汽车胎压监测与自动加.doc

汽车胎压监测与自动加汽车胎压监测与自动加 气装置设计气装置设计 机械与车辆学院 车辆工程 黄耀飞080403031036 学 院： 专 业： 姓 名： 指导老师： 宋长森 苑士华 学 号： 职 称： 讲师 教授 中国珠海 二一二年四月 毕业设计诚信承诺书毕业设计诚信承诺书 本人郑重承诺：本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计（论文）汽车胎压 监测与自动加气装置是在指导教师的指导下，独立开展研究 取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列 出其参考文献，设计（论文）使用的数据真实可靠。 本人签名： 日期： 年 月 日 汽车胎压监测与自动加气装置设计汽车胎压监测与自动加气装置设计 摘摘 要要 随着汽车行业的飞速发展，汽车市场的不断升温，与之相关的电子技术也 得到时了迅速发展及广泛应用汽车技术的成熟使得汽车销售及使用不断壮大， 现代汽车的行驶速度也随着路况的提高，汽车性能的提高而不断提升。而由于 突发性道路交通事故的频繁发生，人们对汽车安全的关注度也日益提高。 在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶人员最为担心和最难预防的， 也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故 有 70%80%是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为汽车安全的第一大重要 课题。 权威的研究结果表明，保持标准的轮胎气压和及时发现轮胎故障是防止爆 胎的关键，这就使对轮胎充气压力实行监测显得非常重要。 本文设计了一种汽车轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System） TPMS 及气压调节系统的结合使用，该系统能够对轮胎的参数进行实时监测， 当发轮胎压力参数异常时，及时采取报警措施并进行实时的汽压调节，从而避 免交通事故的发生。论文在对当前存在的各种 TPMS 系统结构形式进行分析和 比较后,选用一种现行直接式 TPMS 结合气压调节系统，实现轮胎压力实时的监 测和调节的一种新型系统。提出一种基于直接式 TPMS 系统的，引入调节功能 的新型设计。设计本身解决原有直接式 TPMS 的电池供电影响系统寿命的瓶颈， 保证了监测系统的的稳定性。气压调节系统将解决汽车轮胎压力偏差的问题， 在监测到气压偏高或者偏低时，对驾驶人员作出警报提醒并实时启动气压调节 系统进行胎压调节，在数他钟内调节气压到标准值，保证行驶的畅顺。 本文对系统的电源部分，气压调节部分进行了分析设计，解决系统供电， 信号采集，信号处理及执行调节，RF/LF 通信通等关键技术问题。对硬件进行 测试。结果表明，该系统切实可行，成本，通信距离及可靠性方面均达到没计 指标。 关键词：关键词：轮胎压力监测；爆胎；气压调节；电源 The design of Tire Pressure Monitoring and Conditioning System Abstract As the vehicle industry heats up recent years ,the correlative electronic technology has been fully developed and widely utilized .While sudden traffic accidents happen more frequently, the vehicle-safety becomes more notable. When vehicles move at a high speed, the tire fault is a hidden danger and hard to prevent , thus it is the major cause of sudden traffic accidents .As statistics show ,70%-80%of the traffic accidents which happened in superhighway are caused by tire blow-out. How to prevent a tire blow-out has become a key issue in vehicle safety field. As authoritative research indicates, the key to prevent a tire blow-out is maintaining standard