智能检测轮胎爆胎预警与降温处理装置

谢乐天 李昶亮 于贝

郑州外国语新枫杨学校 河南省郑州市 450001

1 项目的背景及意义

当今社会，随着人们生活水平提高，家用和货车越来越多，每天在高速路上高速行驶车辆络绎不绝。据公安部统计，国内高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在高速行驶时，从爆胎到失控，司机的反应控制时间只有3秒钟左右，而且据科学分析，时速在160公里以上由于爆胎引起的交通事故的死亡率接近100%，由此可见，爆胎事故会造成生命和财产的重大损失，危害极大[1]。

查阅文献分析汽车爆胎的原因，主要是由于轮胎是热的不良导体，在100℃时橡胶与帘线间的粘附强度大约降低一倍，超过121℃时，帘线的物理性能急剧下降，从而导致轮胎的脱层与爆破[2]。尤其是进入炎热的夏季，地面温度往往超过60-70℃，车辆持续在高温路面上高速行驶，轮胎气压也随之升高，车轮与地面剧烈摩擦导致轮胎温度骤升是爆胎事故频发的主要原因。另一方面，汽车轮胎胎压过高或过低、轮胎老化或在行驶过程中轧到尖锐的金属或其他硬物，都有可能导致爆胎[3]。设计一套智能检测轮胎爆胎的预警装置，减少或避免汽车高速行驶时由于轮胎高温或者压力异常导致的爆胎事故具有非常重要的实际应用价值。

2 智能轮胎爆胎监测系统的控制方案

智能轮胎爆胎监测控制系统共分水箱控制部分、轮胎压力检测部分和监视报警三个部分，如图1所示。通过薄膜压力传感器检测轮胎胎压，通过温度传感器获取实时轮胎温度，同时通过无线传输模块将数据传递至监视报警部分。当检测轮胎压力不正常（可能发生爆胎状况）时，单片机会将信号在监控部分的显示屏上显示爆胎信息并使得蜂鸣器工作，提醒司机及时停车检查车辆行驶状况；当轮胎的温度升高到一定温度时，可以按照设定模式实现自动或者手动控制控制水箱部分的抽水泵，喷出雾状水进行降温；当轮胎温度达到合适温度时，水泵停止工作。

水箱控制部分由微处理器、液位传感器、电磁阀、抽水泵、水温检测传感器等部分组成，其控制系统的结构如图2所示。工作时，通过信息传输模块获得来自监视报警部分的命令，控制抽水泵的开启和关闭。同时采用水位传感器检测水箱水位，并将数据上传至监测报警系统，水位不足时提醒及时加水。喷头采用雾状喷头，提高水雾挥发速度和降温速度，同时还能够起到防止水量过多导致轮胎打滑的问题[4]。

轮胎检测部分主要由低功耗微处理器、无线信息传输模块NRF2401、压力传感器和温度传感器部分组成，系统使用锂电池供电。微处理器以及电池安装于轮胎的轴心处，旋转时减少转动惯量，压力传感器安装与轮胎的内胎与外胎的接触处，同时温度传感器安装于轮胎外表面偏底部。工作时，压力传感器和温度传感器实时监测轮胎的温度和压力值，并将数据通过信息传输模块传至监测报警部分。

监视报警部分由LED显示屏、信息传输模块、按键电路、微处理器、蜂鸣报警器等几部分组成。工作时，该系统能够收到轮胎检测部分测得的数据，并比对预置的数据，控制蜂鸣器报警获知控制水箱阀门开合，起到调节轮胎温度的作用。同时可以通过按键电路输入预置的信息[5]。

3 系统软件设计

系统软件设计分为三个部分，分别轮胎检测、水箱控制和监测报警部分软件设计。三个部分通过无线模块NRF2401建立连接，形成信息采集和反馈的闭环控制。

轮胎检测系统：首先系统初始化，打开定时器，按照设定的时间间隔采集轮胎胎压和胎温，按照固定的数据格式，通过无线模块NRF2401将数据传送至监视器。其中轮胎监测部分采用独立电源，安装在轮胎中心，仅用于数据采集，功耗低。

水箱控制系统实现原理如下：启动后首先进行系统初始化，并启动定时器，按照固定时间间隔采集水箱水位，并按照固定的数据格式，通过无线模块NRF2401将数据传送至监视器，防止水位过低。同时循环读取无线模块数据，如果接收到开启MINI水泵指令，立即通过控制继电器打开水泵，起到降温的作用，否则关闭MINI水泵。

监视报警系统实现原理如下：监视报警系统可安装在驾驶室，方便司机监控。首先进行系统初始化，循环读取无线模块数据，数据实时显示在液晶屏上。如果温度高于设定值，则在液晶屏上显示预警信息，蜂鸣器发出报警响声，并通过无线模块向水箱发出控制指令，进行及时的降温。如果胎压超过设定值范围，会在液晶屏上显示报警信息，以及蜂鸣器发出警报，提醒司机进一步检查[6]。

图1 智能轮胎爆胎监测系统的工作原理

图2 水箱控制系统结构图

4 结语

通过测试实验可以得知，该装置能够自动检测轮胎温度，对汽车轮胎进行智能降温，减少车辆的带水量。并且考虑到经常采用冷水对轮胎直接降温会导致轮胎橡胶老化加速，影响使用寿命，采用加装水箱控制系统和车辆行驶过程中机器部件的自产热，采用加热片辅助水温控制，用温水降温，尽可能减少对轮胎寿命的影响。采用高灵敏度、高精度的薄片压力传感器能够精确检测轮胎胎压，使得爆胎的实时检测信息更加准确，提高整个系统准确性。

总之，随着经济的发展，高速公路汽车的流通量加大，使用这套装置可以减少汽车在高速行驶时因爆胎导致的交通事故，保障司机和车辆的安全；并且该装置兼具爆胎预警和轮胎降温功能，提高轮胎寿命，可以减少轮胎维修和更换的费用；装置系统的整体和数据传输设计采用无线传输，减少排线的烦恼，系统结构简单；整个装置价格便宜，方便拆卸和维修，通用性强，操作简单，便于推广应用。进一步提高系统的稳定性，实现装置的微型化，将系统实现产业化，推广应用，具有良好的发展前景。