基于TPMS 的轮胎智能感压充气装置设计

白艳茹

（北京科技大学，北京 100083）

0 引 言

在汽车的行驶过程中，轮胎气压过低行驶，轮胎与地面的摩擦力大幅增加，胎温急剧升高，轮胎变软，强度下降，轮胎的薄弱部位胎侧不断受到挤压和拉伸，易造成疲劳失效，发生爆胎；轮胎气压过高，轮胎胎冠部位会加速磨损，胎冠及胎侧的薄弱部位碰到尖锐物体也容易发生爆胎[1]。合适的轮胎充气压力不仅可以有效防止爆胎事故的发生，而且能延长轮胎寿命、增加行驶的舒适性，也可以为驾车出行增添一份重要的安全保障[2-3]。

为解决充气式轮胎气压异常的问题，本文设计了一种智能感压充气装置，该装置可以实时监测胎压，并根据监测结果自主完成充放气操作，维持胎压在合适的范围内。本文将首先对已经在汽车上成熟应用的轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）进行简单介绍，接下来类比TPMS，介绍上述应用于自行车轮胎的智能感压充气装置的软件和硬件设计。

1 轮胎压力监测系统（TPMS）

TPMS 是利用传感器技术、无线传输技术等，将监测到的胎压、胎温等信息实时传输给汽车驾乘人员，并在检测到胎压异常、胎温过高等可能导致危险的信息时，对驾乘人员进行预警以提高驾驶安全性的技术。目前市场上主要的TPMS 产品，按照其轮胎参量测量方式的不同，可分为间接式和直接式两种类型。间接式TPMS是通过轮胎的行驶状态信息间接地判别轮胎参量是否异常，主要分为振动分析型和轮径分析型两类；直接式TPMS 是直接通过安装在车轮内的传感器获取轮胎参量数据，并通过无线传输的方式将数据发送给驾乘人员[4-5]。

2 智能感压充气装置整体设计

本文介绍的智能感压充气装置与上述TPMS 在原理与功能上有很多相似之处。类比TPMS 的分类，本文介绍的智能感压充气装置属于直接式，即装置通过传感器直接检测胎压。但除此之外，本装置增加了根据胎压数值调整轮胎气压的功能。智能感压充气系统的硬件设计如图1 所示。

图1 智能感压充气系统硬件框架

分析图1 可知，该装置在硬件结构上主要由供电模块、控制模块、胎压监测模块、充放气控制模块组成。其中，供电模块由电源、电源开关与12 V 转5 V 降压模块组成；控制模块由主控芯片与蓝牙模块组成；胎压监测模块主要由压力传感器与传感器信号处理模块组成；充放气控制模块由继电器、气泵与电磁阀组成。智能感压充气系统工作流程如图2 所示。

图2 介绍了装置的监测-通信-控制循环的具体工作步骤：

1）开启装置电源。

2）监测当前轮胎气压值。

3）检测装置是否通过蓝牙与手机APP 连接，已连接和未连接的情况下分别给予相应解决方案。

4）判断轮胎气压预设值与当前值的大小。若预设值大于当前值，则说明轮胎气压不足，需要向轮胎内充气；若预设值小于当前值，则说明轮胎气压过高，轮胎需要向外放气；若预设值与当前值相同，则说明轮胎气压合适。

5）执行步骤2），开始下周期监测直至装置电源关闭。

图2 智能感压充气系统工作流程

3 装置硬件设计

3.1 主控及通信模块选型

本装置的主控芯片选用ATmega16 单片机。它是一种具有16 KB 系统、可编程FLASH 的8 位AVR 微控制器，有着体积小、功能强大、性能稳定等优点[6-7]。蓝牙模块选用ATK-HC05，它是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，可以同手机、电脑等多种智能终端配对，并可兼容包括ATmega16 在内的单片机系统[8]。

3.2 轮胎气压监测模块设计

3.2.1 工作原理

本装置的轮胎气压监测模块根据以下原理设计：首先利用压力传感器将胎压值转化为电阻值，而电阻值的改变可以转化为单片机管脚电压值的改变；其次利用ATmega16 芯片集成的渐次逼近型模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）[1，3，9]将电压值转化为对应的0-1 数值；最后通过胎压-电阻、电阻-电压、电压-0-1 数值的关系，推导出胎压与0-1 数值的函数关系，最终达到将难以直接测量的胎压值通过简单的数值进行表达和计算的目的。

3.2.2 胎压测量方案

压力传感器安装于车胎与轮辋之间，当轮胎气压较高时，内胎与轮辋之间的压力会较大；同理，当轮胎气压较低时，内胎与轮辋之间的压力较小，即轮胎气压与内胎-轮辋间压力成正相关关系。

测量内胎与轮辋间压力的传感器选用FSR402 长尾式半导体压力传感器[10-13]。FSR402 本质上是一种利用半导体压阻效应构成的传感器，其电阻率随所承受应力的增大而减小。利用FSR402 的压阻效应，可通过测量传感器的电阻值推导出内胎与轮辋间的压力，即可进一步推导出胎压值。

