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硕士论文汽车轮胎压力监测系统设计研究 摘要 t p m s ( t i r e p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 器p 轮胎匿力监测系统，主要用于对汽车轮 胎压力进行实时自动监测，并在轮胎状况异常时及时报警，以保障驾乘者的行车安全。 论文分析了直接式与间接式t p m s 的优缺点，综述t p m s 的发展趋势；通过对 爆胎因素及工琵进雩亍详细分析，褥到雩l 起爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎 温过赢；在此基础上，设计了轮胎压力监测系统的整体方案，确定了系统总体框架结 构、人机界面、轮胎模块安装方式及主要元器件选择；并根据总体设计详细设计了一 款直接式汽车轮胎压力监测系统。 ” 系统整体由王个接收报警模块和4 个轮胎模块构成，轮胎模块与接收报警模块之 间进行无线数据传输。在系统的硬件和软件设计上，采用模块化设计思想。轮胎模块 设计考虑了低功耗、小体积设计。在轮胎模块内进行报警阀值比较，采样值超过阀值 时再精确采集数据并发射数据来减小轮胎模块功耗。接收报警模块采用了声光报警、 l c d 显示具体数据及驾驶员手动消除报警的报警方法。无线数据通信采用频移键控 数字调频调制方式及循环冗余码数据校验，提高数据传输的抗干扰能力和可靠性。 论文综合运用了传感器技术、微控制器技术、无线通讯技术等构筑了轮胎压力监 测系统的样机。经过功能测试表明本论文所设计的轮胎压力监测系统在理论上和技术 上是可行的。该系统具有一定的实用价值和应用前景。 关键词：轮胎箍力，监测，无线透信，t p m s a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t 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 su s e dt om o n i t o rt h ep r e s s u r eo ft h e v e h i c l e st i r e i tc a l la l a r mt h ed r i v e rt oe n s u r et h es a f e t yo ft h ep e o p l e si nt h ec a rw h i l et h e p r e s s u r eo ft h et i r e si sa b n o r m a l t h ed i r e c ta n di n d i r e c tt p m s sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ed i s c u s s e d a l s o ， t h ed i r e c t i o no ft h et p m sw a sd i s c u s s e d t h em a i n l yc a u s a t i o no ft h et i r eb l o w o u ta n dt h e t i r e sw o r k i n gc o n d i t i o nw e r ea n a l y s e di nd e t a i l t h em a i n l yc a u s a t i o no ft h et i r eb l o w - o u t w e r eg a i n e dw h i c hi st h eo v e rp r e s s u r e ，t h el o w - p r e s s u r ea n dt h eo v e rt e m p e r a t u r e t h e g e n e r a lc o n c e p to ft h et p m sw a sd e s i g n e db a s e do nt h ec o n c l u s i o n t h eg e n e r a ld e s i g n , m a i l m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h ef i x i n gm o d e so ft p m s st i r em o d u l ew e r eg i v e no u t a l s o ， t h ec h i e f l yc o m p o n e n t sw e r ec h o s e n t h et p m sw e r ed e s i g n e di nd e t a i lb a s e do nt h et o t a l d e s i g n t h es y s t e mi sc o m p o s e db yo n ea l a r m i n gm o d u l ea n df o u rt i r em o d u l e s t h ed a t ac a n t r a n s m i tb yw i r e l e s ss i g n a lb e t w e e