) 汽车在同样的使用条件下，轮胎缓冲性能差，冲击振动大，操纵性能差， 特别是在坏路面上行驶时，轮胎容易产生机械损伤【1 5 】。 ( 5 ) 与路面接触的只是轮胎面的中部区域，轮胎与路面接触面积明显减少， 这将使紧急刹车距离增加，弯道行驶稳定性减小。 ( 6 ) 轮胎胎面中部承受的压力增高，磨损加剧，又因此时轮胎刚度增大。起 不到应有的缓冲作用，导致轮胎使用寿命缩短，汽车乘坐舒适性变坏。 ( 7 ) 轮胎刚度增大，导致轮胎与路面之间的动载荷变化范围也增大，这意味 着轮胎与路面之间的最小正压力减小，从而降低车轮的地面附着性指数，影响汽 车的行驶安全性【1 引。 3 第一章绪论 下面图1 2 、1 3 所示为胎压过高和正常状态下轮胎示意图。 图1 2 轮胎胎缝过高图1 3 轮胎胎压正常 4 气压对轮胎行驶里程及油耗的影响 气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程。气压过低，轮胎变形为外张内缩， 导致生热增加，加速橡胶老化、，疲劳，出现脱层现象等；气压过高，轮胎接地面 积小，磨耗量增大。内压低于标准气压对轮胎行驶里程的影响见表1 一l 。 表1 1 ：气压对轮胎行驶里程的影响【1 7 】单位是 气压1 0 09 59 08 58 07 57 06 56 05 5 5 0 行驶里程1 0 09 78 88 07 06 05 04 03 33 0 2 7 注：标准气压及标准气压下的行驶里程为1 0 0 从上面的数据可以看出来，轮胎行驶里程随着轮胎气压的不足而逐渐减少， 在轮胎压力比标准轮胎压力减少2 0 时，轮胎行驶里程比标准胎压下轮胎行驶里 程要减少3 0 ，在轮胎气压比标准轮胎气压减少3 0 时，轮胎行驶里程减少为标 准胎压下行驶里程的一半。当汽车轮胎气压高于标准胎压时，由于轮胎跟地面的 接触面减少，导致轮胎胎冠磨损严重，进而导致轮胎过早坏掉，也严重影响轮胎 的行驶里程。 气压不足不但影响汽车轮胎的使用寿命，同时还会影响到汽车的使用油耗， 给使用者带来不必要的经济负担，所以一定要使汽车在规定的轮胎标准气压状态 下行驶，减少油耗，减轻汽车使用的经济负担。 下表1 - 2 是轮胎气压不足对汽车使用油耗的影响。 表卜2 气压不足对使用油耗的影响 l 气压2 0 k l h 不足 气压4 0 k p a 不足 气压6 0 k p a 不足 l 燃汕费燃油费增加5 0 o - 1 0 燃油费增加1 0 , - - 2 0 燃油费增加2 0 - 3 0 从表1 - 2 可以看出，当轮胎气压低于标准轮胎气压2 0 k l ： a 时，汽车燃油费增加 4 第一章绪论 5 。1 0 ，当轮胎气压低于标准轮胎气压4 0 k p a 时，汽车燃油费增) j f l l o o 旷2 0 ， 当轮胎气压低于标准轮胎气压6 0 k p a 时，汽车燃油费增加2 0 0 旷3 0 。所以一定要 保持轮胎气压为标准胎压，这样才能减少不必要的油耗。 由表1 - 1 和表卜2 可以看出，轮胎气压不足不但会造成轮胎使用寿命的严重缩 短，同时还会使汽车使用油耗增加。所以，一定要使汽车在标准的胎压情况下行 驶，这样不仅可以减少轮胎磨损，增加轮胎寿命以及行驶里程，同时还可以减少 油耗，减轻汽车使用的经济负担，更重要的是可以减少由于轮胎压力不正常造成 的事故发生，减少生命和财产的损失。 1 3t p m s 概述 1 3 1t p m s 的由来 轮胎压力监视系统简称t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) ，又称轮胎失 压预警装置或者轮胎泄气报警装置。主要用于自动、实时监测汽车在行驶过程中 轮胎气压的状态，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、 乘车人的生命安全保障预警系统。当车辆在高速公路上行驶时，轮胎压力不足是 最难预测的，也最有可能导致一些致命的突发交通事故。怎样防止爆胎己成为安 全驾驶的一个重要课题，据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发 现车胎漏气是防止爆胎的关键。而t p m s 毫无疑问将是最理想的工具【1 引。 一 2 0 0 0 年1 1 月1 日，美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提 案( t r e a d 法案) 【i 9 1 ，要求2 0 0 3 年1 1 月至s j 2 0 0 6 年l o 月3 1 日期间美国新出厂的轻型 汽车逐步引入t p m s ( 轮胎气压监测系统) 。