tire pressure and detecting tire fault beforehand .Thus ,tire pressure monitoring becomes meaningful and important. The vehicle Tire Pressure Monitoring and Conditioning System is designed in the paper. The system monitors tire parameters real-time ,and alarms when detecting parameter exception , thus help the driver avoid traffic accidents at the same time ,the conditioning system works and then make sure tire pressure in the right situation. After analyzing and comparing various TPMSstructures applied curently,the paper proposes a new structure.It bases on direct TPMS and add the conditioning system into .That isthe new Tire Preesure Monitoring and Conditioning System .The paper also solves the power of the system with the electromagetic,ensure the tire pressure monitoring and conditioning system work smoothly.The tire pressure conditioning system can control the air pressure inside tire, the monitoring system will tell the diver about tires pressure and then give the information to the conditioning unit give air out or in to keep the right tire pressure. Keep the diving safe and smooth. Each part of system has analysed and designed in the paper . The crucial technical problems, such as signal collection, RF/LF communication , and information processing has been solved. The hard and software has been debugged. The experimental results suggest that the system reaches design target in power consumption , communication distance and reliability. Key Words: TPMS ; tire blow-out; pressure conditioning; power 目目 录录 1 前言.6 1.1 课题背景 .6 1.1.1 汽车安全被广泛关注 .6 1.1.2TPMS 在国内外的发展状况，及发展方向 .7 2 设计本论 .9 2.1.1 TPMS 系统 .10 2.1.2 汽车爆胎原因.11 2.1.3 TPMS 系统的分类和结构 .12 2.2.1 直接式 TPMS 系统 .14 2.3.1 系统的主要指标 .16 2.3.2 系统功能 .17 2.3.3 系统的技术参数 .17 2.5.1 供电原理 .18 2.6.1 感应电流产生的条件 .21 2.6.2 感应电动势的确定 .21 2.6.3 励磁调节器的工作原理 .23 2.6.4 整流部分 .24 2.6.5 电路图和工作原理 .24 2.6.6 参数选择 .27 2.7.1 设计思路 .28 2.7.2 设计要求 .28 2.7.3 总体设计流程 .28 2.8.1 气压检测 .32 2.8.2 方案选择 .32 2.8.3 电路设计与分析 .33 2.9.1 A/D 模块软件设计 .35 2.9.2 D/A 模块软件设计 .37 2.10LCD1602 显示模块的设计 .38 2.10.1 方案选择 .38 2.10.2 电路设计与分析 .38 2.11 软件设计.40 2.12 键盘模块的设计 .41 2.13 键盘模块的软件设计.43 3.