nt h ea l a r m i n gm o d u l ea n df i r em o d u l e s t h es y s t e mo f h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ew e r ed e s i g n e db ym o d u l a r i z a t i o n t h el o wp o w e ra n dt h es m a l l d i m e n s i o nw a sc o n s i d e r e dw h i l ed e s i g nt h et i r em o d u l e i no r d e rt or e d u c et h ep o w e ro ft h e t i r em o d u l e ，t h ed a t aw a sd e s i g n e dt ot r a n s m i ta f t e rc o m p a r e db yt h et h r e s h o l d t h e a l a r m i n gm o d u l eu s e dt h es o u n d ，t h el i g h ta n dt h ed a t ad i s p l a y e di nt h el i q u i dc r y s t a l d i s p l a yt or e m i n dt h ed r i v e rw h i l et h ep r e s s u r ew a sa b n o r m a l i no r d e rt oi m p r o v et h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h ew i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o n ，t h em o d eo ff r e q u e n c ys h i f t k e y i n ga n dc y c l i cr e d u n d a n c yc o d ew a sc h o s e n t h et e c h n o l o g yo ft h es e n s o r s ，m i c r oc o n t r o lu n i ta n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw e r e u s e dt od e s i g nt h ep r o t o t y p eo ft h et p m s i tw a st e s t i f i e dt h a tt h et p m sd e s i g n e di s f e a s i b l ea n dw o r t ht ou s e k e y w o r d ：t i r ep r e s s u r e ，m o n i t o r i n g , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t p m s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 1 绪论 1 1 课题背景 汽车轮胎是确保汽车安全行驶的一个重要部件，其性能的优劣直接影响到汽车的 驱动性、通过性、平顺行、稳定性、安全性和舒适性等。轮胎问题在引起交通事故的 原因中排在第三位n 3 。据美国汽车工程师学会最近的调查显示，美国每年有2 6 万起交 通事故是由于轮胎因素造成的。由此可见，轮胎在汽车安全行驶中起着重要作用。 轮胎气压是轮胎的生命，当气压正常时，轮胎寿命一般可达5 - - , 1 0 年。米其林公 司提供的数据表明，在汽车行驶过成中，6 0 - - 8 0 的时间内轮胎气压处于偏低状态。 当轮胎长期处于高压状态下，轮胎的寿命衰减得更加严重。严重的情况下，当气压过 高或过低时，轮胎遇异物可能出现突然爆裂，危及乘员的生命安全。所以通过安装轮 胎压力检测系统实时检测轮胎压力，是预防交通事故的有效手段之一。 为此，美国法律规定：从2 0 0 7 年1 月起，所有新出售的轿车必须安装轮胎压力监 测装置。随着我国高速公路的迅速发展以及单位与私人拥有汽车数量的增加，对轮胎 气压进行实时监测，来提高汽车行驶的安全性已迫在眉睫乜，。 1 2 课题的研究意义 高速公路上的交通事故有7 0 是由爆胎引起的。保持标准的轮胎气压是防止爆 胎的关键b 1 。所以主动实时地监测轮胎的气压，在异常情况下及时警告驾驶员，是减 少由爆胎而引起的交通事故的有效方法。同时使用轮胎压力监测系统可以达到节约行 车成本的目的。胎压过低会使轮胎变形加大，滚动阻力增加，使油耗明显上升。胎压 过高或过低都会加大轮胎的磨损，使轮胎提前报废。 汽车轮胎压力监测系统( t p m s ) 能准确实时测量轮胎气压，并在气压超出正常 气压范围时给出声光报警信号，用于提醒驾驶员轮胎压力处于非正常状态，保证驾驶 员在事故发生前有足够时间作出处理。t p m s 属于事前报警系统，可以减少事故的发 生率，提高轮胎的使用寿命，从而提高汽车行驶的安全性和经济性。 