【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)報道，最近由吉利公司推出的爆胎監(jiān)測與安全控制系統(tǒng) (Blow． Out Monitoring and Brake System， BMBS)已經(jīng)超越了美國 “TPMS”標準，它采用的是人工智能主動介入技術，在輪胎突發(fā)爆胎時自動接管 車輛，代替駕駛員實施行車制動，從而達到降低或者化解爆胎風險的目的，與此同時，對于沒有安裝 ABS 的車輛， BMBS 系統(tǒng)在遭遇爆胎后將自動實施 “連續(xù)點制動 ”模擬 ABS 功能，使車輪不會發(fā)生抱死滑移現(xiàn)象，有效確保了行車制 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 4 頁 共 56 頁 動的安全性。 TPMS 經(jīng)歷了由早期的機械式、納米材料式和磁敏檢測法，逐步過渡到間接式TPMS 和直接有源式 TPMS，而間接式 TPMS 成本低 (利用車載 ABS 即可實現(xiàn) )，后期維護方便，也成為一種比較流行的趨勢。同時輪胎爆胎預警裝置系統(tǒng)作為一項新技術，能夠為整車提供輪胎壓力和溫度等狀態(tài)信息，必將成為汽車整車控 制系統(tǒng)單元的一部分，同時，它對汽車電子信息共享的研究也具有重要意義。 TPMS 傳感器模塊技術將向發(fā)射模塊高度集成化、無線無源方向發(fā)展，未來的應用方向還將包含利用運動的機械能自供電的四合一模塊，屆時，胎壓監(jiān)測發(fā)射系統(tǒng)只有一個模塊和一個天線組成，開發(fā)人員的二次設計將變得十分簡便，產(chǎn)品安全性、可靠性、穩(wěn)定性也會有進一步的提高。另外，融合射頻識別 (Radio Freqency Identification， RFID)技術進行智能輪胎的研究也是發(fā)展趨勢，比如美國固特異輪胎橡膠公司和西門子 VDO 汽車配件公司合作，成功研發(fā) 出一種鈕扣電池般大小的帶 RFID 卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、．胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標識輪胎的功能，也就是說，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄，此外，西門子 VDO 的智能輪胎系統(tǒng)使用壓電元件來代替電池，通過輪胎的旋轉(zhuǎn)為系統(tǒng)供能。國內(nèi)上海交通大學也開始基于聲表波 (Surface Acoustic Wave 簡稱 SAW)技術的 TPMS 開發(fā)研究，這種能同時測量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的 SAW 傳感器，不僅可實現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，并且將擁有 中國人自主的知識產(chǎn)權?；诼暠砻娌夹g的輪胎傳感器還處于試驗階段。其主要優(yōu)點是傳感器部分不需要電池供電 (無源 TPMS)，而且質(zhì)量較小，目前國際上已經(jīng)開發(fā)出的實驗傳感器樣品只有 5g 左右，同時可在高溫等惡劣環(huán)境下工作。另外， TPMS 系統(tǒng)與汽車整車控制系統(tǒng)的電控單元的整合，即通過車身數(shù)據(jù)總線 CAN總線或者 LIN 總線并入車載控制網(wǎng)絡中，也是一種發(fā)展趨勢。 . TPMS 發(fā)展趨勢 汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)，將是一個具有極強生命力的主題。因此， TPMS將成為汽車安全保障系統(tǒng)之一。而 TPMS發(fā) 射模塊將向高度集成化、單一化、無線化和無源化方向發(fā)展。隨著 TPMS產(chǎn)品市場對 IC高整合度和高可靠性的要求，在未來幾年內(nèi)將會開發(fā)出包含 RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊，屆時胎壓遙測模塊只由一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設計變得十分簡便。 TPMS系統(tǒng)發(fā)展的進一步發(fā)展有可能會是智能輪胎。 保持標準的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。而 TPMS汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)毫無疑問將是理想的工具。美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實現(xiàn)汽車全部安裝 TPMS，因此，對 TPMS的 需要量與日俱增，美國的人工每小時起碼 美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本， TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國。今后幾年內(nèi)中國必將成為 TPMS的生產(chǎn)大國。