总结.44 参考文献.46 谢谢 辞辞.47 1 1 前言前言 自从人类文明进入工业时代，汽车就住逐步成为了世界上最主要的交通 工具，如何保障行车安全一直是人们关注的焦点，学者们通过大量的调查和数据 积累，总结出汽车安全与轮胎的工作状况密切相关。因此 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)轮胎压力监测系统的研究成为了汽车工业的汽车发展的重点。 随着近几年 TPMS 系统的飞速发展，胎压监测技术不断突破，日趋成熟，各大公 司均在成熟的 TPMS 技术上寻求新技术前景，胎压监测及气压调节结合的系统成 为了当下的研究大热。 1.1 课题背景课题背景 1.1.1 汽车安全被广泛关注汽车安全被广泛关注 随着人类文明的进步，汽车成为了人们日益重要的交通和运输工具，但 是随着车辆的增多，车速的提高，汽车行驶安全性变成了日渐突出的且必需关 注的问题。 在高速行驶时，轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的，也正是突 发性交通事故的主要祸首。有调查数据显示 2008 我国发生的交通事故有 265204 起，死亡人数 73848，受伤人数 304919，2009 年全年交通事故有 23800 起，死亡 67159，受伤 275125。在巨大的伤亡数据背后也包含有巨大的经济损 失。而分析显示因汽车轮胎漏气爆胎引发的严重交通事故占总事故的 45.7%,而 在高速公路上这一比例则高达 60%-70%,是各种事故中比例最高的一种.据测试, 汽车在时速 160 公里以上行驶时发生爆胎事故,驾乘人员的死亡率为 100%.爆胎 已与疲劳驾驶,超速行驶并列为中国道路交通的三大杀手.本世纪初,由于凡士通 轮胎的质量问题,造成超过 100 人死亡,400 人受伤,凡士通被迫于 2000 年 8 月 收回 650 万只轮胎,该事件堪称北美市场乃至全球市场历时最长,数量最大,影响 最深的一次召回行动,美国政府也因此出台了有关加强运输设备改回，确定和 文件记录法案受该法案驱动，各大公司及许多研究机构都已经开始研究相应 的 TPMS 方案，如 Motorola,GE 等都已经研制出适用于 TPMS 的 MEMS 传感器及相 应的 TPMS 技术方案.由于国外立法较早,所以 TPMS 技术发展比较成熟.而在我国,多 数厂家目前已开始进行这方面的研究,一批国内生产的汽车开始装 TPMS 作为标 准配置,而有关政府部门也在加紧制定相关的法律法规.目前国内的 TPMS 开发, 生产厂商已经多达近 200 家,其中有自主设计和生产能力的占 30%左右,但真正 大批量生产的厂家很少. 1.1.2TPMS 在国内外的发展状况，及发展方向在国内外的发展状况，及发展方向 轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的的使用寿命。当前，轮胎爆炸，疲 劳驾驶超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。据统计，在中国高速公路上 发生的交通事 故有 70%是由于爆炸引起的，而在美国这一比例则高达 80%。 如果在使用过程中，能够正确地按轮胎的标准气压充气，轮胎在行驶过程中会均 匀的磨耗；保持了轮胎的最佳复合承载状态和良好的弹性，可以大大地延长轮胎 的行驶里程。 早在 2001 年美国就通过了 TRAD 法案，法案要求到 2007 年所有美国销售的 新车都必须将 TPMS 作为标准配置。美国国家公路安全管理局（NHTHA）2002 年颁布的法规要求监控器在轮胎气压低于生产商推荐值的 25%30%时向司机报 警，建议从 2004 年开始新车应安装轮胎气压监测系统（TPMS）。继美国之后， 欧洲也制定相应的法规，要求其国内的汽车厂商安装 TPMS。 国外的 TPMS 产品已经相当成熟，能够经受 57 万公里的使用测试，现在 国外的 TPMS 的研究重点在于开发无源 TPMS，如采用 SAW 这类无源器件的频 率变化来监测轮胎的压力变化。 TMPS 的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市场，而 是如何提高产品性能和质量。目前国内的 TPMS 系统问题不少：国内需配备专用 的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美观、整车厂难以配 装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用；不具备抗干扰的清晰语音提示 报警功能，会造成驾驶员视线转移；因辐射效率、编码纠错性能差、在恶劣环境 下漏报严重。