回应t r e a d 法案，美国公路交通安全 局( n t h t s a ) 要求至u 2 0 0 7 年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系 统，并提出了汽车生产商的执行时间表：美国市场出售的汽车，2 0 0 4 年占1 0 ， 2 0 0 5 年占3 5 ，2 0 0 6 年占6 5 ，2 0 0 7 年将达10 0 。 根据我国各地安全交通管理部门的资料统计，高速公路4 6 的交通事故是由 于轮胎发生故障引起的，其中爆胎一项就占事故总量的7 0 【2 0 1 。由此可见，防止 爆胎对于汽车安全行驶的重要性。 中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加 速增长的趋势，汽车保有量己突破2 6 0 0 万辆，年销售汽车将突破6 0 0 万辆，未来5 年将成为仅次于美国的全球第二大汽车销售国 2 1 - 2 3 1 。汽车安全产品将成为中国生 机勃勃的新兴市场热点。其中，仅t p m s 技术产品2 0 0 5 年底的市场容量就达2 0 万 套，近7 亿元人民币：2 0 0 6 达n 5 0 万套，近1 7 亿元【2 4 1 。纵观国际国内市场不难看 出，t p m s 的市场容量是巨大的，尤其国内市场，几近空白，在这样的市场需求 5 第一章绪论 背景下，开发研究节能省电、灵敏度高、可靠性好的t p m s 无疑具有十分重要的 现实意义和经济意义。 1 3 。2t p m s 的功能 t p m s 主要有以下几项功能： ( 1 ) 事前主动型安保 汽车现有安全措施，如a b s 、e d s 、e p s 、安全气囊等，均是“事后被动” 型安保，即在事故发生后才起到保护人身安全的作用【2 5 1 。而t p m s 属于“事前主 动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾驶员可立即采取措施，将事 故消灭在萌芽状态，保护乘车人员的生命和经济财产。 ( 2 ) 延长轮胎使用寿命 统计表明【2 6 】：轮胎气压不足行驶，车轮气压比正常值下降2 5 ，轮胎寿命减 少3 0 。如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，轮胎磨损加快，一般认为提高气 压2 5 ，轮胎寿命将会降低1 5 - 2 0 。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形 越大( 一般温度不能超过8 0 度，当温度达到9 5 度时，轮胎的情况非常危险) ，每 升高l 度，轮胎磨损就增加2 。t m p s 系统可以实时监测每个轮胎的动态瞬时气 压，当轮胎气压出现异常时能及时自动报警，从而减少车胎的损毁，延长轮胎使 用寿命。 ( 3 ) 减少燃油消耗，利于环保 实验显示，轮胎气压低于标准气压值3 0 ，油耗将上升1 0 。油耗上升不仅 增加车辆运行费用，而且增加废气排放，对环境的污染加大。车辆安装了t p m s 系统，就能及时发现车胎气压异常，有效避免上述现象的发生，不仅降低油耗， 而且还可减轻对环境的污染。 ( 4 ) 避免车辆部件不正常的磨损 若汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘、及悬挂系统 将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系 统的磨损【2 7 之8 1 。如果安装了t p m s 系统，可以使轮胎保持在标准的胎压下行驶， 有效地避免上述现象的发生。 。 1 3 3t p m s 的分类 当前市场上的t p m s 产品主要有二类：直接式t p m s 和间接式t p m s 。直接 式t p m s 是依靠安装在轮胎内的压力和温度传感器直接测量轮胎内的压力、温度 数据并以无线电波方式传送到无线接收器上，再由驾驶室安装的显示器显示，使 6 第一章绪论 驾车者能随时知道轮胎的压力和温度变化情况。而间接式t p m s 没有压力传感 器，在轮胎压力、温度的测量过程中，压力、温度并非由传感器直接测量得到， 而是依靠其他的元器件或者装置间接得到。 