（光学工程专业论文）轮胎气压监测系统设计研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展以及汽车数量的不断增加，由汽车轮胎而引起的交通事 故不断增加，已经引起了人们的广泛的关注，同时也提出了对轮胎压力进行实时 监测的要求。 分析和研究国内外汽车轮胎压力检测设备现状，以及轮胎的变形以及轮胎的 变形与温度和压力之间的关系，总结出轮胎的压力和温度对爆胎的影响。通过比 较压力传感器的不同，提出了自己选择的压力温度传感器m p x 8 0 2 0 a ，以及比较 不同的单片机之问的区别，指出p i c 单片机与其他单片机自己独特的优点。本文 采用了以p i c l 6 f 8 7 6 a 单片机为核心的系统控制电路，对p i c l 6 f 8 7 6 a 外部器件的 设计、n r f 4 0 1 发射芯片，锁相环和发射接收部分的电路设计以及在线路板中为了 消除信号干扰而采取的措施做了详细的阐述。 在无线发射中，天线作为发射末端的负载，影响着通信性能。论文介绍了采 用的环形电线的作用，以及对阻抗匹配进行了计算，计算出天线中所需要的外部 器件的值。对于接收部分，由于各种车型的轮胎压力值不同，在此通过键盘可以 灵活地设定压力值，并通过o c m 4 x 8 c 显示器显示。 采用了p i c 汇编软件设计的系统，并通过软硬件进行了抗干扰措施，提高了 系统的抗干扰能力。 关键词：m p x y 8 0 2 0 a ；p i c l 6 f 8 7 6 a 单片机；发射：接收；n r f 4 0 1 ；天线；轮胎 压力 i；一 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r ya n dc a rc o n s t a n ti n c r e a s eo fq u a n t i t y , t h e t r a f f i ca c c i d e n tc a u s e db yc a rt i r ei si n c r e a s i n gc o n s t a n t l y ，t h ep h e n o m e n o nc a u s e s e x t e n s i v ec o n c e r no fp e o p l e ，a n dp u tf o r w a r dr e q u i r e m e n tt h a tm o n i t o rt ot i r ep r e s s u r e i nr e a lt i m e t h i sa r t i c l ea n a l y z e sa n ds t u d i e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g na u t o m o b i l et i r ep r e s s u r e c h e c k o u tf a c i l i t ya tp r e s e n ts i t u a t i o n i te x p l a i n st h er e l a t i o nt h et i r ed i s t o r t i o nw i t ht h e t i r et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ea n dp o i n t e so u tt h ei n f l u e n c et ot h eb l o w o u tf o rt h et i r e p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o np r e s s u r et r a n s m i t t e rd i f f e r e n c e ，i p r o p o s et h ep r e s s u r et e m p e r a t u r es e n s o r m p x y 8 0 2 0 a ，a sw e l la sc o m p a r eb e t w e e nt h e d i f f e r e n t s i n g l e c h i p s ，p o i n t o u tt h em e r i to fp i c s i n g l e c h i p b e c a u s et h ep i c c o m p a r i s o n sw i t h o t h e rs i n g l e c h i ph a si t s u n i q u em e r i t ，t h i s a r t i c l et a k e st h e p i c16 f 8 7 6 aa st h ec o r es y s t e m sc o n t r o le l e c t r i cc i r c u i t ，a n di n t r o d u c e st h ee x t e r i o r c o m p o n e n ts e l e c t e d ，t h en r f 4 0 1t r a n s m i t t e rc h i pp e r f o r m a n c ea n dt h ef u n c t i o n ，t h e p h a s e l o c kl i n k ，t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc i r c u i td e s i g na n da d o p t e