直接式 TPMS 产品无线信号传输的稳定性可靠性不足，电池寿命问 题，传感器寿命和耐久性问题。此外，TPMS 零组件主要靠进口，缺乏自主知识 产权的产品。 现有 TPMS 系统总体发展已经成熟，TPMS 系统关键关口是系统电源系统对 系统稳定性及使用寿命的影响。近年已有 TPMS 系统新增功能的设计探索，监测 与气压调节结合系统成为研究大热。有部分车型已同时具备气压监测，与气压调 节的功能。相信气压监测与调节系统将成为汽车安全研究的重要课题。 1.2 设计的目标、意义及应达到的技术要求设计的目标、意义及应达到的技术要求 本设计课题是在直接式 TPMS 系统的基础上,进行对系统的改良优化,而且 增加了气压调节装置,实现汽车轮胎气压的调节控制. 研究目标是提高直接式 TPMS 系统的工作可靠性,准确性,对原有基础的 TPPMS 系统进行简化设计,新增气压调节装置,通过该装置调节各轮胎气压保持 最佳压力,解决原 TPMS 系统电源供给难题，解决系统受电源所限寿命限期问题， 同时新型电源系统将为气压调节系统提供电源，使用监测与气压调节同用的系 统保持轮胎最佳胎压，提高驾驶安全性，并减不油耗降低汽车使用成本。. 设计的系统将实现轮胎气压监测与调节相结合的闭环控制，实时监测轮胎气 压并在气压有所偏差时及时作出调整，始终保持最佳的行驶气压。为行车安全 提供保障，降低因汽车轮胎气压引发事故的风险。设计完成的系统，应具备准 确的胎压监测功能，保障能时刻监视汽车轮胎的技术状况，让驾驶人员能及时 了解汽车轮胎的状况。设计的新型系统必须是在原型 TPMS 系统的基础上作出技 术的创新与突破，在发挥原型 TPMS 系统的优势的同时以创新科技为汽车轮胎与 行车安全的方面作出新的贡献。所以设计的新型系统必须具备汽车轮胎监测的 及时，灵敏，以及稳定性。保证监测数据的真实性可靠性，突显监测系统的预 警功能。与此同时新增的气压调节功能，将针对监测系统提供的数据及时地对 汽车轮胎压力进行调整，形成监测与调节的循环控制系统，能有效准确地撑控 轮胎气压。该系统也可以在驾驶人员的控制下进行对轮胎气压的调节，以适应 不同路况下的舒适性要求。 1.31.3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 本设计是在直接式 TPMS 系统的基础上，对系统的结构和相关电路作 进一步完善各改进，增加了轮胎气压的调节装置，并对轮胎内部系统供电 系统进行设计，引入新型的供电系统。 课题研究的内容主要包括轮胎压力监测，气压调节系统，及新的供 电系统，包含传感技术，无线数据通信技术，基于 TPMS 系统与其他汽车电 子系统的集成。 1轮胎参量的传感技术 对于 TPMS 来说，如何在苛刻的环境，尺寸，功耗， 成本条件下实现压力参数的高精度测量是保障系统可靠性的重要因素。本 系统选择当前业界应用最广泛的高性能传感器进行设计，从而保证了系统 在轮胎参数测量上的各项指标都是可靠的。 2无线数据通信技术 在现有的各种产品的设计中，基站模块与轮胎模块或 钥匙模块都是通过无线的方式进行数据通信。本系统的设计中引入了 LF 唤醒模式，实现了系统的双向通信，解决了轮胎定位和通信碰撞的问题， 使系统更加灵活，可靠性得到了极大的提高。 3系统的新型供电系统设计 功耗是影响整个系统使用寿命的关键因素。该 系统采用了专用的供电系统，在满足系统指标的情况下，维持系统正常电 压，及时充入电量，保证电池足够电量。排除电源影响系统寿命的问题。 4系统的抗干扰设计 由于轮胎模块的工作环境比较恶劣，噪声和电磁屏蔽 会对无线信号产生较大的干扰，因此引入了一系列软硬件抗干扰措施，改 进了轮胎压力监测系统抗干扰能不佳的缺点，使系统工作更加可靠。 5气压调节系统设计 气压监测系统对汽车轮胎气压进行监测，及时发现轮 胎气压不足或过高的情况，并同时给驾驶员提醒。现加入气压调节系统， 在监测系统发现气压问题时，及时对胎压进行调节，解决隐藏的轮胎风险。 6TPMS 系统与气压调节及其他汽车电子系统的集成，由于模块（模 块）工作在不同的时间段，因此完全可能实现复用，本系统成功的将汽车 智能无匙门控系统与 TPMS 系统结合，不公仅可节约了系统硬件开销，也 提高了系统的集成度。 1.41.4 本设计应解决的主要问题本设计应解决的主要问题 据分析现在市场上使用的各类 TPMS 系统，在技术上已经相当成熟，监 测系统能及时监测汽车轮胎气压情况，系统数据实时更新，能准确地监测轮 胎气压或温度，在气压有偏差时能及时地给驾驶员提示保障行车的安全。但 当今使用的胎压监测系统大多使用内置电泄给感应器供电，所以系统使用会 受感应器电源受限的影响，电泄寿命成为系统使用寿命的最大阻碍，所以解 决感应器电源成为研究重点，也是本设计要解决的主要问题之一。 