1 间接式t p m s 间接式t p m s ( w h e e l s p e e db a s e dt p m s ，简称w s bt p m s ) i 作原理的本质 在于：在轮胎压力监测的过程中压力信号由轮胎至车体是非接触性传输或者气压 值并非由传感器直接给出，而是通过非接触方式由其他元器件或装置测得气压信 号，通过计算处理得到汽车轮胎的压力的一种胎压监测方式。 间接式t p m s 可以通过汽车a b s 系统的轮速传感器来比较车轮之问的转速差 别，以达到监视胎压的目的。工作的基本原理是【2 9 ：由于压力流失，轮胎的有效 半径会变小。这样当前进速度相同时，气压不足的轮胎的转速要高于正常充气轮 胎的转速。这个现象可以通过a b s 中的轮速传感器来捕获，并在a b s 控制单元中 实现对这个信号分析的算法。然后通过显示单元显示压力数据，驾驶员就可以得 到相应的报警灯或报警声提示。 间接式t p m s 的结构简图如下图1 - 4 所示。 a b sa b s 速度 卜、 控制 卜、 显示 报警 传感器单元 图卜4 间接式t p m s 的结构简图 ( 1 ) 算法【3 0 】 这个算法的核心是如下轮速率方程式 。一打= 二- 上 ( - o p r l 式中，缈：轮胎转速；f r ：前后；r l ：左右。 根据汽车运动学 o j = 兰姐1 一灶o s l f l 式中，：轮胎在汽车前进方向上的速度；：轮胎的有效转动半径； 嘞：轮胎的转动滑动系数：滑动角度。 假设滑动角度很小( c o s a f l 1 ) ，且同一轴上的轮胎滑动角度相等，滑动系 数相等，假设各轮胎转速相等，所以这个轮速率表达式就可反映各轮胎有效半径 的关系，从而反映各轮胎压力的关系 刀：垒生：纽鱼：鱼 j ( - o f r 旺r n j r r r 7 第一章绪论 ( 2 ) 测量范围 由上式可见，当轮速率不为l 时，轮胎就出现如下问题【3 1 】：( 1 ) 只有1 个轮 胎漏气；( 2 ) 有3 个轮胎漏气；( 3 ) 2 个对角位置的轮胎漏气。但这种方法不能 监测出如下的情况：( 1 ) 同轴的2 个轮胎漏气；( 2 ) 同侧的2 个轮胎漏气：( 3 ) 4 个轮胎同时漏气；( 4 ) 速度超过1 0 0 公里，j 、时的情况 2 直接式t p m s 直接式t p m s ( p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ，简称：p s bt p m s ) ，工作原理的 本质在于它是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接测量 轮胎的压力和温度，并对各轮胎气压进行显示及监控【3 2 1 。它的优点是在轮胎压力 过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向车载无线接收器报警， 有效防止爆胎；可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有 要求。缺点在于无线电波容易受到干扰，测量发射模块需要的电池存在使用寿命 短的问题。 下图卜5 是直接式t p m s 的结构框图。 压 数无 无 由 显i 力 据线线央不 传 处发接h处 报 感 理 射收 一 理 墼 苴 单单 单装 器 7 6兀 兀兀置 图1 - 5 直接式t p m s 的结构框图 根据传感器安装不同将t p m s 分为内置式t p m s 和外置式t p m s 。内置式 t p m s 是将压力传感器和信号发射部分直接固定在轮胎内部轮辋上，主要用于真 空胎，需根据各厂商的不同车型或轮胎胎压要求进行订制，可解决汽车厂商一体 化要求【3 7 1 。外置式t p m s 安装在气门嘴外部，安装简单，适用于各种轮胎，但安 装后需对轮胎的平衡性等指标进行调校，以达到安全目的。 目前，许多欧洲的汽车厂商已将p s bt p m s 配装于自己的车型之中【3 3 1 ，其中 包括德国宝马的z 8 、法国雪铁龙的c 5 、林肯大陆、克莱斯勒等。 3 基于s a w 的无源t p m s 基于s a w 的无源t p m s 仍然属于直接式t p m s ，但是它与一般的直接式t p m s 的区别在于该系统在胎压测量发射模块不需要电池，因此将它作为一种特殊的系 统列出来进行介绍。 表面声波【3 卅( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 是由英国物理学家瑞利在1 8 8 5 年 发现的，沿物体表面传播的一种弹性波，称为表面声波，并以波动数学理论证明 8 第一章绪论 其现象，故表面声波亦称为瑞利波。 