dm e a s u r et o e l i m i n a t et h es i g nn o i s e i nt h ew i r e l e s st r a n s m i t t e r ，t h ea n t e n n at o o ka st h el o a do ft h et r a n s m i t t e rt e r m i n a l w h i c ha f f e c t st h ec o r r e s p o n d e n c ep e r f o r m a n c e t h ep a p e ra n a l y z e st h er i n g l i k ee l e c t r i c w i r ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt h ef u n c t i o n ，a sw e l la sc a r r i e so nt h ea n a l y s i sc o m p u t a t i o n t ot h ei m p e d a n c em a t c h i n ga n dc o m p u t e se x t e r i o r c o m p o n e n tv a l u ew h i c hi nt h e a n t e n n an e e d s t or e c e i v ep a r t ，e a c hk i n do fv e h i c l et i r ep r e s s u r ev a l u ei sd i f f e r e n t ，m a y e s t a b l i s hp r e s s u r ev a l u et h r o u g ht h ek e y b o a r d ，a n do c m 4 x 8 cm o n i t o rd e m o n s t r a t e si t u s e dt h es y s t e mw h i c ht h ep i ca s s e m b l ys o f t w a r ed e s i g n s ，a n dc a r r i e do nt h e a n t i - j a m m i n gm e a s u r et h r o u g ht h es o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，i m p r o v e dt h e s y s t e m a n t i - ja m m i n ga b i l i t y k e y w o r d ：m p x 8 0 2 0 a ；p i c16 f 8 7 6 as i n g l e c h i p ；t r a n s m i t t e r ；r e c e i v e r ；n r f 4 01 ； a n t e n n a ；t i r ep r e s s u r e 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着我国汽车数量的不断增长，交通事故日益频发，已经给人类的生命和财 产带来了极大的威胁。尤其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，也是突发性交通事故发生的重要原因。 新世纪伊始，由于凡世通轮胎的质量问题而引起的交通事故，造成了超过1 0 0 人死亡和4 0 0 人受伤，此事引起了汽车业界和美国政府的关注。普利斯通凡世通 公司被迫于2 0 0 1 年8 月收回6 5 0 万只轮胎。另外，根据美国汽车工程师协会最近 的调查，美国每年有2 6 万交通事故及7 5 的轮胎故障是由于轮胎气压低或渗漏造 成的。 在我国，我国的道路交通安全形势严峻，年事故死亡人数高达1 0 万人以上， 而由于汽车轮胎气压不合理而引起的交通事故也呈上升的趋势。爆胎，已经成为 我国目前汽车交通事故的三大杀手之一，据有关部门对高速公路上的交通事故的 统计发现，4 6 的交通事故是由轮胎发生故障引起的，其中爆胎引发的事故更是 占了7 0 以上，而由于轮胎使用不当导致问题的占9 5 以上。大量的爆胎和翻车 事故，给个人以及社会带来了巨大的经济损失，而如何防止汽车爆胎已成为安全 驾驶的个重要课题。 轮胎作为汽车与路面接触的唯一部件，它是乘客与车辆的载体。轮胎作为一 个充气物体，主要依靠胎腔内的空气起作用，更确切地说是依靠充气的压力起作 用。轮胎气压是一个非常重要的参数，气压是否正常，将直接影响到汽车的各种 性能指标。不合理的轮胎压力将不仅导致油耗的增加，而且降低汽车的舒适性， 同时也使轮胎的自身使用寿命降低，最重要的是它严重影响了汽车行驶的安全性。 由此可见，轮胎气压对汽车综合性能起着重要的作用。伴随着汽车工业的发展， 轮胎的类型也发生了很大的变化。智能轮胎和绿色轮胎也己成为轮胎技术的重要 发展目标。 轮胎质量专家分析，保持标准的轮胎气压行驶和及时发现轮胎漏气是防止爆 胎的关键。如何才能保持轮胎的正常压力要求? 在我国，驾驶员一般凭经验来判 青岛理工大学工学硕士学位论文 断，但对于充气压力达到7 0 以上的轮胎，其外观看起来同1 0 0 充气压力一样。 通过每月或每周的轮胎压力检查，对处于动态行进中的轮胎，由于其气压和温度 都随时发生着变化，因而不能对轮胎行驶过程中进行实时监控，也就不能在根本 上解决实际问题。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 ，汽车轮胎压力监测系统) 将压力传感器放置于轮胎内部进行实时监测，毫无疑问将是理想的方法。