现今使用的轮胎气压监测系统仅是为驾驶人员提供气压，温度的监测服务， 为驾驶人员提供警示避免驾驶人员在不知轮胎气压异常的情况下行驶而发生事 故。系统本身在反映问题的同时没有作出反应为驾使人员解决问题是设计的不 足，而在发现问题的同时并解决问题才是驾乘人员所需要的。所以本设计着重 究研解决监测系统反映的问题的方法，完善原胎压监测系统的功能。气压调节 装置的加入成为本设计的又一主攻问题。 2 2 设计本论设计本论 2.12.1 基础基础 TPMSTPMS 系统介绍系统介绍 2.1.12.1.1 TPMSTPMS 系统系统 年，由于轮胎的质量事故，造成超过 人死亡、人受伤，被迫于年月收回 万只轮胎，引起美国政府高度关注。事后分析事故主要是由于亚充气的 轮胎在行驶过程中从车体分离导致了追尾。如果当时的汽车安装了 系统，那么这样的惨剧就可以得到避免。提高驾乘安全性是使用 最大但不唯一 的好处，此外还具有方便性、经济性、环保等多方面益处。 1、汽车行驶安全性要求 在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的也 是突发性、恶性交通事故发生的重要原因之一。 据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有是由于爆胎引起的， 而在美国这一比例则高达；轮胎压力过低和过高引起的交通事故占到总 量的。 的压力下降 是。 缓慢刺穿”的过 程。轮胎 爆胎是因为轮胎 在压力不足的情 况下超负荷工作 吲。车辆在高速 公路上行驶时一 旦爆胎，驾驶员 思想准备不充分极易造成车辆侧滑和不规则翻滚，轻者自撞护栏，重则与其他 行使车辆发生碰撞甚至车毁人亡后果不堪设想。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。另外，汽车现有安全措施，如 、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故 已经发生时才起到保护人身和汽车的安全作用，轮胎气压监视系统属于“事前 主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，采取措施，将事故消灭在 萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。 2、用户使用方便性要求 大多数用户不是每天进行必要的轮胎气压检查，而仅凭肉眼观察或用脚踢 轮胎是无法正确判断轮胎气压的。 图图 2.12.1 在长途、高速驾驶过程中经常地检查气压是必须的。TPMS 系统则可以实时 显示轮胎参数。 3、经济性要求 TPMS 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现延长轮胎使用寿命：非 标准气压行驶，将会使轮胎寿命缩短。科学统计表明，缺气行驶时，车轮气压 比正常值下降 10%，轮胎寿命将减少 15%。见图 2.1 轮胎充气低于标准的轮胎充气低于标准的% % 单位汽油行驶程下降单位汽油行驶程下降% % 轮胎使用寿命下降轮胎使用寿命下降% % 图图 2.22.2 胎压过低与轮胎和油耗之间的关胎压过低与轮胎和油耗之间的关系 减少油耗：而如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，油耗也会随之上升。 车轮气压比正常值下降 10%，单位汽油行程数会下降。避免车辆部件磨 损：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 统磨损。基于以上三点，当前美国已经将 TPMS 系统规定为继 ABS,ABSR 之后第 三个立法的汽 车安全电子产品。应 2000 年颁布的车辆召回促进、责任和文件提供法案 （TREAD 法案）的要求。国家公路交通安全管理局（NHTSA）颁布含有两个部 分的最终准则。设立了新的联邦机动车辆安全标准，要求机动车辆安装轮胎气 压监视系统，以便在轮胎严重缺气时警告驾车者。 据现在的记录，国家公路 交通安全管理局暂时相信四个 轮胎，低于标 准气压 25%的报 警选项最符合 TREAD 法案要求， 鄄当单个轮胎 的胎压比车辆 制造厂推荐的标准轮胎气压降低 25%或者更低时，或者低于规定的最低气压标 准（无论符合哪种情况），一辆机动车辆上安装的 TPMS 必须警告驾车者”J。 同时 NTHTSA 提出了汽车生产商的执行时间表：美国市场出售的汽车配备 TPMS 系统的比例：2005 年 10 月 5 日达到 20%，2006 年 9 月 1 日达到 70%，2007 年 9 月 1 日达到 100%. 2.1.22.1.2 汽车爆胎原因汽车爆胎原因 爆胎是一种复杂的轮胎破坏现象，其原因是多方面的。