由于s a w 组件可由不同的电极结构设计来产生不同的频率响应，故此后的 3 0 年，s a w 组件被广泛的运用在各类通讯领域的振荡器、谐振器及滤波器等电 路中。另外一方面，s a w 在感测技术的发展上，也具有相当的潜力，因为s a w 组件的敏感度高，当晶体受到扰动影响，所产生的频率漂移都在数百k h z 间，利 用目前的量测仪器，可精确侦测到1 h z 的微小变化量。m e l e x i s 的t p m s 方案1 3 引， 正是利用了s a w 的这些特性。它们的方案是在每个轮胎内放置3 个s a w ，然后 发射机发射r f 信号给这些s a w ，由于轮胎内的压力或温度都有变化，所以s a w 发射回的信号频率就有了变化，天线接收到变化的r f 信号后，再送到d s p 进行处 理，根据特定的算法就可以知道轮胎内的压力、温度情况。由于s a w 是无源器 件，所以无需电池供电。目前t r a n s e n s et e c h n o l o g i e s 公司、e p c o s 公司等都提供这 种元件。 4 三种形式t p m s 的比较 间接式t p m s 的优点是只要具备a b s 系统，就可以增加t p m s 的功能，另外 所需的只是软件，因此成本比较低。但是问接式t p m s 不能处理以下几种情况： 同轴两轮胎、同侧两轮胎以及四个轮胎全部漏气时；同时间接式t p m s 监测能力 还与汽车负载有关系，一般负载越大监测效果越好；受速度影响较大，一般不能 超过1 0 0 k m h ；不能对温度进行测量，轮胎重新安装或者t p m s 复位后，t p m s 传 感器标定比较麻烦。 相比于间接式t p m s ，直接式t p m s 有着很多优点，如能在任意瞬时监n - n 4 个轮胎内的温度和压力大小，可以根据测量到的压力数据对轮胎进行随时的充 放气，使轮胎气压保持在规定的标准胎压下，减少轮胎磨损，延长轮胎使用寿命， 并减少油耗，同时直接式t p m s 测量精度和准确度都要比间接式的要高。但它也 存在一些弊端，比如，安装在4 个轮胎内压力、温度传感器，信号处理和发射模 块会打破原先的动平衡，而且成本比较高，在恶劣潮湿的环境下，轮胎内的电池 会出现漏电现象，使得系统使用年限缩短。 基于s a w 的无源t p m s 主要优点是传感器部分不需要电池供电，而且质量较 小，目前已经开发出的实验传感器只有5 9 左右，同时可在高低温等恶劣环境下工 作。s a w 型传感器基本工作原理是在轮胎的表面嵌入薄石英片，通过石英压电 晶体将压力信号转化为相应的响应频率信号，并在询问频率的诱发下，返回响应 频率，从而测量行使中汽车轮胎的压力和温度等。 综上所述，由于直接式t p m s 的技术相对比较成熟，并且市场上已经开发出 了相应的产品，加上其监测的实时性及准确性都比较高，所以在以后相当一段时 间内，市场占有率将会处于绝对的领先地位，但是由于基于s a w 的无源t p m s 9 第一章绪论 不需要电池，所以不会受到电池使用寿命的影响，将是以后研究的重点。 1 3 4t p m s 发展状况 由于国外立法较早，所以开发生产的t p m s 较为成熟，主要生产商有加拿大 斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等【3 ”。 迄今为止，国外已有许多车型装配了t p m s ，从2 0 0 2 年以后发布的世界新车资料 中可以看到，美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒一克莱斯勒公司等知名汽车厂商 在多种新车中都预装了t p m s ，许多欧洲的汽车厂商也己将t p m s 配装于其高档 车型，包括宝马公司的z 8 、欧宝公司2 0 0 2 年版威达、旁蒂亚克的旗舰产品b o n n e v i l l es e 等【3 6 1 。 在中国，t p m s 刚刚起步。早在2 0 0 3 年1 1 月2 4 日颁布的中华人民共和国国家 标准机动车运行安全技术条件( 征求意见稿) 【3 9 】中，也对安装轮胎压力监 测装置作出了说明：“车长大于6 米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于 1 2 吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应 安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第2 5 个月开始对新注册车实 施”。 