虽然国内现在已有上百家企业在进行汽车轮胎压力监测系统的设计和开发，但目 前为止还没有成熟的产品。本论文研究力图设计一种可实现产品化的汽车轮胎压力监 测系统，为国内汽车轮胎压力监测系统实现产品化提供参考。 1 绪论硕士论文 1 3 轮胎压力监测系统在国内外的研究状况 1 3 1 国外发展状况 由于国外立法较早，开发生产的汽车轮胎压力监测系统( 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。迄今为止，国外己有许多车型装配了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已将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【4 】。2 0 0 7 年已经到达美国法律强制安装汽车t p m s 的时间，国外很多普 通车型都已安装t p m s 。例如：奔驰c u ( 、c 、e 、g 、m 、s l 、s l k 、s 、系列，宝 马3 、5 、6 、7 、x 3 、x 5 、z 4 、系列，别克林荫大道、荣御、君越。 国外已有许多厂家致力于t p m s 专用传感器、发射芯片和接收芯片研究。飞思卡 尔( f r e e s c a l e ) 、英飞凌( i n f i n e o n ) 、通用( g e ) 、微芯( m i c r o c h i p ) 、飞利浦( p h i l i p s ) 等大型 跨国公司也先后相应的推出了自己的轮胎压力监测系统芯片级应用方案。随着电子技 术的不断发展，飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 、英飞凌( i n f i n e o n ) 、通用( g e ) 先后推出了自己高 集成度的发射模块或传感器模块。例如：m p x y 8 3 0 0 是同类中的首款可以在单个封 装内提供电容传感器技术、压力传感器、8 位s 0 8 微控制器( m c u ) 、射频( i 心) 发射器和双轴( x 和z 轴) 加速计的全面集成产品；s p 3 0 整合了硅显微机械加工的 压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器并内置8 位哈佛结构r i s c m c u 和2 d 通道的低频( l f ) 接e l ，且消耗的电流仅0 4 u a ；n p x i i 集成了硅压力传感 器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8 位r i s c 处理器以及一个低 频唤醒输入级，满足了系统各方面的性能要求【5 7 】。 1 3 2 国内发展状况 在中国，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一机动车运 行安全技术条件对安装轮胎压力监测装置做出了说明：“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气压报 警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎气压报警装置的要求，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，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，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场， 2 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 t p m s 都处于尴尬的地位。 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。目前中国轮胎压力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。根据以上 情况本论文设计一款成本低廉，可靠性高的t p m s 。 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，属于二次设计缺乏核心技术。最近，浙江大学、吉林大 学、东北大学、哈尔滨工业大学等高校都有学者对t p m s 相关技术进行理论研究。 1 3 3t p m s 发展阶段及趋势 t p m s 的大规模应用基本上在美国修改的联邦运输法实施以后，因为具有深厚的 技术积累和法律提出的时间的紧迫性，t p m s 发展迅速。迄今为止，不断有更新的方 案涌出。回顾这几年的t p m s 技术发展道路，可以看出其发展主要可分为以下几个阶 段： 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，但是由 于监测结果不精确，对车速有限制等原因，将会逐渐被直接式取代。 第二代产品于2 0 0 0 年8 月在美国上市，属于直接式t p m s ，基于嵌入式传感器 和u h 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1 4 】。 