据统计和专家分析， 引起汽车爆胎的原因主要有负荷、气压、速度、胎面温度、路面、车架、轮毂 等。 .2.3.2.3 轮胎剥面结构轮胎剥面结构 轮胎缺气行驶是爆胎的祸根。现以无内胎轮胎（即子午胎）为例剖析如下： 为了提高轮胎的强度，在其帘布层外围加有一层钢丝（带束层），这种结构的 轮胎强度高，散热条件好，只要气压状况好，非常适应高速行驶。结构如图 2.2 所示。但它也有一个极大的弱点，最怕缺气行驶。如果轮胎气压过低，轮 胎变形，下沉量增大，胎温因摩擦增加而急剧升高，导致轮胎变软强度下降； 同时过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化、变形、甚至内部断裂。这些都 可能造成爆胎意外。 综合起来爆胎主要有四大祸因： 1、轮胎漏气，轮胎因被铁钉或尖锐物刺扎导致渗漏气、慢撒气引起爆胎。 2 轮胎气压过高使胎内帘线受力过度而变形，轮胎弹性下降使汽车行驶 中负荷加大，还会加快胎冠磨损。如受到冲击很易爆裂。 3、轮胎气压过低，会使胎体增大变形，造成胎侧开裂，同时使轮胎接地面 积增大，加快胎肩的磨损，也会导致过度摩擦生热，使橡胶老化、帘线折断， 最终导致爆胎。特别是当汽车在高速行驶（速度超过 120KM/H）时，还容易产 生“谐振动”现象而引发巨大的谐振作用力，此作用力最容易导致受伤的轮胎 产生突然爆胎现象，由于此现象发生于高速行驶时，危害极大。轮胎气压缺气 行驶，轮胎的下沉量增大，在急拐弯时容易投生“胎壁着地”的现象，而胎壁 是轮胎最薄弱的地方，“胎壁着地”最容易导致发生突然爆胎现象。 2.1.32.1.3 TPMSTPMS 系统的分类和结构系统的分类和结构 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 纵观各大公司开发设计的系统，可分为如两种类型，一种是间 接式（，简称： ），另一种是直接式（怕 ，简称）。每个系统都有自 己的优缺点：间接系统相对便宜，使用时，已经装备了轮（每个轮胎 装备个轮转速传感器）的汽车只需要对软件进行升级，但是测量准确度低， 在某些情况下此类系统会无法正常工作。直接系统可提供更高级的功能和准确 度，可随时测定每个轮胎内部的实际气压，很容易确定故障轮胎，但相对价格 较高。 、间接式 间接式系统主要通过汽车系统的轮速传感器来比较轮胎之 间的转速差别，以达到监视胎压的目的。在汽车行驶时，当轮胎的气压降低时， 车辆的重量会使轮胎直径变，轮速变快。经过综合分析，这种变化可用于触发 警报系统来向司机发出警告。此类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同 时缺气的状况和速度超过公里，时的情况进行判断，也无法满足 提出的偏离正常报警的要求。从市场的占有率来看， 间接式作为的先驱将逐步淡出。 、直接式 直接式系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量 轮胎的气压，利用无线通信的方式与驾驶室内监控器进行通信，显示并监测各 轮胎气压，当轮胎气压过低、过高、有渗漏或者轮胎内温度不正常时时，系统 都可议自动报警。许多欧洲的汽车厂商已将直接式配装于自己的车型 之中，其中包括：德国宝马的、法国雪铁龙的、英国阿斯顿马汀的 超级跑车、林肯大陆、克莱斯勒与道奇（）迷你 箱型车以及与客 车、旁蒂克的旗舰等等，梅赛德斯奔驰级轿车 最新的改进也将作为选装件。图 2.3 是一个集成子遥控车锁装置的直 接式 TPMS 系统的 TPMS 系统的构架。 图图 2.42.4 通过比较可确定选用直接式 TPMS 系统 2.22.2 选用的直接式选用的直接式 TPMSTPMS 系统系统 2.2.12.2.1 直接式直接式 TPMSTPMS 系统系统 目前直接式主要可分为两大类。 、使用电池方案。 即固定于轮胎内部的胎压遥测模块用自带电池供电工作。这也是当前市场的主 导类型。其中的胎压遥测模块功能性框图如图 图图 2.52.5 由以下几个部分组成：（）具有压力（温度、加速度、电压）检测和后信 号理芯片组合的智能传感器；（）位单片机（）； （）射频发射芯片；（）电池；（）天线。因为轮胎内恶劣的工环境， 所有组件、材料都要满足到的使用温度范围。 传感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字 信号处理单元、和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少 胎压遥测模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗， 和带、 、及其它功能的数 字信号处理单元或。