基于单片机的轮胎压力检测报警器的设计与实现(2)

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死系统。对于在 4 个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于轮胎压力判别，并触发警报系统来向司机发出警告。

每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了 4 轮 ABS（每个轮胎装备 1 个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。根据美国交通部门的统计，在2000年时，安装了ABS系统的车辆已占总车辆数的67%。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低。

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2 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理

轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、通过性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。在汽车高速行驶过程中，轮胎爆胎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。因此，汽车轮胎气压实时监测系统的研制在提高行车安全、延长轮胎寿命等方面都有着重大的现实意义。本章主要来介绍汽车轮胎气压实时监测系统的工作原理。 2.1 系统工作原理 2.1.1 轮胎爆胎机理

目前，国内由轮胎故障引起的突发交通事故的直接原因主要是轮胎充气压力的不足或过高。同时，国内的轮胎爆裂突发交通事故中也存在着其它人为因素影响。由于技术解决方案是有针对性地解决技术领域内的问题，所以，对汽车高速行驶状态下存在的轮胎结构选用不当、实际行驶速度高于轮胎规定速度、轮胎花纹过度磨耗、胎体意外损伤及违规超载等因素，这里不作讨论范围。

（1）充气压力对轮胎爆胎的影响

气压是轮胎的生命，掌握轮胎的标准充气压力，并按标准充气压力对轮胎充气是非常重要的。轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时，已确定了它的最大负荷和相应的标准充气压力，充气压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%～20%。充气压力过低，轮胎胎体变形过大，会产生过度屈挠运动，使内层受到的压缩力与外层受到的伸张力远远超过允许屈挠极限，造成轮胎过度生热，从而导致橡胶老化加速和帘布层脱层，严重时甚至会致使帘线折断，轮胎瞬间爆破。同时充气压力过低，轮胎的接地面积增大，胎肩的磨损加剧。如果双胎并装中有一条轮胎气压不足，行驶中大部分负荷将集中到另一条轮胎上，常常会造成这条轮胎严重超载。就车辆来说，轮胎充气压力过低，会造成轮胎侧偏刚度下降，拖矩增大，车辆的制动性能变坏，在高速行驶的条件下遇到紧急情况会非常危险[3]。气压过高，轮胎帘线受到过度的伸张变形，胎体弹性降低，车辆高速行驶时受到的动载荷（震动、应力来不及分散）增大，如再受到冲击，轮胎会产生内裂或爆破。气压过高，轮胎的接地面积还会相对减小，以致胎冠中部在加快磨损的同时温度急剧上升，

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使胎冠容易爆破。气压过高还会致使轮胎减震性能变劣，导致车辆底盘部件损坏，使轮胎接地附着力下降，车辆的制动效果降低，成为高速行车的安全隐患。在汽车高速行驶过程中，轮胎气压低于标准值时，将加大胎侧的弯曲变形，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，导致轮胎内壁帘线的松散断裂，最后导致轮胎的漏气或爆胎；轮胎气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增大，使轮胎磨损加剧，形成花纹底部开裂。又由于此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，使汽车的平顺性变差，导致汽车操纵性能降低。另外，如果汽车前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果汽车后轮左右轮胎的气压不同，会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。保持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命，减少不必要的燃油消耗，更对汽车的安全行驶起着关键作用。

（2）温度对轮胎爆胎的影响

轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外，还会导致帘线强力降低。当轮胎温度从 0℃升高到100℃时，对尼龙轮胎来说，帘线强力会降低 20%左右，橡胶强度则下降 50%左右；轮胎温度高于临界温度（100℃以内是正常温度，100～121℃是临界温度，121℃以上是危险温度）时，橡胶强度和帘线强力降低更多，因此轮胎的温升对其使用寿命的影响很大。汽车在行驶过程中，特别是在高速公路上高速行驶时，驾驶员即使没有操作失误，轮胎也会突然爆破。究其原因，主要是与轮胎温升的影响有关，即轮胎会由于超过正常温度而爆破，而在轮胎爆破以前，其受热破坏的情况通常不易控制和掌握。当胎内温度超过 120℃时，轮胎结构层的强度将明显下降；当轮胎温度超过硫化点（140℃）时，轮胎的各组成部分将被破坏，失去承载能力

[5]

[4]

。由此可见，轮胎温升对轮胎使用寿命长短以及高速行驶状态下的爆胎发生率

的影响很大。

（3）其它因素对轮胎爆胎的影响

一般来说，行驶速度越高，轮胎在单位时间内与地面的接触次数越多，摩擦越频繁，变形频率越大；同时由于胎体的振动，周向和侧向产生的扭曲变形增大。当轮胎的转速达到临界转速时，胎冠表面的振动呈波浪形，即形成所谓的“驻波”，