第三代产品是在第二代产品基础上更加集成话，小型化，基本原理相同，同属于 直接式t p m s 。如传感器，m c u 与发射器合而为一等。 未来的t p m s 模块将向高度集成化、单一化、无线、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 n p x 2 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 3 ) 。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。 l 绪论 硕士论文 1 4 轮胎压力监测系统原理及分类 1 4 1 间接式t p m s 系统 间接式t p m s 不需要另外安装传感器。它主要通过建立轮胎压力与车轮转速或轮 胎的周向扭转刚度的关系模型来间接求出轮胎压力。目前主流间接式t p m s 是借用 a b s 中的轮速传感器来获得4 个轮胎的转速。当某个轮胎的气压下降时，滚动半径 减小，车轮转速相应增大。系统通过比较两条对角线上车轮转速的总和( 右前和左后 轮速的总和与左前和右后轮速的总和) 来判断是否出现气压下降。这是因为在车辆任 意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。如果把其中某个车轮的 轮速和另外3 个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比 内侧轮胎的高，系统就会发出错误报警【5 j 。 目前主流间接式t p m s 存在明显的缺陷，这主要表现在： 1 ) 当前间接式的t p m s 系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前 后两车轮的速度。 2 ) 当4 个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两轮同样胎压不足时， 系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过1 0 0k m h 的情况时，系统就不能够正常工作了；只有在单个轮胎或对角线上的两个轮胎以 及3 个轮胎的气压低于其他轮胎气压的3 0 以上，才能监测到低压现象。 n h t s a 在调查中发现，使用目前间接型t p m s 的轮胎，在处于明显低压状态时， 只有占调查总数的5 0 发生了报警，而直接型t p m s 都能发出报警【6 】。 1 4 2 直接式t p m s 系统 直接式t p m s 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，并对各轮胎气压进行显示及监视。当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报 警。它主要由安装在汽车轮胎内的t p m s 发射模块和安装在汽车驾驶台上的t p m s 接收模块组成。t p m s 发射模块包括：气压、温度传感器和信号处理单元、r f 发射 器。t p m s 接收模块包括：r f 接收器、信号处理单元、l e d 显示器。系统结构如图 1 4 1 所示。 4 信号 卜压传感器卜 信号 发射 处理 t x ( r f ) 温度传感器卜 图1 4 1 直接式t p k s 系统结构图 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 气压和温度传感器将采集到的信号经内部a d 转换后，将数据以串行方式发送 给信号处理单元( m c u ) ；信号处理单元对这些信号调制成曼切斯特编码后，传送给信 号发射芯片( r f 发射器) ；射频发射芯片以一定的频率( 通常为3 1 5h i - i z 或4 3 3m t t z ) 和调制方式( 通常为f s k ) 将信号发射出去。位于汽车驾驶台上的信号接收芯片( r f 接 收器) 接收由发射器发射来的射频信号，并对其解码后传送给信号处理单元( m c l d ； 信号处理单元检查数据帧后对其进行数据处理，并与轮胎气压阀值及温度阀值进行比 较。如果出现异常，指示灯或液晶显示器会显示报警。 相比于间接式t p m s ，直接式t p m s 有着很多优点，如能在任意瞬时监测到4 个轮胎内的温度和气压大小，测量精度和准确度都要比间接式的要高。但它有不可避 免的存在着一些弊端，比如，安装在4 个轮胎内气压、温度传感器，信号处理单元和 发射模块会打破轮胎原先的动平衡，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。 由上述直接式t p m s 的优缺点可知提高直接式t p m s 性能的关键在于： 节约功耗特别是装在轮胎内部的发射模块。发射模块在轮胎内部，不易更换 电池。功耗的高低及电池的电量，直接关系到直接式t p m s 的寿命。 传感器的工作性能，应保证其在轮胎内部恶劣的环境中仍能正常工作。 无线通信的可靠性，汽车在行驶时对于无线传输不利，应通过有效编码，校 验等使发射与接收模块准确通信。 