由于目前国家没有强制性规定必须安装t p m s 装置，而载货汽车的所有权大 多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装t p m s 装置费用高昂，一般货运公 司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市 路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，也引不起私家车主足够重视。 但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性t p m s 安装规定，尤其大型载货汽车， 安装t p m s 是非常必要的。目前中国胎压监测系统市场还处于产品完善和市场起 步阶段，整套系统价格还比较高，而且产业化配套的市场也没有大规模启动。现 在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的t p m s 系统，上海和重庆及广东等 地有几家公司开始投入生产并销售t p m s ，主要生产商有上海泰好电子科技有限 公司、棋港电子有限公司、佛山市朗杰电子科技有限公司、深圳市瑞电通信电子 有限公司等。市场主要集中在后装市场，不过其价格决定其市场规模很小。而且， t p m s 零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品，大多数厂家只是买来飞思 卡尔、英飞凌、通用的零组件组装起来做成成品，缺乏核心技术。最近，浙江大 学、吉林大学、北京理工大学、江苏大学等高校都有学者对t p m s 相关技术进行 理论研究p ”。 t p m s 的大规模应用基本上是在美国修改的联邦运输法实施以后，但因为具 有深厚的技术积累，加以法律提出的时间的紧迫性，使得t p m s 发展迅速，其发 展主要可分为以下几个阶段： 1 0 第一章绪论 第一代产品是通用汽车公司开始使用的间接式t p m s 。这种产品成本低，但 是因为监测结果不精确，对车速有限制等原因，将会逐渐被直接式t p m s 取代。 第二代产品于2 0 0 0 年5 月在美国上市，属于直接式t p m s ，基于嵌入式传 感器和r f 单向t r a n s m i t t e r r e c e i v e r 系统。它刚出现时在几款汽车上作为可选部件， 最近成为市场的主宰。 传感器是整个直接式t p m s 的核心，它不仅决定了整个系统的测量精度，同 时也决定了系统的功能、功耗等。基于所用传感器功能不同，第二代产品的发展 又可以分成以下两个阶段： l - 基本实现阶段( 初级阶段) 。此阶段的t p m s 的传感器只集成了压力与温度 传感器，以及电源管理和补偿电路，它可以实现t p m s 的基本功能，但是其温度 与压力监测电路一直工作而不论汽车停止与否，很多能量浪费在车子静止阶段， 因此功耗很大，不能有效地延长t p m s 系统电池的寿命，总体上使用成本很高。 这个阶段的典型传感器是f r e e s c a l e 的m p x y 8 0 2 0 系列。基于此传感器的方案比 较成熟，目前市面上可见的t p m s 大都使用这类传感器。 2 按需使用阶段。此阶段的传感器除了集成基本实现阶段时的一些功能模块 外，还增加了加速度传感器和低频唤醒功能。加速度传感器和低频唤醒功能都能 够使t p m s 系统只在汽车运行期间工作，从而避免了静车时的能量浪费，延长了 电池使用时间。基于成本考虑可以只使用其中的加速度传感器，但是t p m s 系统 的操作性会差些，因为有些用户要求在任何需要的时候监测轮胎压力，而加速度 传感器只有在汽车运行时间才能运行。为了满足各种用户的多方面的需求，可以 使用低频唤醒功能，但是这会增加系统成本，因为这必须在中央控制室增加低频 发射芯片，从而使t p m s 从u h f 单向传输升级到了双向传输。同时集成加速度 传感器和低频唤醒功能的这种配置可以使产品设计具有更大的自由度。此阶段国 外成熟的产品正陆续推出，典型的芯片是i n f m e o n 的s p l 2 和g e 的n p x u 。 未来的t p m s 模块将向高度集成化、单一化、无源化方向发展。