随着汽 车工业和电子产业的不断发展，电子产品在汽车中的应用越来越广泛，汽车电子 化的程度越来越高，而t p m s 近几年来发展比较迅速，它可以对轮胎压力和温度 进行实时检测，可以更好的监控轮胎，因而成为了该领域令人瞩目的焦点。 1 2 t p m s 简介及其相关立法 t p m s 是汽车轮胎压力监视系统”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 ”的英文缩写， 主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和高气压进 行压力报警，以保障行车的安全，t p m s 系统是保障驾车者、乘车人生命安全的一 种预警系统。 现在市面上的t p m s 系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮 胎压力监测模块( r e m o t et i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g ) 和安装在汽车驾驶台上的中央 监视器。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的模块，将测量得到的信号 调制后通过高频无线电波( r f ) 发射出去。一个t p m s 系统有4 个或5 个( 包括 备用胎) r t p m 模块。中央监视器接收r t p m 模块发射的信号，将各个轮胎的压 力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常， 中央监视器根据异常情况，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。由 于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将t p m s 的远程轮胎压 力监测模块安装在轮毂上是十分方便和容易的，但是汽车在高速跑动时轮胎内环 境和温度是十分恶劣的，压力、温度、湿度变化特别大，所以对该模块的要求也 就较高。 目前，t p m s 主要分为两种类型，一种是w h e e l - s p e e db a s e dt p m s ( 间接式 t p m s ) 。另一种是p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ( 直接式t p m s ) 。 1 2 1间接式t p m s 间接式t p m s 是通过汽车a b s 系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 别，以达到监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4 个车轮转 速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压过高或不足时， 轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速 的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压过高或不足，从而产生 压力报警。这种方法的优点简便，不用外加检测设备，但其不足是不能同时对两 个以上的轮胎同时缺气和速度超过1 0 0 公里小时的时候进行检测。并且当轮胎的 新旧程度不同时，也会带来很大的误差。 1 2 2直接式t p m s 直接式t p m s 又分为主动式和被动式两种。主要区别是主动式t p m s 中的轮 胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。 1 2 2 1主动式t p m s 主动式t p m s 是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感 器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监 视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎 气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。 轮胎压力监测模块由五个部分组成：( 1 ) 具有压力、温度、电压检测的智能传 感器；( 2 ) 单片机；( 3 ) r f 射频发射芯片；( 4 ) 锂亚电池；( 5 ) 天线。外壳选用高强度 a b s 塑料。器件、材料满足一4 0 到+ 1 2 5 的使用温度范围。其中智能传感器在 封装的上方留有一个压力温度导入孑乙，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜 上，同时这个孑乙还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。为了便于t p m s 接 收器的识别，每个压力传感器都具有1 6 3 2 位独特的i d 码。适用于t p m s 的智 能传感器主要有硅集成电容式压力传感器，如f r e e s c a l e 的m p x y 8 0 2 0 、 m p x y 8 0 4 0 ；硅压阻式压力传感器，如g en o v a s e n s o r 的n p x l 、n p x 2 ，i n f i n e o n s e n s o n o r 的s p l 2 、s p l 2 t 、s p 3 0 。