由以上对两种t p m s 得分析可知，直接式轮胎压力监测系统将是t p m s 发展的 主流。 1 5 本文的组织结构 本文作者本着学以致用的科学研究态度，在对t p m s 现状和发展趋势做了充分的 分析之后，对所涉及的相关技术展开了深入地研究，并将研究成果付诸于实践，实现 了一个低成本、高效率的直接式t p m s 系统。 本文主要讲述了直接式轮胎压力监测系统的开发方案及实现过程。根据研究内 容，全文共分为七章。 第一章介绍了课题提出的背景，对轮胎压力监测系统的作用、分类及发展状况 进行了阐述。 第二章分析轮胎爆胎的因素及工况，提出系统应测量轮胎温度和气压两个参数， 并得出系统的报警的阀值，为后续的系统设计提供了理论依据。 第三章介绍本系统的总体设计包括总体布置、各模块的内部结构、轮胎模块安 装、主要器件的选择及数据通信协议。 第四章本章为系统的详细硬件设计，包括器件工作原理的介绍，外围电路的设 s l 绪论硕士论文 计，p c b 板抗干扰设计及实现。 第五章本章详细阐述了系统的软件部分设计，采用模块化的设计方法，把系统 按功能分为几个模块，对各模块分别进行了设计。 第六章本章进行了系统调试与测试。对温度测量功能、压力测量功能及无线通 信功能等系统主要功能进行测试，测试结果达到了设计要求。 第七章全文总结与展望。 1 6 本章小结 本章介绍了课题提出的背景，对轮胎压力监测系统的作用、分类及发展状况进行 了阐述。分析了直接式与间接式t p m s 的优缺点，得出直接式t p m s 是t p m s 发展 的主流。并分析了直接式t p m s 的关键技术，为本系统的设计提供方向及思路。最后 介绍本论文的主要研究内容及章节结构。 6 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 2 轮胎爆胎因素及工况分析 2 1 轮胎的分类及发展趋势 汽车轮胎按用途可分为：轿车轮胎、重载车轮胎和特种车辆及工程机械用轮胎等。 按轮胎结构特点可分为：斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎。按轮胎花纹可分为： 普通花纹轮胎( 横沟花纹轮胎与纵沟花纹轮胎) ，混合花纹轮胎( 横沟与纵沟兼有花 纹轮胎) 和越野花纹轮胎( 砌块花纹轮胎) 。按轮胎内空气压力大小可分为：高压轮 胎( 气压为4 9 0 6 8 6 k p a ) 、低压轮胎( 气压为1 9 6 4 9 0 k p a ) 和超低气压轮胎( 气 压为1 9 6 k p a 一下) 。此外，还可按轮胎帘线类型分为：钢丝轮胎、尼龙轮胎、人造 丝轮胎和聚酯帘线轮胎等。以上各类轮胎又可概分为有内胎与无内胎的两种基本形 式。 无内胎轮胎的结构如图2 11 所示，由气密层、密封胶和特殊结构的胎圈等部分 构成。气密层是贴于胎里表面并延伸至胎圈底部的一层厚约0 5 3 m m 的胶层，其作 用是防止压缩空气渗入胎体引起脱层。由于它与胎体形成一体，并不像内胎那样受到 拉应力，所以受伤后并不会迅速扩大裂口，使气压下降。无内胎轮胎胎圈底部斜度较 大，胎圈直径较轮毅直径小( 轿车轮胎小1 1 5 m m ，载重车轮胎有时小4 m m ) ，与 轮毂边缘相接触的“密封胶”部位的曲率较轮辋边缘曲率大，因此胎圈能与高精度的 带有金属气门嘴的轮辋之间形成可靠的密封。 图2i1 无内胎轮胎结构示意图 i 一橡胶密封层2 一气密层3 一槽纹4 一轮辋5 一气门6 一密封胶 由无内胎轮胎结构可知，无内胎轮胎具有咀下优点： 在汽车批量生产中，轮胎安装更简单，更快捷。 气密性能好，轮胎受小的损伤时能自动封闭。 减少汽车因轮胎故障在路上停留时间( 不必更换内胎，修理时轮胎不必从轮毅 2 轮胎爆胎因素及工况分析 硕士论文 上卸下来，修理简单) 没有内胎和衬垫，结构简单，且没有内胎与帘布层的摩擦，提高轮胎寿命。 目前，轿车已广泛使用无内胎轮胎，一些新型载重汽车已开始使用无内胎轮胎， 但目前的应用尚不十分普遍。这主要有两个原因：一是很多司机局限于以往的经验和 眼前需要，不愿更换；另一是无内胎轮胎需要安装在深式轮辋上，而这种深式轮辋与 目前所用的轮辋不能互相替换。因此运输公司为了换用无内胎轮胎存在着投资损耗和 编制问题，从而使无内胎轮胎在载重汽车上的普遍使用受到了限制。但是无内胎轮胎 在诸多方面的优势使它成为轮胎的发展趋势，相信在不久无内胎轮胎将会在各种车辆 上得到广泛得应用。 本文正是基于无内胎轮胎设计的一款轮胎压力监测系统。无内胎轮胎的良好应用 前景也为本系统的应用提供了保障。 2 2 轮胎爆胎主要原因分析 爆胎，是轮胎不能承受胎内气体压力而产生的瞬间破裂现象即胎压相对轮胎强度 过高。爆胎大致可分为以下三种情况： ( 1 ) 胎压不足时，轮胎遇到异物，异物刺入胎中引起爆胎。 ( 2 ) 胎压过高，超载或高速行驶，胎内温度上升，胎内气体膨胀，引起爆胎。 ( 3 ) 轮胎过渡磨损，胎压稍高或胎温上升，胎内气体膨胀，引起爆胎。 ( 4 ) 胎温过高，轮胎橡胶性能变化，胎内气体膨胀，引起爆胎。 所以轮胎气压的大小、胎内温度是引起爆胎的根本因素。轮胎过渡磨损直接导致 其强度下降，而轮胎的过渡磨损又是由胎压不标准和胎温过高引起的【刀。由上所述可 知引起爆胎的因素主要有：胎压过高、胎压过低及胎温过高。现在以下- d , 节对这三 种引起爆胎的原因进行分析。 