一种电动汽车爆胎预警系统的研究与设计

章志和，何彬灵，张薇，李泽清，张今朝

（嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴 314001）



一种电动汽车爆胎预警系统的研究与设计

章志和，何彬灵，张薇，李泽清，张今朝

（嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴 314001）

摘 要：基于国内外内燃机式发动机驱动的汽车爆胎预警系统研究成果，针对电动汽车驱动及稳定系统的新特点，以其为研究对象，来设计爆胎预警。为了降低整套装置的功耗和优化装置的显示方式，文章从硬件和软件两方面介绍了系统的实现方法。通过传感器（于汽车轮胎内）实时检测胎压、温度等参数，反馈至控制系统，当这些相关参数超过预定阈值时，实施警报，以此来提醒司机，达到能提高行车安全的目的。

关键词：胎压监测；硬件设计；软件设计；预警系统

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.021

Keyword:tire pressure monitoring; hardware design; software design; early warning system

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-59-04

引言

汽车在给我们带来交通便利的同时也产生了能源、环境等一系列问题。电动汽车由于具有低排放、低噪声、低污染等的特点，越来越成为汽车行业的发展方向，当下只是局限于电动汽车的电源的开发，使之不能发挥它的优势和特点。在我国新能源的政策支持下，预计2010～2015年我国年均新能源汽车需求量将达35.2万辆，2015年需求量将达97.7万辆，年均增长率为21.6%。[1]

电动汽车不仅是传统动力汽车的发展趋势，其产业化的提升需要动力系统、驱动系统、整车控制系统等技术的综合进步。[2]动力系统主要考虑的是对电动汽车的节能减噪，更加符合环保的要求；驱动系统主要考虑的是电动汽车的启动性、加速性和稳定性，在行车的过程中有更舒适的体验；整车控制系统主要考虑的是汽车行驶过程中的安全问题，最大限度地保证生命财产安全，这三大系统的发展进步以致最终代替传统动力汽车有着决定性的作用。对于整车控制的研究一直都没有停止过，汽车轮胎安全的隐患也一直困扰着司机，关系着汽车轮胎安全的不稳定因素确实有很多，因此国内外以内燃机式发动机驱动的汽车爆胎预警系统着力完成了对轮胎安全系统的控制。

本文以电动汽车为研究对象，设计了一种新型的爆胎预警系统，通过实时检测胎压及温度变化，作出爆胎预警处理。

1、爆胎预警系统构建

1.1 爆胎预警系统描述

汽车胎压检测系统简称“TPMS(Tyre Pressure Monitoring System)”。在2000年第二季度的时候，美国凡士通公司出现大批轮胎爆胎及召回事件后，美国交通安全局向白宫通报了此事，引起国内外的高度重视，此后TPMS 得以研发推广。[3]按工作原理的不同可分为间接式和直接式。间接式TPMS是一种主动安全的装置，利用汽车已经标配的ABS系统的转速传感器，通过比较汽车两对角线上车轮的转速之和来判断轮胎的气压情况以实现实时自动监测，并给与适当的处理。间接式TPMS虽然在安装和操作上简单，但是存在定位事故点难、报警慢等难题，目前世界范围内主要把直接式DTPMS作为研究的对象。而直接式TPMS是利用安装在每一个轮胎里检测模块来测量轮胎内的气压、温度等直接关系到轮胎是否安全工作的数据信息，然后通过无线调制将这些数据发送到驾驶室的接收模块进行处理，如果参数超过了阈值，会立即报警。[4]简单说就是智能采集、智能计算、智能处理，给司机以警告提示的作用。本文设计的就是一种直接式DTPMS。

1.2 爆胎预警系统的实现

分析爆胎的原因，主要有：胎压过高、超载、轮胎老化、针扎等突发事件。从这些原因中，可概括出用于检测的参数有：胎压、温度、轮胎的轴心高（即胎面与轮胎轴心的距离）。这些参数都间接或直接地关系到了汽车轮胎的安全，因此在设计轮胎检测模块时用到的相关传感器包括：温度传感器、压力传感器、距离传感器、加速度传感器。加速度传感器的作用是：用于控制发射模块的工作状态，包括低功耗状态和运行工作状态。考虑司机开车的实际情况，对于参数的显示本文有一种特别的处理方式。

2、硬件系统设计方案

图1 TPMS硬件框图

硬件系统包括信息发射模块和接收模块两部分，发射模块负责收集和发送轮胎安全方面的信息，接收模块负责接收和处理由发射模块发送出来的信息，他们之间互相联系、不可分割。在设计这套系统的过程中，考虑设备的兼容性和工作特性，最后选择了经常使用的51系列单片机和一些片外设备来模拟，整个系统的硬件设计框图如下图1所示。

2.1 发射模块硬件设计方案

为检测到胎压，选择把压力传感器安装于轮胎气嘴处，检测方式类似于一般的胎压检测仪。轮胎信息发射模块的设计方案是：电池、嵌入式微型处理器（内部集成传感器）、发射设备。这种方案的优点是：①减少装置的能耗，能够提高续航功能，其中包括设备的工作状态可控、发送可控、接收可控等；②灵敏度高且成本低，这套设备具有现代电子消费产品普遍的优点；③可集成度较高，目前，各种产品集成化的发展速度和程度都在加快。[4]在建模时选择的微处理器是51单片机，片外设有加速度、压力、温度、距离传感器，射频发射模块选用nrf24L01无线模块。在设计模拟时，符合欧洲标准，无线信号调制中心频率为433.92MHz，采用SPI进行通信。