t p m s 在无线电发射中，其工作频率在北美标 准为3 1 5 m h z ，欧洲标准为4 3 3 9 2m h z ，韩国为4 4 8m h z ，现已有人建议新标准 为8 6 8m h z 。其发射功率不能超过1 0 d b m ，否则就要受到无线电管制。工作模式 有a s k ( 振幅变换调制) 、f s k ( 频率变换调制) ，但比较而言，f s k 抗干扰较好。 汽车在行驶过程中，轮胎处于高速旋转的状态下，由于其特殊的工作状况，因此， 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 对r f 芯片选用的要求是：( 1 ) 发射功率尽可能大；( 2 ) 芯片外型尺寸尽可能小； ( 3 ) 具有比较好的性价比。a t m e l 的t 5 7 5 4 、i n f i n e o n 的t d k 5 1 1 0 的标称发射 功率都达1 0 d b m 。 电池选用锂亚电池，以保证远程轮胎压力监测模块在高低温环 境中都能正常工作。这是由于传统的锂电池在- - 4 0 低温时丧失电能，在+ 1 0 0 高温时会自动放电，所以不能满足轮胎压力检测的要求。t a d i r a n 生产的 l t h 2 4 5 0 锂亚电池满足t p m s 宽温度范围的要求。天线是远程轮胎压力监测模块 发射功率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。 远程轮胎压力监测模块的整体电源管理是十分重要的，做好电源管理和如何省电 是关键所在。发射模块在汽车轮胎内的安装有二种方式，一是利用气门嘴安装； 二是利用紧箍扣安装在轮毂上。当然，无论采用哪种方式，安装完t p m s 发射模 块都必须对轮胎重新做动平衡检验。中央监视器即t p m s 接收器主要由u h f a s k f s kr f 接收芯片和信号处理的m c u ，以及键盘和l c d 显示器组成。对于 r f 接收芯片和信号处理m c u 一般都安装在一个盒子里，如可安装在汽车仪表箱 内，带控制键盘的l c d 显示器可安装在驾驶台上，l c d 显示器能实时显示每个轮 胎的压力、温度，和每一个轮胎的i d 识别码，以及发出声光报警。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，对于省电的要求不是很 高，因而可以使用汽车的1 2 v 或2 4 v 电源，在接收部分对器件的选用一般只要求 是工业级即可。r f 接收芯片选用时一般需要考虑具有较高的接收灵敏度，以提 高t p m s 的工作效率和降低整个系统的生产成本。 主动式技术的优点是，它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂 牌的轮胎，但主动式t p m s 传感器发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带 来一些弊端，如电池的使用寿命和由于电池的存在很难降低发射器的重量等等诸 多不利因素。 1 2 2 2被动式t p m s 被动式t p m s ，也叫无电池t p m s ，用一个中央收发器代替了一般直接式t p m s 中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的 转发器( 代替了发射器) 接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量 来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发 送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。日本的阿尔卑斯公司 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 现已研制成功，但由于条件的限制无电池t p m s 短期内还很难推广。 1 2 3 相关立法情况 凡事通事件引起了业界和美国政府的高度关注，美国政府要求汽车制造商加 速发展t p m s 系统，以求减少轮胎事故的发生。因此，在2 0 0 0 年美国国会通过了 t r e a d 法案。t r e a d 法案的要求之一是到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。2 0 0 0 年1 1 月1 曰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，要求2 0 0 3 年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。 回应t r e a d 法案，美国公路交通安全局( n t h t s a ) 要求到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1 0 0 。此法令对t p m s 的各项指标提出了具体要求：在当车辆的任何一个 轮胎或多个以至四个轮胎的气压都比汽车制造商所规定的轮胎应充冷气压数值低 2 5 或者更多时，在2 0 分钟之内发出气压不足警示。而在国内，包括t p m s 在内的 许多汽车安全技术，例如a b s 、e b d 、e b a 等相关电子技术尚未制定国家标准， 以法规形式强制要求安装t p m s 还需一段时间。 1 3 国内外研究开发现状 由于轮胎压力对汽车综合性能影响起着重要的作用，以及影响汽车行驶的安 全性，因而国内外对此对进行了大量的研究，以提高汽车的综合性能指标，最主 要是提高汽车行驶的安全性。 