2 2 1 轮胎胎压过低 轮胎胎压过低的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 轮胎的气压低时，轮胎向里弯曲，胎面的中部负荷要小一些，而胎面的边缘负 荷急剧增加，使材料应力增大，这种现象为“桥式效应 。产生“桥式效应 时，胎 面磨损不均匀，胎面的边缘严重磨损。同时，胎面的中部几乎保持不变。这种不均匀 磨损使轮胎寿命降低。另外此种情况下，轮胎滚动时肩部产生的温度比轮胎其他部分 高，由于生热而温度增高，更加促使胎面边缘磨耗加速。 ( 2 ) 当轮胎充气不足时，轮胎的侧壁也就会承受过大的压力，这样可以产生大量的 热量以致造成轮胎的损坏。 ( 3 ) 若轮胎气压低于标准值过多时，轮胎下沉，轮胎与路面接触面积增大，阻力上 2 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 升，摩擦增加。随之，温度升高，胎面橡胶变软，轮胎强度下降；车辆行驶速度越快， 这些变化越明显，爆胎也越容易发生。 实验证明，轮胎气压高于标准值1 0 ，轮胎行驶里程下降5 ；高于标准值2 0 ， 行驶里程下降9 ；高于标准值5 0 ，行驶里程下降4 0 。轮胎气压低于标准值1 0 ， 里程下降6 ：低于标准值2 0 ，行驶里程下降1 7 ：低于标准值5 0 ，行驶里程下 降5 2 ；由以上数据可知轮胎气压过高或过低对轮胎使用寿命的影响，同时也反映了 轮胎气压对爆胎的影响。从中还可以看到，胎气压过低比轮胎气压过高所产生的影响 要大，所带来的危害也要大【7 】。 2 2 2 轮胎胎压过高 轮胎胎压过高的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 当轮胎内气压高于标准气压值( 过压) 时，内压增加使轮胎刚性增大，相同载荷 下的变形减小，内应力也相应增加。因此胎面胶的橡胶分子链长期处于高度伸张应力 状态下，其耐磨性显著下降。导致胎面胶，特别是胎面中部磨损加速。 ( 2 ) 从轮胎结构看，胎冠顶部帘布层处于行驶面中心部位即胎面中部，胎内气压对 轮胎的向外扩张作用力在胎面中部达到最大值。当胎压过高时，该作用力使胎体产生 较大的径向伸长变形。由于胎面中部最先与地面接触，所受的冲击力、剪切力和磨耗 也最大。如果气压过高迫使胎面中部产生更大的凸变，胎面弧高进一步增大，胎体帘 线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大。同时胎面与地面的接触面积减小，单 位压强增加，导致胎面中部的磨损进一步加剧。综上所述轮胎气压过高的情况下，轮 胎帘布将受到伸张变形，会引起轮胎弹性下降、刚性增强、动载加剧、接地面积小、 单位面积负荷增大，导致胎冠顶部过渡磨损。 ( 3 ) 轮胎气压过高时，增加轮胎打滑及遇到冲击时被割伤的危险。 ( 4 ) 轮胎气压超过标准值时，轮胎弹性下降，缓冲性能下降，当行驶中受到较大冲 击时，轮胎承受不了过高的压力就容易爆胎。车辆行驶速度越快，跳动越大，轮胎受 到的冲击也越大，爆胎就容易发生。 2 2 3 胎温过高 按胎体帘线的排列方式不同，轮胎分三种基本结构形式：斜交轮胎、带束轮胎和 子午线轮胎。现代轿车轮胎基本上采用子午线轮胎，子午线轮胎由尼龙帘线、聚酯帘 线、钢丝帘线等骨架材料和各种功能橡胶组成。层数一般为2 3 层，层级强度在5 1 3 级之间。尼龙帘线、聚酯帘线和各种橡胶都属于高分子材料，而高分子材料有两个 基本特性：( 1 ) 在往复变形过程中会产生热量，且变形越大，生热越多；( 2 ) 是热的不 良导体。 车辆行驶过程中，作用在车轮上的部分汽车总质量和路面对轮胎产生的冲击负 9 2 轮胎爆胎因素及工况分析硕士论文 荷，使轮胎产生反复伸缩变形，伸缩变形消耗的功大部分转化为热量。由于组成轮胎 的大部分高分子材料是热的不良导体，热量难以散发，胎内温度迅速升高。且由试验 得知：轮胎内部温度与轮胎的负荷和运转速度的乘积成正比。从轮胎结构上来说，胎 内温度与轮胎壁厚的平方成正比。 另外胎温还与车速有密切关系。当汽车高速行驶时，轮胎变形频繁，胎体振动频 率以及轮胎周向和侧向产生的扭曲变形频率也随之增加。当车速提高到某一临界值 后，产生共振，导致轮胎表面变形来不及恢复原状，在轮胎胎冠表面呈现驻浪波形( 称 之为“驻波”) ，此时消耗的功率与轮胎运转速度的三次方成正比，且消耗的大部分 能量都转化为热能，致使轮胎温度骤升。 轮胎内部温度升高导致轮胎材料的机械性能下降。当温度由零度上升至1 1 0 0 时， 轮胎材料的强度下降大约2 0 ；当温度上升到1 1 0 时，轮胎材料的抗拉强度迅速 下降。与此同时，随着温度升高，轮胎气压上升，使得帘线应力增大，最终导致轮胎 爆裂【8 1 。 2 3 报警阀值确定 总结本章以上各节分析可知引起爆胎的因素主要有：胎压过高( 过压) 、胎压过 低( 欠压) 及胎温过高。欠压和过压对轮胎性能的影响如图2 2 1 所示【引。 图2 3 1 欠压和过压对轮胎性能的影响 由图2 2 1 可知，如果轮胎压力超过标准的2 0 ，轮胎应力就会超过标准2 2 ， 这将使轮胎应力一应变状况急剧恶化，并可能由此引发爆胎事故。 图2 2 2 反映了轮胎压力对轮胎寿命的影响。若轮胎一直按标准胎压行驶，则其寿 命可达到最大值。