高集成度芯 片可以降低功耗，提高系统的可靠性，并且具有良好的经济性。目前己经有了如 g e 的n p x i i 那样的将所需测试各物理量的传感器与m c u 合二为一的智能传感 器模块，在未来几年内还会开发出包含r f 发射芯片三合一的模块，包含利用运 动的机械能自供电的四合一的模块( 例如g e 准备推出的n p x i i i ) 。上海交大正在 开发基于s a w 技术的无线、无源t p m s 新方案，目前己有初样。这将是现有t p m s 技术的新的技术革命，不仅实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，而且将拥 有中国人自主的知识产权。 其他形式的t p m s 也在蓬勃发展。米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已 开发出可在轮胎制造的成形工序中将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎 第一章绪论 壁内的模块，它在轮胎的整个寿命期间( 一般为卜7 年) 发挥作用：作为信号接收 装置做成如手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后 随身携带。基于r f i d 的t p m s 新方案也在设计之中，美国固特异轮胎橡胶公司 和德国西门子v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一种纽扣电池般大小的带 r f i d 卡的传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发 射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能。 1 4 本文的意义, n - r 作 1 4 1 本文的意义 汽车作为当今以及以后最主要的交通和运输工具，在日常生活与社会发展各 方面的作用越来越突出，对于社会经济的发展以及人们社会生活的重要性越来越 大。随着汽车拥有量的不断增大，汽车交通事故越来越多，严重影响了人们的生 命财产安全，如何解决汽车安全行驶问题，对于减少人们生命财产损失以及提高 汽车运输的发展都具有非常重要的意义。 本文的意义主要体现在以下几个方面：( 1 ) 安全方面：t p m s 可以及时发 现轮胎气压问题，指导驾驶员进行冲放气，避免车祸的发生，保障行车安全；( 2 ) 用户方面：给用户带来有效、方便、快捷的胎压监测方法，使用户可以坐在驾驶 室里面就可以随时获得轮胎的气压信息；( 3 ) 经济方面：t p m s 可以提醒驾驶 员经常保持轮胎气压处于标准状态，不仅可以延长轮胎的使用寿命，还可以减少 油耗，节约能源，减少行车费用，同时减轻汽车废气对环境的污染；( 4 ) 社会 效益方面：t p m s 系统可以很好的保障行车安全，将来会越来越多的被汽车生产 厂家以及车主采用，社会需求也会越来越大，经济效益也会随之增加。 随着中国加入w t o ，中国与外国之问的汽车贸易量也会越来越大，国外一 些国家，如美国已经立法将t p m s 作为汽车的标准配置，中国汽车想要出口到这 些国家也许要遵守规定装备t p m s ，随着t p m s 成本的进一步降低，t p m s 在汽 车市场上的拥有量将会越来越大，特别是中国t p m s 刚刚起步，市场前景将会非 常的庞大。本课题正是顺应市场需求，在研究了当前主要开发系统的基础上设计 实现的。 1 4 2 本文的工作 ( 1 ) 研究了汽车行驶安全问题，研究了压力不足以及过高对轮胎使用性能、 使用寿命、汽车油耗以及环境造成的影响，探讨了t p m s 产生的背景原因、功能 1 2 第一章绪论 作用、分类以及国内外t p m s 的发展状况。 ( 2 ) 设计了t p m s 系统总体结构方案以及胎压测量发射模块和接收显示模 块结构，对t p m s 系统的总体安装和胎压测量发射模块的安装进行了设计，根据 实际情况对t p m s 系统提出了设计要求。 ( 3 ) 详细设计了系统硬件接口电路以及软件编程流程。详细设计了胎压测 量发射模块硬件电路，设计了单片机与传感器s p l 2 以及无线发射器t d a 5 1 0 1 之间的接口电路，编写了相应的数据编码格式以及传输格式，编写了软件流程图 以及控制软件程序，实现了对轮胎压力的实时测量、无线发射；研究了小环天线 特性，设计了用于无线发射的t p m s 小环天线，增