1 3 1 国外研究现状 国外因立法较早，其开发生产的t p m s 较为成熟，主要生产商有加拿大斯马 轮胎设备( s m a rt i r es y s t e m s ) 公司，固特异轮胎橡胶公司，米其林集团公司，诺 基亚轮胎公司，日本横滨公司等。 米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中， 将压力、温度l 监测和信号发射装置埋入轮胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间( 一 股为1 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。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 美国固特异轮胎橡胶公司以r f i d 技术作为研发智能轮胎。该公司和西门子 v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带r f i d 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。 日本阿尔卑斯电气日前成功开发了不需电池的汽车轮胎气压监测系统。阿尔 卑斯公司从德国t q m o b i lg m b h 获得了不使用电池的t p m s 技术，计划从2 0 0 6 年开始量产供货，此次通过在轮胎上配备不需电池的转发器解决了这些问题。气 压数据信息的收发通过安装在车身上的收发器进行。它每个发射机应答器( 不含 阀门部分) 的质量仅为6 9 ，使用温度范围为- - 4 0 + 1 5 0 。测定误差在1 0 k p a 以内。支持的最大速度达3 3 0 k m h 。 目前市面上比较主流的t p m s 开发系统： 1 ) 摩托罗拉m p x y 8 0 x os e r i e s 轮胎压力监测系统开发平台 m p x y 8 0 x o ，称为d a y t o n a ，这是一种表面微机械加工的电容性微机电系统 ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mm e m s ) 压力传感器。d a y t o n a 包括压力变换器、 正温度系数扩散电阻温度传感器及其他所有必需的电路。使之能输出经过校准的8 位数字压力和温度数据，所有这些都在一个芯片上。m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 ，也称r f 2 ， 它包括两个部分，第一部分是2 k b 的闪速h c 0 8 微控制单元( 与m c 6 8 h c 9 0 8 r k 2 相同) ，第二部分是一个可以发射u h f 频段数字数据的r f 发射器，其发射距离可 达数百米( 与m c 3 3 4 9 3 相周，又称t a n g o 。m c 3 3 5 9 4 称r o m e 0 2 ，接收r f 2 发射 信号的接收器。r o m e 0 2 可以接收和解调曼彻斯特编码的数据并通过普通串行外设 接口( s p i ) 输出。m c 6 8 h c 9 0 8 k x 8 ，简称k x 8 ，作为接收器微控制器，也可以 使用m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 替代k x 8 。摩托罗拉m p x y 8 0 x 0s e r i e s 轮胎压力监测系统参 考设计包括5 个模块：4 个轮胎模块和1 个接收模块。轮胎模块包括d a y t o n a 、r f 2 、 电池、分立元件和印制天线。接收模块有r o m e 0 2 、k x 8 、5 个指示状态的l e d 、 电池、电源接插件和r s 2 3 2 串行接口。 2 )通用g en o v a s e n s o r 的n p x 开发系统 n p x 开发系统有两种，一种是n p xi ，另一种是n p xi i 。n p xi i 比n p xi 多集成了一个力 1 速度传感器n p x 开发系统的特点是：所有传感器都集成到一个芯 片上；能够准确测量轮胎内部的温度、气压和电池电压，同时具有温度补偿功能， 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 使测量更准确。n p xi i 还可测量汽车的加速度。此外还有l f 唤醒，离心开关唤醒 及加速唤醒( n p xi i ) 等功能。 3 ) i n f i n e o n ( 英飞凌科技) s e n s o r 公司的s p l 2 开发系统 i n f i n e o n 英飞凌科技的t p m s 开发系统中，s e n s o r 是采用收购的挪威专业胎压 传感器制造商s e n s o n o r 的产品，它采用了基于m e m s 技术的硅压阻式压力传感器 作为胎压监测单元，英飞凌s p l 2 和s p l 2 t 可以同时传输四组不同的数据( 温度、 压力、加速度和供电) ，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及s p i 串行通信 接口c m o s 大规模集成电路。 英飞凌s p l 2 和s p l 2 t 设有补偿功能，可以对压力，加速度，温度，供电电压 信号进行检测和补偿，准确提供不同型号轮胎在不同环境时的补偿值，有效地保证 了测量可靠性。