这仅仅是一种理想情况，当胎压保持在标准值的8 0 1 2 0 之间， 轮胎寿命保持在最大值的9 0 以上。当胎压超过这个范围，轮胎寿命就会大幅度减小。 1 0 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 o1 0 0 t 矿、 高8 0 _ 犁6 0 日p 贮4 0 拙 怠2 0 s 0 、 、 ， ， z o4 06 08 0 1 0 0 1 2 01 4 0 标准内压 图2 3 2 轮胎压力对其寿命的影响【8 】 所以汽车轮胎压力监测系统应密切监视轮胎内部胎压及温度。当胎压高于或低于 标准胎压的2 0 时就非常危险应予报警，同时根据高温对轮胎性能的影响，得出当胎 温高于8 5 时应给予报警( 特殊车辆除外) 。 经过分析为本文所设计的汽车轮胎压力监测系统的低压报警阀值为标准胎压的 8 0 ，高压报警阀值为标准胎压的1 2 0 ，高温报警阀值为8 5 。 2 4 本章小结 本章介绍了轮胎的分类以及发展趋势，着重阐述了无内胎轮胎的优点以及应用前 景，指出了无内胎轮胎的广泛应用是必然趋势。同时，本章并对爆胎因素及工况进行 详细分析，得到引起爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎温过高。并且根据轮 胎压力与轮胎性能的曲线关系、轮胎压力和寿命的曲线关系以及轮胎温度对轮胎性能 的影响判断出轮胎压力监测系统合理的报警阀值。 3t p m s 系统静总体设计研究硕圭论文 3t p m s 系统的总体设计研究 3 1 设计锤务分析 汽车轮胎气压监测系统主要作用是对轮胎气压和潺度进行实时鳖测。当出现异常 时，报警提醒驾驶员采取措施，属于事前报警措施，防范予来然。本文要设计一款震 予无肉胎轮胎上麓轮胎气鹱监测系统，属予直接式t p m s 。设计任务主要包括：总体 方案设计，硬件设计，软件设计以及试验测试等。 3 。2 系统设计要求 3 2 1 轮胎模块设计要求 誊接式t p m s 系统分势轮胎模块和接收报警模块。轮胎模块堂接安装在轮胎凑部， 工 乍环境非鬻恶劣。南于轮胎工作在室外温差特别大，在- - 4 0 c 1 2 5 c 温度范丽内 轮胎模块要能正常工作两量要能抗高嚣，潮湿及高温。它的体积和重量也受到了限制， 体积要能满足在轮胎内有限空间逡安装，重量要尽量不雩| 起轮胎的不平德。所以不能 选用大的毫源来供电，同时要求模块长时溺王作，在一块锾离子瞧混供电的情况下， 使用寿命要达到3 。5 年，因丽要减少发射模块的功耗。轮胎模块设计应达到如下要求： 1 ) 体积小，夔量轻，便于保持轮胎熬平筏。雀成本允许的条髂下尽量采焉集成度 嵩的蕊片。 ( 2 ) 功耗低、时效长，尤其是测量与发射模块的功耗要尽可能麴低，因为轮胎的封 闭环境不便子更换电沲。使用寿命要达到4 5 年。 ( 3 ) 射频收发时抗干扰和抗噪声豹效果要好，发射的有效距离要适当。要采用软硬 件抗干扰攒施保证轮胎模块正常工作。 ( 曩) 压力温度测量的精度要达到一定要求，以便能准确报警。 鳓系统要有较宽的温度范固，应满足- - 4 0 c - 1 2 5 的温度藏围内正常王作，适 合不同地区不同攀节的使用。 囝同时要安装简单，更换方便。 3 2 2 接收显示模块设计要求 接收报警模块应熊及时发出声光报警，并旦强度足够号| 起驾驶员注意。同时接收 芯片瓣灵敏度要离。对其功耗没有特别的要求，健要采取抗干扰措施保证模块准确接 收信弩，并给出报警及显示塞异常轮胎的编号、溢度、压力及温度值。 1 2 硕士论文汽车轮胎压力监测系统设计研究 3 3 系统的总体方案 本文设计的是一款直接式汽车轮胎压力监测系统主要包括：直接安装在轮胎内部 的轮胎模块和安装在驾驶室内的接收报警模块。 3 3 1 轮胎模块设计方案 根据上一节对轮胎爆胎机理、因素及工况的分析，提取出系统需测量的轮胎参数： 胎内压力和温度。所以轮胎模块应包括：温度压力传感器、微控制器和无线发射模块。 传感器用于测量胎内气压和温度，把气压、温度值高低转化为微控制器可识别的数字 信号。微控制器通常用于控制传感器进行数据采集及控制无线发射芯片。但鉴于轮胎 模块对功耗的要求，以及发射芯片在发射数据时的功耗相对比较大，本系统在轮胎模 块中进行数据处理。当气压或温度超过报警阀值时再发射数据，来减小轮胎模块功耗。 无线发射模块包括发射芯片和天线，用于将处理过的轮胎压力和温度值发射出去。具 体设计方案如图3 2 1 。 微控制器 压压 一八， 采 力力 样 传阀 温 发射模块 感 值 度 器比 值 较 t v 数发 n o f 据射 l 编数 码据 温 温八 采 度 度 样 传 阀 压 感 值 力 器 比 值 较 t n o v i 一一一 图3 3 1 轮胎模块设计方案 3 3 2 接收报警模块设计方案 接收报警模块用于接收数据、数据再处理及显示报警。接收报警模块的接收数据 1 3 3t p m s 系统的总体设计研究硕士论文 主要由微控制器控制接收模块完成。数据再处理包括：轮胎i d 校验、c r c 数据循环冗 余码校验以及数据解析。通过蜂呜器和l e d 灯进行声光报警，l c d 显示轮胎标识、气 压值、温度值和轮胎状态。接收报警模块具体设计方案如图3 3 2 所示。 