这些功能芯片使得传感器不仅能实时检测汽 车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动 唤醒、节省电能等功能。电源管理器确保系统实现低功耗， 使一节锂电池可以使用年。 的压力传感器都是用基于技术来设计生产的，主要有硅集成电 容式压力传感器，如的 、；硅压阻式压力传感器，如 的 、，的 、。硅压阻式压力传感器采用高精密半导体电阻 应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，其测量精度能达 对于发射芯片的工作频率北美标准为315，欧洲标准为 ，韩国为，已有人建议新标准为 。其发射功率义不能超过，否则要接受无线电管制。 工作模式有、，其中抗干扰较好。 图图 2.62.6 中央监视器主要由接收和信号处 理、键盘、显示器组成。接收和可独立封装，也可 集成在汽车仪表箱内，带控制键盘的能实时显示每个轮胎的压力、温度， 和每一个轮胎的识别码，以及详细的报警信息。由于接收系统是工作在汽车 车厢内，其环境温度是常温而且变化不大，电源可以使用汽车的或 电源，因此对器件选用只要是工业级即可，省电的要求也不高。 接收选用时一般考虑需要较高的接收灵敏度，以提高的 工作效率和降低整个系统的生产成本，的 、的的标称灵敏度都达 以上。这种使用电池的直接式系统有两个主要缺点。 电池的使用时间直接影响整个胎压遥测模块的使用时间。一旦电池耗尽， 模块即须更换。因为从安全性考虑，轮胎内部电路需要做成密封，更换电池和把 传感器从轮胎内取出的成本较高，所以该模块就是一种一次性产品。一般情况下 只有和轮胎一起更换。一般的公路车行驶需要换一 次胎，折合到时间至年必须更换。所以系统中胎压遥测模块的使用寿命也应 该达到至年。另外，也正是由于封闭性，所以自产品下生产线之刻起，遥测 模块便开始耗电，所以产品实际使用寿命应该为出厂值减去安装之前的消耗。所 以对这种类型的系统而言，低功耗设计至关重要。 胎压遥测模块质量较大。仅电池的重量一般就在左右。胎压遥测 模块的安装会使轮胎质量分布不均匀，偏在车轮的内侧或外侧。从而引起车轮中 高速时产生偏摆振动。若要使重量均匀分布就必须进行轮胎动平衡校正。这也是 所有直接式系统安装后必须做的一步。未装轮胎时，轮辋的不平衡度应 不大于装上轮胎后，车轮的不平衡度，应不大于 。轮辋边缘允许的平衡块重量不大于”。对 轮胎而言，外来物质量越大，动平衡越难做，一旦超出配重可调节范围，必将会 导致车辆高速行驶时的抖动。 、无电池方案。 即轮胎内部传感器不使用电池供电。目前有两个发展方向，能量来源分别 为中读头的发射功率和汽车行进过程中的机械能。无线射频识别技术 （，） 是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用了射频信号和空间耦合（近 距离的电感或远距离的电磁耦合）传输特性，其中电感耦合依据的是电磁感应定 律，而电磁耦台则是以雷达原理为模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射同时 带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。射频识别系统一般由两个部分 组成，即电子标签（）和阅读器（）。在系统中 即附着于胎压遥测模块，则由接收模块来完成。 以技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是 其中的一员。该公司和西门子汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电 池般大小的带卡传感器。 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，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还 可以用于轮胎历程可追溯性记录。采用无电池方案的厂家，除了美国固特异轮胎 橡胶公司之外还有开始提到的日本。 其公布的系统结构如下： 图图 2.72.7 以上分析比较可得，直接式胎压监测系统比简直式胎压监测系统监测数据更 为准确，监测方式更为贴切，系统反应速度更为快捷。对驾乘人员及至汽车本身 来讲直接式胎压监测系统更为可靠。而比较两种现行的直接式胎压监测系统可知， 有电池模块的系统比无电池模块的系统成本更为可观，技术更为成熟。只要解决 电池寿命的问题，相信有电池模块的直接式胎压监测系统将会成为汽车胎压监测 的主流。 为保障监测的准确性与监测系统的使用稳定性，本设计中所用到的基础 TPMS 系统将会采用直接式 TPMS 系统，轮胎模块供电模式采用有电池供电方案， 其中轮胎内的电池将会通过电磁发电机为其供应充电电流。 