s p l 2 传感器采用了l f 唤醒瞬态工作模式，并在传感器模块中增 加了加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性，可以实现汽车启动自动开机 才进入系统自检，而如果检测到加速度低于设置的标准值时( 表示汽车没有运动) 让系统进入睡眠状态，从而大大地降低了系统功耗。l f 方式还具有自动轮胎定位 功能。 t d k 5 1 0 x f 系列是工作在4 3 3 4 3 5 m h z ( t d k 5 1 0 0 f ) 和3 1 1 - 3 1 7 m h z ( t d k 5 1 0 1 f ) 频带内的单片f s k a s k 发射器，该器件含有一个集成的p l l ( 锁相环) 合成器，以及一个高效率功放用来驱动环形天线。r f 的信号接收可用t d a 5 2 1 0 ( f s k a s k ) 接收器。 除了上述三种主流开发系统外，还有a t m e l 轮胎压力监测系统开发平台；飞 利浦p 2 s c 开发系统；s m a r t i r e 公司提供的t p m s 芯片组及相应的解决方案。 1 3 2 国内研究现状 在我国轮胎气压不合理的问题，并未引起人们的高度重视，人们更习惯于根 据经验来判断轮胎充气压力是否合理，找不到一套行之有效的简便方法来实时监 测轮胎充气压力。并且多数人认为，只有旧轮胎才容易爆胎，而新轮胎不会，实 际上这些认识都是错误的。伴随着我国对汽车的需求向智能化的发展，对汽车性 能的要求也越来越高，汽车制造商和用户都希望汽车更安全、可靠，燃油经济性 更高，以及对汽车的维护费用降的更低。对于此要求解决轮胎充气压力实时监测 的问题变得尤为迫切。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 相对于国外来说，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。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。生产及正在研 究t p m s 的企业和厂家大概有2 0 0 多家，主要有上海泰好电子科技有限公司，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，福州东球金口哨轮 胎防爆有限公司，上海保隆实业有限公司，宁波亿莱斯电器有限公司，昆山双桥 传感器测控技术有限公司等。高校及科研院所方面，吉林大学、北京理工大学、 江苏大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等都有学者对t p m s 相关技 术进行理论研究。 但是国内一些厂家生产的t p m s 基本是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开 发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。 上海交通大学也在进行t p m s 的开发研究，他们推出的s a w 传感器能同时测 量轮胎内压力、温度和发射数据，不仅实现了智能轮胎信息的无源测量和无线发 送，而且拥有了中国人自主的知识产权。 2 0 0 4 年9 月，清华同方推出了目前国内技术最先进、使用最简便的汽车轮胎 压力监测系统。这一主动安全技术产品的功能就是自动检测轮胎温度及胎压，实 时发出警告声，提醒驾驶者采取措施，以防爆胎事故发生。 在2 0 0 5 年，我国首款无源汽车轮胎压力监视系统在浙江省杭州研制成功。据 介绍，无源t m p s 采用仅有樟脑丸大小的微震动发电机供电。 1 4 t p m s 的应用情况 国外许多装配t p m s 的车辆，这些车型如：奥迪系列：a 8 、a 6 a l l r o a d 、 a 8 n a c h f o l g e r ( d 3 ) 、r s 6 b e n t l e y m i d s i z e b e n t l e y ( m s b ) ：宝马系列：7 系列、5 系列、 3 系列、x 5 、s e r i e s 7 ( 新) 、s e r i e s 5 ( 新) 、x 3 ；奔驰系列：e c l a s s a m g 、c l 、s - c l a s s 、 s l r o a d s t e r 、e c l a s s 、m a y b a c h 、s - c l a s s ( 新) 、s l c l a s s 、s l r ；法拉利系列： 5 7 5 m a r a n e l l o 、e n z o 、f 1 3 7 、m o d e n a m a s e r a t i m l 3 9 ( p r o j e k t n a m e ) ；保时捷系列： c a y e n n e 、b o x s t e r 、9 11s e r i e s s c h m i t z c a r g o b u l l ：大众的p h e a t o n 、t o u a r e g ，雪铁龙 的c 5 ，英国阿斯顿马汀的超级跑车v a n q u i s h ，林肯大陆，旁蒂克的旗舰 b o n n e v i l l e s e 等等。另外，2 0 0 2 年夏天上市的克莱斯勒与道奇( d o d g e ) 迷你箱型 车以及c h r y s l e r 3 0 0 m 与c o n c o r d e l i m i t e d 客车也装设t p m s 。 国内只有个别车型如上海通用的别克和奥迪车安装了t p m s 。 