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也叫静止波。静止波的滞后损失（轮胎的弹性变形来不及恢复造成）使轮胎压力与温度急剧上升，有可能在几分钟内就导致轮胎爆破[6]。显然，速度越高，振动频率越大，变形恢复越少（大部分变形转变为热能），轮胎温升越高，再加之内压增大，其后果必然是帘布胶的老化加速和帘布的耐疲劳性能降低，轮胎出现早期脱层或爆破现象。因此，轮胎的使用寿命与行驶速度成反比关系，即行驶速度越高，轮胎的生热越大，温升越高，受到的冲击力也就越大。在这种高速高温情况下，轮胎的胎面磨损加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情况会随时发生。车辆装载时，必须按轮胎的额定负荷装载客货。这是因为各类轮胎的额定负荷是根据轮胎的结构、帘布层数、强度以及标准气压和行车速度等设计的。如果轮胎在超负荷下运行，就会使其变形，特别是胎侧的弯曲变形增大，使胎肩部位的磨损加重。同时，胎体材料的分子摩擦及部件的机械摩擦也会导致轮胎内部温度升高和胎体帘布层脱层，从而加速轮胎的损坏[7]。总之，车辆超载越多，胎体的屈挠伸张越大，轮胎的升温速度越快，在高速公路上高速行驶时爆破的可能性就越大。

此外，还有轮胎质量以及轮辋尺寸等影响轮胎气压实时监测的因素。从以上轮胎爆胎的主要原因分析来看，要想在汽车行驶过程中防范气压监测重大误差的发生，除了加强交通运输规章管理、轮胎选型合理等人为措施以外，最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度状态进行实时监控。 2.1.2 轮胎气压实时监测算法

行车的安全以及高效率的运行要依赖于优良的轮胎性能，而对轮胎性能的实时掌握，必须要对轮胎的工作状态进行监控，根据轮胎状态参数的变化情况及时做出科学准确的判断，以预防危及行车安全的轮胎故障发生。在汽车由于轮胎而引发的事故的诱发因素中，分为不可避免因素和可避免因素两大类情况。其中，行车环境中变化的气温以及粗糙的路况等因素属于不可避免因素；适合的轮胎气压以及良好的驾驶习惯等因素属于可避免因素。对于不可避免因素，只能提高重视、加强警惕，将不可预测的偶然性因素造成的损失降到最小。而本文所讨论的技术问题，只有针对可避免因素中那些采取技术措施可以预防的环节，通过监测可控因素来达到对轮胎爆胎的预警，才是合理有效的技术解决途径。综合上一小节本文对轮胎爆胎机理及影响因素的分析， 轮胎充气过度会导致抓地力下降，影响到汽车的舒适性、保护功能和轮胎寿命；同时轮胎会对冲击或碰撞较敏感，刹

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车性能降低。充气不足可能会导致油耗增大、轮胎过热、车辆操控不良，安全性能下降；引起胎体疲劳导致轮胎工作不佳或者无法修复及翻新，形成爆胎的隐患。如发现轮胎压力低于标准气压 20% ，即使临时补气，也只是紧急情况下不得已的缓冲之计，无法从根本上解决问题[8]。必须尽快到就近的轮胎店将轮胎拆下来，由专业人员进行检查，否则可能会导致严重伤亡事故。若认为轮腔内的气压过高或过低都不会直接导致轮胎爆胎，只有胎体强度的下降才是导致爆胎的真正原因，通过监控胎体的结构变化来预防爆胎，不但实现起来比较困难，而且只能在轮胎出现事故前很短时间内监测到异常，虽然报警准确率会很高，但留给驾驶员处理故障的反应时间太短。因此，当前轮胎气压实时监测系统的预警算法主要集中在对工作状态下的轮胎压力和温度进行监控，这是当前比较容易实现同时也是比较有效的技术途径。以传感器技术和现代电子技术来实现上述监测功能，可以将轮胎实时监测系统算法细分为以下几种情况。

（1）充气压力不足或过高：也就是根据事先确定好的标准轮胎压力为门限阈值，对实测轮胎压力值进行判别，超出最大压力值或低于最小压力值就视为轮胎状态异常。

（2）漏气导致压力持续下降：在轮胎温度比较稳定情况下，一定时间间隔内，轮胎压力连续下降且幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。

（3）轮胎温度急剧升高：在一定时间间隔内，轮胎温度上升幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。对以上监测算法的具体实现，如标准轮胎压力值的确定、一定时间间隔的长短、压力和温度较大幅度变化的幅值等，都需要针对具体车型和轮胎型号进行具体分析与试验，才能最终得到准确可靠的气压监测算法。

2.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计 2.2.1 系统方案论证

就目前情况看，轮胎压力监测技术的种类繁多。按适用对象分类，可分为轿车专用、商用车专用、汽车/大型工程机械专用；按监测技术分类，可分为主动式和被动式；按功能分类，分为只监测充气压力的单一型，集监测充气压力、温度、

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