2 22 22 2 电池的选用电池的选用 经过学习，我了解到电池、 MCU 、传感器是 TPMS 系统中最核心的三大部 件，这些部件实际的工作环境非常恶劣，不仅要耐高低温（ -40 125 ） ，而且还能抗击振动、离心作用和高气压，因此要求非常高。而 MCU 、 传感器已经做到准军品级 ( 汽车电子 ) ，所以电池也应该采用同级别的品种 才能达到可靠和安全的目的。 目前，工业级的电池中主要是锂亚电池（锂 / 亚硫酰氯， Li/SOCl 2 ， ER 系列）， 锂锰电池（锂 / 二氧化锰， Li/MnO 2 ， CR 系列 ） 及锂氟 化碳 （锂 / 氟化碳， Li/CF ， BR 系列），其特性比较如下： 品 种 空载电 压 负载电 压 放电电 压 自放 电 高低温放电特 性 能量 体积 比 瞬间放 电脉冲 电流 价格及厂家 锂亚 3.6V 3.4V 平稳 极低 高低温特性都 非常好 最高 小 价格适中，国 内外均有制造 厂家 锂锰 3.0V 2.8V 倾斜 低 高温尚可，低 温放电较快 高 较大 国产价格低， 电池性能达不 到使用要求， 进口电池价格 适中 锂氟 3.0V 2.8V 倾斜小 低 高温好过 CR 高 较大 价格高，只有 但高低温都比 ER 要差 日本厂家生产 从以上表中可看出，锂亚电池除瞬间放电脉冲电流一项外，都要优于锂锰， 锂氟电池。锂亚电池属于能量型电池，锂锰 / 锂氟电池属于功率型电池（可瞬 间放出较大的脉冲电流），但在 TPMS 系统中正好不需要较大的脉冲电流（ MCU 和 RF 即使在发射时都是很小功率）深圳艾博尔新能源有限公司（ ABLE ）是锂亚 / 锂锰电池专业制造商，在该领域的研究、开发已超过 10 年， 积累了丰富的理论和工艺经验。其产品以其优越的超高低温特性和极其微弱的 自然放电特性，在军事和工业领域有广泛的应用，目前 ABLE 产品 80% 出口 到欧美国家。 在汽车胎压自动检测系统 ( TPMS ) 方面，因电池使用失效不能在短时间 之内就有结果， ABLE 公司经过研究与改进，专门为此设计了型号为 ER2450 ， ER2286 ， ER10240S， ER10280 等的电池。其中 ER2450 可 以 直 接 替 代 以 色 列 TA DIR AN 公 司的 TLH-2450 ，其电池性能指标如下： 选用电池具体参数如下： Alternative models 1/2AA Electrical characteristics (typical values relative to cells stored for one year or less at+30 max.) Nominal capacity 0.95Ah 空载电压： 3.66V ，负载电压： 3.45V 容量： 0.95Ah 工作温度： -40 +60 保存时间： 10 年以上 焊脚纽扣型，外壳加厚，可焊在 PCB 上，安装更牢固，防振动性更好 (at 1 mA +20 2.0V cut off. The capacity restored by the cell varies according to current drain, temperature and cut off). Open circuit voltage (at +20 ) 3.66V Nominal voltage (at 1mA +20 ) 3.45V Pulse capability: Typically up to 70 mA (70 mA/0.1 second pulses, drained every 2 mn at +20 from undischarged cells with 10 A base current, yield voltage readings above 3.0V. The readings may vary according to the pulse characteristics, the temperature, and the cell s previous history. Fitting the cell with a capacitor may be recommended in severe conditions. Max. Continuous current 7mA Max. Pulse current 70mA Storage (recommended) +30 +86 F max (for more severe conditions, consult ABLE) Operating temperature range -40 / +60 (Operation above ambient T may lead to reduced capacity and lower voltage readings at the beginning of pulses. Consult