r 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 5t p m s 技术发展趋势 汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一 个永恒的主题，因此，t p m s 将成为汽车安全保障系统之一。随着t p m s 产品市 场对芯片高整合度和高可靠性的要求，目前已经有了如g en p x 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，届时远程轮胎压力监测模块只有一个模块和一个天线组成，客户的二次设计 变得十分简便。t p m s 发射模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。 1 6 本课题研究的意义 本文选用无线频率发射，对轮胎进行实时监测和报警，对于轮胎压力进行实 时监测，能够保持在标准的车胎气压下行驶和及时发现车胎漏气，因而能够防止 爆胎，防止发生突发性、恶性交通事故。轮胎气压监视系统属于”事前主动”型安全 保护，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，同时延长轮胎使用寿命和保护了人员 的生命安全和财产安全。 1 7 本章小结 随着汽车数量的不断增长，汽车事故也曰益频发，而由轮胎引起的事故已成 为人们广泛关注的焦点，本文通过分析当前的轮胎现状，介绍了课题研究的背景， 以及对国内外汽车轮胎压力监测现状进行了分析和研究，说明了轮胎压力监测具 有广阔的市场前景和研究价值，同时提出本课题研究的意义。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章轮胎变形分析及压力传感器设计 轮胎作为车辆的一个组成部件，由于它和其他零部件所起到的功能不同，因 而它在汽车行驶当中具有其独特的作用。首先，它具有承担车重和载客的作用； 其次，因为轮胎是汽车上唯一与路面接触的部位，因此，不论是汽车的起动、行 驶、还是制动、停车都要通过轮胎与路面“沟通”，并通过轮胎来完成汽车或汽车 驾驶人员的意愿；再次轮胎具有缓冲和吸震功能，使汽车能在较为舒适的情况下 前行，这是因为轮胎本身就是由具有弹性的5 0 左右的橡胶制成，加之轮胎内的 空气的绝妙的吸震功能，所以才能使汽车在恶劣的路面也能轻松自如地前行；最 后，汽车不论是转向还是掉头都需要由汽车的轮胎来完成，它要按照驾驶员的意 愿来改变汽车行驶的方向。所以，轮胎在整个汽车的零部件中具有十分重要的地 位。 轮胎与燃油经济性有关，当汽车行驶中，轮胎和路面之间相互作用所消耗的 能量占汽车消耗总能量的百分之二十( 对于卡车这个比例可达到百分之四十) 。对 于处于低压行驶中的汽车，轮胎的变形加大，从而其滚动阻力增加，燃油消耗量 加大，由此可见，轮胎对燃油经济性的评价起着重要的作用。 2 1 轮胎变形分析 轮胎在正常情况下，由于要承受车身的重量，产生压缩变形，它的变形量受 路面、负荷、气压、以及轮胎结构的影响。 轮胎的变形，通常用断面高的百分数压缩系数来评定，对于普通轮胎， 或者近似地用断面宽的百分数来评定。 轮胎变形时，无论是轮胎材料，还是压缩空气，都承受变形，其中轮胎的主 要部分胎体和胎面约承受4 0 左右负荷，其余的6 0 则由压缩空气承受。 在最大允许负荷作用下，普通轮胎的压缩系数为1 0 - 1 2 ，为了乘坐舒适， 适当增大压缩系数为1 2 - 1 4 。每条轮胎的压缩系数还根据气压的不同而变化。 2 1 1 轮胎变形与路面和负荷的关系 作用于轮胎上的负荷，直接影响变形程度。可以近似地认为这种关系成正比， 即同样的负荷增长量，近似地对应于同样的变形增长量。可以看出，当变形大时， 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 轮胎的刚度只稍微增大一些，当变形小时，轮胎的变形小，变形是由胎面胶的变 形和帘布层中帘线位置发生小的变化造成的。 轮胎的变形还与路面状况有关。在硬路面( 如沥青路面或水泥混凝土路面) 上行驶时，轮胎的变形取决于轮胎的结构、内充气压力及外负荷；在松软的地面 上行驶时，同一轮胎的变形便减小，地面越松软，变形就越小。在这种情况下， 变形与地面的抗压缩强度有关。同一地面，温度不同时，其抗压缩强度也呈显著 不同，所以，轮胎的变形，不但与路面的类型有关，而且与路面的状态有关。 2 1 2 轮胎变形与温度和压力的关系 车轮滚动时，由于轮胎的变形，在轮胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、 帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化为热能，使轮胎温度升高，特别在轮胎压 力过低时，这种现象更加明显。胎温升高，对轮胎的使用寿命有很大影响，它能 加速橡胶老化，降低其物理性能，使橡胶产生龟裂，同时还会发生胎体帘线布层 脱层以致破坏。若胎温超过9 0 ，就有爆破危险，导致汽车的行驶安全性能降低。 试验表明，轮胎内部的温度与轮胎的负荷和速度的乘积成正比，与外胎厚度的平 方成反比。 轮胎变形主要受轮胎气压的影响，轮胎气压过低和过高而引起的轮胎变形， 从而引起的轮胎磨损，其图如2 1 所示： e 八 图2 1 轮胎气压与轮胎磨损的关系 青岛理工大学工学硕士学位论文 轮胎气压低于标准值行驶时，其径向变形增大，轮胎两侧将发生过度挠曲， 胎侧内壁受压，j t d n j i - 壁受拉，胎体内的帘线产生较大变形和应力。周期性地压 缩变形，会加速帘线的疲劳损坏。同时变形也使轮胎帘线布层和轮胎与地面之间 相对滑移增大，产生热量增多，致使轮胎温度急剧上升，遇有障碍受冲击时，极 易爆破；胎压过低，会使滚动阻力增大，降低行车速度，增加燃料消耗。