这些轮胎的参数当中，能用做轮胎是否爆胎的参数最可靠的是胎面到轮胎轴心的高度，但这对预警而言效果不大。对于预警来说，轮胎内的气压是最可靠的参数，无论是由于爆胎，还是因其他事故造成轮胎气压发生剧烈变化，都能够给司机提供参考。最后我们考虑在检测系统中不再加入距离传感器，而只对胎压和温度进行监测。

发射模块的检测电路如下图2所示，数字温度传感器DS18B20与单片机的P1.0口连接，温度传感器DS18B20将温度转化为数字信号通过P1.0送给单片机，单片机接收到信息后把它通过nrf24L01无线模块实现发射，只需将DQ与VCC之间接一个4.7K的上拉电阻，DQ端与单片机的P1.3相接即可，P2口接下拉电阻10K，将不确定的信号通过该电中断阻嵌位在低电平，并且达到限流的目的。P2口是spi接口（即串行外围设备接口），CE：选择信号、CSN、SCK：时钟信号、MISO：主入从出信号、MOSI：相反信号、IPQ：中断信号。

图2 DS18B20温度传感器模块、NFR24L01无线模块与89C52单片机接线图

2.2 接收模块硬件设计方案

如上图2TPMS硬件框图所示，接收模块由射频接收器、微处理器、LCD液晶显示器、报警器、人机接口等组成，这样增加了这套设备的灵活性，同时也不会破坏电动汽车车内原来的设计布局。其中核心器件为微处理器、射频接收器、报警器，微处理器选择了8051单片机，射频接收器也选择nrf24L01，报警器选择蜂鸣器。行车胎压信息，既可以在线预警，也能保存在存储器中，以供离线分析。

3、软件系统设计方案

对于发射模块加入了电路自启动的检测程序，也即通常遇到的软件看门狗程序，电路启动时进入自检状态以保证能顺利地进行工作。同时安装了加速度传感器，用作检测汽车运动情况，如上图1所介绍，当检测到汽车静止时让发射模块进入休眠模式，当检测到汽车在运动行驶时，整个检测发射电路马上进行工作，软件发送流程图和接收流程图如下图3所示。

图3 软件发送流程图和接收流程图

发射模块唤醒自检后首先检测轮胎内的压力值和温度值，并把测量值与设定的报警阀值相比较，不在设定的阀值范围内说明有轮胎异常行为，将检测到的数据以特殊序列发射出去，接收模块能立即采取行动，如果检测到的参数在设定的范围内，则不需要发送数据，因为发射模块在发送数据时能耗最大，这样降低发送的次数可以做到有效节能。当然如果汽车静止超过60s，则发射模块自动进入休眠模式，功耗降到最低。

接受模块的CPU开始处于待启动状态，等待发送模块发送的启动码，启动后会唤醒CPU以处理启动信息，即让绿灯显示3秒，之后CPU又处于睡眠状态。直到发来爆胎信号时才唤醒CPU,此时立即打开蜂鸣器并且让红灯一直亮，除非人为操作，否则红灯不会熄灭。

4、部分程序如下

①温度采集和信号指示的主程序：

5、结论

本文以电动汽车为研究对象，设计了胎压及温度检测装置，并通过发送与接收模块，实时分析轮胎的运行情况。分析胎压与温度的变化，设置临界点，当轮胎实然失压或温度高于临界点，则启动预警装置，使司机及时得到爆胎信息，减速和稳定方向，减少损害。

参考文献

[1] 林燕.中国电动汽车发展趋势及有待解决的问题[J].汽车工业研究,2010,(11):13-15.

[2] 张树伟.以技术动力学视角看电动汽车的发展前景[J].能源技术经济,2010,(8):37-41.

[3] 刘全有,赵福全,杨安志,金吉刚,翟洪军,. TPMS的研究现状及发展趋势[J].农业装备与车辆工程,2010,(12):5.

[4] 杨兵,袁立栋,奚忠芳. TPMS系统(Tire Pressure Monitory System)发展综述[J]. 电子世界,2013,(20):8.

[5] 李艳华,肖文光.新型低功耗TPMS设计[J].苏州科技学院学报(工程技术版),2013,(4):75-76.

Research and Design on Early Warning System of Tire burst for Electric Vehicle

Zhang Zhihe, He Binling, Zhang Wei, Li Zeqing, Zhang Jinzhao
( Mechanical and Electrical Engineering College, Jiaxing University, Zhejiang Jiaxing 314001 )

Abstract:The research achievements of the car’s burst early-warning system which is in view of new features of the electric vehicle drive and stable system is based on the domestic and overseas internal combustion engine driven by the engine. as our research object, we design tire burst early-warning. In order to reduce the power consumption of the whole device and optimize its display, this paper introduces the method of realizing the system from two aspects of hardware and software. through sensor, real-time monitoring of tire pressure, temperature and other parameters are feed back to the control system. when the relevant parameters exceed a predetermined threshold, the alarms implement in order to remind the driver, achieving the purpose of improving the traffic safety.

作者简介：章志和，就读于嘉兴学院机电工程学院。研究方向：电力系统及电机调速控制。基金项目：2014年地方高校国家级大学生创新训练计划项目(201410354013)。

中图分类号：U463.8

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-59-04