由欧姆定律可知，两电阻串联，通过两电阻的电流相同，电压按两电阻阻值大小正比例分配。由此原理可将FSR402 压力传感器（记作L），其实际阻值为RL、阻值已知的定值电阻（记作R0）与5 V 电压源（记作U）串联。则FSR402 压力传感器两端的电压（记作UL）表达式如式（1）所示：

由U =5 V 可知，UL取值在0～5 V 之间，5 V 电压源U 与RL的比值可通过ADC 按比例转换为数值在0～255 之间的数字（记作α）。由此可知，若能读出模数转换返回值α，则FSR402 的实际阻值可由式（2）计算得出。

若要得出FSR402 电阻值与胎压值的具体函数关系表达式，则需要进一步的实验测定。实验利用轮胎气压表测量胎压数据，同时，利用万用表测量FSR402 当前的电阻值。测量每组数据前须保证胎压稳定，不能在充放气过程中测量，以免影响精度。FSR402 电阻值与胎压值对应的实测数据，如表1 所示。

表1 电阻⁃胎压实测数据

将表1 数据通过Excel 拟合，可得FSR402 电阻值与胎压值（记作p）的拟合曲线图，并得其函数关系表达式如式（3）所示：

自行车轮胎的建议胎压通常在40～50 Psi之间，结合表1 的实测数据可知，FSR402 传感器电阻在280～330 Ω之间变化。为了提高芯片模数转换精度，使在一定的阻值变化范围内分配到的电压变化范围尽可能大，应使式（1）、式（2）中的定值电阻阻值与传感器电阻阻值相近，故确定为300 Ω。

结合式（2）、式（3）可知，将测得的模数转换结果α代入式（2）求得FSR402 电阻值，再将其代入式（3）即可求得胎压值。即完成了胎压测量的设计目的。

4 装置软件设计

4.1 轮胎气压监测部分

根据式（2）、式（3）的结果，若能读取到ATmega16 模数转换器（ADC）的转换结果α，即可计算得出当前胎压值p。当ADC 完成一次模/数转换时，其控制和状态寄存器ADCSRA 的中断标志ADIF 置位，转换结果储存于ADC 数据储存器的ADCH 寄存器中。当ADCH 读取后，ADC 立即进行下一次模/数转换，等待下一周期的胎压监测。

4.2 无线通信部分

在得出当前胎压后，无线通信部分通过蓝牙模块与手机APP 通信。蓝牙模块通信是基于串口通信原理，利用ATmega16 集成的通用同步和异步串行接收器和转发器（USART）完成。

在进行蓝牙串口通信之前，首先应对USART 进行初始化。USART 包含I/O 数据寄存器UDR 控制和状态寄存器UCSRA、UCSRB、UCSRC，波特率寄存器UBRRL和UBRRH。其中，UDR 寄存器负责接收和发送数据；UCSRA、UCSRB、UCSRC 寄存器负责设置操作模式、帧格式、提供UDR 发送器是否就绪的信号、使能接收器和发送器等；UBRRL 和UBRRH 寄存器负责设置波特率。通过对上述寄存器的配置，即可实现与APP 的无线通信[14]。

4.3 充放气控制部分

在计算得出当前胎压值并且得到预设胎压值后，充放气控制部分将对其进行比较，若当前值较小则充气，当前值较大则放气。放气过程中，为保持胎压稳定下降，保证FSR402 所受压力不会突变从而影响胎压测量精度，轮胎放气后期胎压接近预设值时，设计周期为200 ms，即放气持续50 ms后立刻停止放气稳定150 ms，保证轮胎气压在下降过程中有充足的时间达到均衡。同理，充气过程也需要考虑保证测量到的当前气压足够稳定，故充气结束检测到胎压达到预设值之后，须等待150 ms 使胎压值更稳定再进行下一周期的胎压监测。

为确认本装置胎压监测的准确性，本文利用气压表对胎压数据进行比对，得到的测试结果如图3 所示。

图3 不同胎压的监测拟合精度

图3 结果显示：胎压在35 Psi以上时，装置拟合精度较高；胎压在20 Psi 以下时，胎压结果误差较大。因正常胎压范围处于高精度区间，故日常使用时无需担心准确性问题。

为测试装置对极端情况的适应能力，本文进行了模拟漏气测试，模拟例如扎胎等情况下装置的工作情况。将装置通过气管连接到可调流量的气动开关上，调节气动开关开启的程度模拟漏气量的大小。在漏气情况下运行装置，可以发现气泵开始工作以维持胎压稳定，视破坏严重程度，设定值（正常胎压范围为40～50 Psi）与当前值相差0～2 Psi不等。此项测试的意义在于确认车胎在不严重漏气情况下的工作能力，即使用了本装置的自行车在遇到轻微扎胎的情况下可继续正常骑行，待时间合适再修理，而不必第一时间修理或者面临失去代步工具的窘境。

5 结 语

本文设计了自行车轮胎的智能感压充气装置，介绍了该装置的硬件设计、软件设计，并通过测试表明其可以实现胎压监测、通信、自动充放气等设计功能，可达到方便胎压管理、增加骑行舒适度的目的。此外，本装置也可向自平衡车、电动自行车应用方向推广，增加应用前景，为更广大的群体带来便捷的胎压管理方案。