如果轮 胎压力过高，虽然轮胎的刚性增大，但轮胎触地部分的截面过圆，使得胎面中间 部分受压过重，而边缘部分则触地不足，导致轮胎中间部分磨损过快，不仅缩短 了轮胎的使用寿命，而且由于强度下降，容易产生爆胎。 2 2 轮胎压力传感器设计 由于轮胎的性能关系到汽车行驶的安全性能，因此需要对轮胎压力和温度进 行检测。但由于检测轮胎压力和温度是一个动态特性。汽车轮胎恶劣的工作环境， 决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求。要求宽温区，宽电源电压范围内较 高的实用总精度要求，低功耗要求，无线信号传输要求，耐恶劣环境要求和低成 本要求。因而对传感器的要求条件高，并且由于放置于轮胎内部的元器件，车轮 在高速运转下产生的离心力比较大，产生车轮的动不平衡，而且设计一种放置在 轮胎内的压力传感器，由于上述条件限制，因此传感器的整个电路尺寸不能设计 的很大。 2 2 1 传感器介绍 传感器是将物理量、化学量、生物量等非电信号转换为电信号，通过检测电 流量或电压量的变化来反映被检测物体的变化，因而它是输入的窗口，提供原始 信息。若没有它对原始的各种参数进行精确、可靠的测量，无论是信号转换、处 理，还是最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。传感器作为一个信号采集 器件，如果没有精确的传感器，就没有精确的自动检测和控制。由于传感器的精 度和准确度直接影响所检测数据的精确度和准确度，因而对传感器的设计与选择 显得特别的重要。作为检测轮胎内部压力和温度的传感器，一定要具有精度高、 灵敏度高、耐温度高的特点。 轮胎压力的检测，由于轮胎特殊的工作环境，决定了压力传感器的选择要满 足宽的温度和压力检测范围，并且保证所检测数据的准确性，检测的数据不受温 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 度变化的影响。要求传感器要有好的数据采集特性。 对于轮胎压力传感器的选择，现在主要应用有两种形式：一种是机电式轮胎 压力传感器，而另一种是电子式轮胎压力传感器。 2 2 2 机电式轮胎压力传感器 放置于轮胎气门芯中的机电式压力传感器的工作原理如图2 2 所示。传感器顶 针a 顶开轮胎气门芯的芯轴，轮胎内气体外溢，通过空心螺柱传到密封垫上部的 气室内，再通过密封垫、导柱作用弹簧上，弹簧受压开始收缩，铜垫片随着导柱 的向下移动和铜外壳在其接触处产生一定压力作用于弹簧上，弹簧受压收缩，铜 垫片随着导柱的向下移动和铜外壳在其接触处产生一定的距离，从而导线e 、f 断 开。而当轮胎的气压低于设定的标准值时，弹簧依靠自身的弹力推动导柱向上移 动，直至铜垫片和铜外壳接触，导线e 、f 接通，通过上述方法检测轮胎压力值。 作为机电式轮胎压力传感器，由于对检测数据的精度不高，因而主要放置于大型 货车上，通过设置一个阈值，产生电路的闭合与断开，发出声光压力报警。 密封圈 空心螺柱 密封垫 铜外壳 导柱 弹簧 ：。j ，。j l 。一。一 1 耋芷j ， e f 图2 - 2 置于气门芯中的机电式压力传感器 2 2 3电子式压力传感器 机电式压力传感器只能检测到是否大于或小于提前设定的阈值，然后通过与 设定值进行比较来确定是否产生压力报警，但不能动态的反映轮胎内部的压力实 青岛理工大学工学硕士学位论文 际值。由于无法真正反映所检测的实际值，并且汽车在路面上行驶，传感器受到 汽车振动的影响以及轮胎高速运转产生的离心力影响，使检测数值具有较大的误 差，所以在小型汽车上主要采用电子式压力传感器。 机电式压力传感器的集成度不高，并且需要外部元器件较多，增加了整个检 测电路的重量，因此在高速行驶中很难达到设计要求，而电子式传感器由于集成 度高，整体的重量小，并且所需的外部器件少，是现代传感器发展的趋势。 采用电子式传感器能实时准确的检测出轮胎的压力和温度，通过高频信号发 射，将所检测到的轮胎压力数据发送至放置于驾驶室内的接收装置，然后通过显 示装置将所测得的数据进行显示。如果检测到的数据超出了自己所设定的压力或 温度值，产生压力或温度报警，从而提醒驾驶员轮胎在不正常的压力范围内工作。 硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。它利用较先进的 半导体电子技术进行微细加工，经过激光微调，它可使电桥的零位输出电压值小 于+ l m v ，使传感器输出灵敏度一致，具有互换性，从而使电路设计及调整较为方 便。传感器的敏感元件为制成一定形状的应变元件，当受到压力作用时，其电阻 发生变化，从而引起输出电压发生变化。硅压阻式压力传感器的特点是灵敏度高， 测量范围宽，频率响应好，易于微小型化，工作可靠，寿命长。由于硅压阻式压 力传感器能满足轮胎气压检测对传感器的要求，所以轮胎气压传感器多采用之。 压阻效应是当硅材料受到应力作用时，其晶格间距就会发生变化，使得其电 阻率发生变化，称这种现象为压阻效应。 2 2 3 1 应变计的基本原理 当晶体不受外力作用时，其电阻表示为： r：p三(2-1) j 式中 p 电阻率； ，长度； s 导线截面的面积。 当其受外力f 拉伸时，为增加，s 减少，使得r 值增加，反之亦然。 将( 2 一1 ) 式求偏微分后得到r 的变化量如下： 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 d r ：堡d i + 堕d s + 堡d o 8 ta sa o 而筹= p 芸= ( - 1 一，差= m 代入( 2 - 2 ) 式得： 积：e ( e t