图3 3 2 接收报警模块设计方案 当接受报警模块没有接收到数据，即轮胎正常工作情况下l c d 显示“o k ，蜂鸣 器不叫，绿灯亮。当接收到数据时，微控制器对数据进行再处理，若数据帧通过轮胎 i d 校验和c r c 校验，将进行显示报警。l c d 显示轮胎标识、气压、温度及状态，蜂鸣 器呜叫，红灯闪烁，绿灯灭。当驾驶员注意到轮胎异常时可进行处理并按复位按钮， 使系统回到未接收到数据即轮胎正常工作状态。 3 4 系统总体结构设计 3 4 1 系统总体框架结构 本系统是针对使用无内胎轮胎设计的直接式轮胎压力监测系统。根据硬件分配， 系统分为装在驾驶室内的接收及报警模块及装在四个轮胎内部的四个轮胎模块。其结 构如下图3 4 1 所示： 1 4 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 图3 4 1 系统总体布置 根据上一节对轮胎爆胎因素及工况的分析，提取出系统需测量的轮胎参数：胎内 压力和温度。所以轮胎模块应包括：温度传感器、压力传感器、微控制器和无线发射 模块。传感器测得胎内气压和温度，微控制器对所测数据进行处理当所测数据超过阀 值时，无线发射模块将其发射出去。轮胎模块内部结构框如图3 4 2 。 图3 4 2 轮胎模块内部结构框图 接收报警模块完成接收数据、数据再处理及显示报警。接收报警模块的内部结构 框图如图3 4 3 。 1 5 3t p m s 系统的总体设计研究硕士论文 图3 4 3 接收报警模块内部结构框图 3 4 2 人机界面设计 人机界面设计主要指接收报警模块与人交互的界面设计。当轮胎正常工作时轮胎 模块显示正常工作界面，如图3 4 5 所示。l c d 显示“o k ”，绿灯亮，蜂鸣器不叫。 图3 4 5 轮胎正常接时收报警模块工作界面 当轮胎模块接收到轮胎温压数据并且数据校验成功后，表示轮胎已处于异常状 态，进入报警界面如图3 4 6 所示，l c d 显示出现异常的轮胎标号、温度值、压力值、 轮胎状态，红灯闪烁，绿灯灭，蜂鸣器呜叫。 1 6 图3 4 6 轮胎异常时接收报警模块报警界面 顾l 论立 汽车轮胎压力监测系统设计研究 & 吸一 3t p m s 系统的总体设计研究硕士论文 3 5 器件的选择 根据系统总体结构设计，本系统主要由温度传感器、压力传感器、发射芯片、接 收芯片、微控制器及电源等器件组成。下面各小节详细介绍各器件的选择。 3 5 1 传感器的选择 传感器是整个t p m s 系统的关键元件。数据的准确采集和发射是系统功能实现的 决定因素。其工作环境的特殊性又为传感器的选择增加了难度。轮胎模块工作在剧烈 振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的工作场合。汽车轮胎独特的工作环境， 决定了对轮胎压力实时监测的压力传感器的高要求：宽工作温度区间、宽电源电压范 围内较高的精度和可靠性及低功耗。 本系统采用的是f r e e s c a l 针对轮胎环境设计的温度压力集成为一体的传感器 m p x y 8 0 2 0 a 。它是一种基于m e m s 技术的单体压力温度传感器，主要包括硅集成式 压力检测单元、温度检测单元、s p i 串行数据接口、d a c 数模转换器、模拟值比较 电路及待机唤醒电路等。m p x y 8 0 2 0 a 满足轮胎模块特殊工作环境对传感器的要求， 其具体工作性能及特点如下【9 】： ( 1 ) 集成度较高，有利于减少轮胎模块宝贵的空间资源和减轻轮胎模块的质量，减 少安装轮胎模块后的轮胎不平衡性。 ( 2 ) 温度检测范围为- - 4 0 - 1 2 5 ，压力检测范围为0 k p a - - 6 3 7 k p a ，能满足系统 对温度和压力检测范围的要求。 ( 3 ) 采用s s o p 封装可提供强大的介质保护，体积小巧，抗干扰能力强。 ( 4 ) 功率低、耗电量小，其能量损耗可以通过外部引脚选择工作模式进行控制。 ( 5 ) 具有唤醒功能通过r s t 弓 脚在每隔大约5 2 分钟，输出一低脉冲。它是针对轮胎 压力检测环境，设置的一个功能，可以用来复位微控制器等外部设备，以防止在轮胎 环境中造成轮胎模块不正常工作，起到类似看门狗的作用。 ( 6 ) 传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号供电电压等情况下测量结 果会产生漂移。m p x y 8 0 2 0 a 具有校准功能。可以对压力、温度数据进行检测和校准。 由以上分析可知m p x y 8 0 2 0 a 满足本系统的测量要求。 3 5 2 微控制器的选择 本系统的微控制器选用的是a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 3 单片机，其为m c s - - 51 增强 型8 位单片机。其具体性能与m c s - - 5 1 比较如表3 5 1 ： 硕士论文 汽车轮胎压力监测系统设计研究 表3 5 1 a t 8 9 s 5 3 单片机与m c s - - 5 1 单片机比较1 0 】 机型 m c s 一5 l瓯$ 8 9 s 5 3 是否与m c s - - 5 1 产品兼容是是 片内f l a s h k b 48 工作电压 4 - - 5 54 5 5 全静态工