人的生命是最可貴的，因 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 5 頁 共 56 頁 此，為與世界先進國家同步，我國關于汽車安裝 TPMS這樣的生命安全保障預警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會出臺。因此，目前我們國內(nèi)己有數(shù)百家設計公司、生產(chǎn)廠家開始開發(fā)、設計、生產(chǎn) TPMS。目前， TPMS主要分為兩種類型：一種是間接式 TPMS，它通過汽車 ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)測胎壓的目的，可是供電方便 ，其缺點是精度較低。另一種是直接式 TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報警。缺點是需要使用獨立的電池供電系統(tǒng)并要將整個模塊或者模塊的一部分置于輪胎的內(nèi)部，容易在車輪高速轉(zhuǎn)動的情況下引發(fā)不正常的外力作用，設置不正確的情況下可能會加速輪轂的損壞，維護不方便且價格較高。中國 TPMS的前裝和后 裝市場己經(jīng)啟動，預見前裝市場（汽車生產(chǎn)廠家原裝）將比后裝市場（汽車購買后安裝）跑得更快 , TPMS產(chǎn)品技術 TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成：收集信息的發(fā)射模塊和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器。 今后幾年內(nèi)中國必將成為 TPMS的生產(chǎn)大國。除此之外中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨勢。汽車安全產(chǎn)品將成為中國生機勃勃的新興市場熱點。 2. 間接式無線輪胎保護裝置系統(tǒng)的方案設計 TPMS 主要用于汽車行使時實時對輪胎壓力（通過檢測輪速差）、溫度進行自動監(jiān)測，對各種異常情況 (如輪胎 漏氣、過低或過高氣壓、過高溫度 )進行預警以保障行車安全。一般包括輪胎檢測部分、無線數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理以及顯示警告部分。本設計主要介紹 TPMS 的原理和具體方案以及系統(tǒng)是如何工作的。 . 系統(tǒng)設計要求 胎壓、溫度預警系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測汽車輪胎的工作狀態(tài)，對輪胎壓力異常及時給予提示，并結合輪胎溫度對可能出現(xiàn)的爆胎事故進行預警，加強汽車高速行駛的行車安全。系統(tǒng)在汽車行駛狀態(tài)下通過霍爾傳感器實時測量輪子轉(zhuǎn)速，通過計算轉(zhuǎn)速差間接表現(xiàn)出輪子間的胎壓差值，并通過無線傳輸傳給顯示模塊把數(shù)據(jù)顯示出來，當胎壓差值超過一定程度 的時候，會引發(fā)蜂鳴器報警。主機模塊還把溫度很輪子工作情況發(fā)送給從機，通過從機的燈顯示出來，讓駕駛員直觀了解各輪胎的實時狀態(tài)，出現(xiàn)異常包括輪胎漏氣、異常升溫、傳感器模塊電源不足等 )則發(fā)出報警信號。此外，在汽車輪胎的使用過程中，輪胎胎面會逐漸被磨耗。但由于各車輪受力不同，輪胎在路面的滑動量不同，以及受拱型路面的影響，使汽車的前后輪、左右輪的磨損速度不同。有的輪胎磨損重，有的磨損輕，甚至還會出現(xiàn)輪胎的單邊磨損不均勻。為了延長輪胎的使用壽命，定期對輪胎進行換位，這是汽車輪胎保養(yǎng)的有效方法。輪胎的維護換位能夠提高輪胎 行駛里程、平衡胎體疲勞強度和磨損。因此，研制的系統(tǒng)必須具有輪胎換位后的重新定位功能。 系統(tǒng)原理框圖如圖 21 所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 6 頁 共 56 頁 圖 21 系統(tǒng)工作原理框圖 . 系統(tǒng)設計方案選擇 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（ TPMS）是汽車電子系統(tǒng)中非常重要的一個部分，它的主要功能是監(jiān)控汽車輪胎壓力的異常情況并及時通知駕車人，安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地避免由于輪胎壓力過低引起的交通事故。 . TPMS 實現(xiàn)方式選擇 傳統(tǒng)的 TPMS 系統(tǒng)，根據(jù)其獲取輪胎壓力和溫度的方法分類，可分為兩大類：第一類是間接 式，第二類是直接式。系統(tǒng)可以使用間接式或者是直接式來完成，因此提出了直接式和間接式兩種方案。 TPMS 系統(tǒng)的直接式， 又稱 PSB，通過在每一個輪胎里都安裝一個壓力傳感器，可以直接測試汽車輪胎的氣壓，然后再利用無線發(fā)射器將輪胎壓力的內(nèi)部信息發(fā)射到中央接收器的系統(tǒng)，然后再通過無線通信系統(tǒng)對輪胎內(nèi)部壓力的數(shù)據(jù)進行顯示，如果輪胎壓力過低或者是輪胎漏氣，系統(tǒng)就會自動的報警，使司機能夠在發(fā)生爆胎之前制止事故的發(fā)生， 由于直接式輪胎壓力檢測系統(tǒng)傳感器必須裝于高速行駛的輪胎之中，因此需要通過無線通信技術實現(xiàn)壓力監(jiān)測。直接有源式 TPMS 根據(jù)輪胎模塊有無電池供電又可以分為主動式和被動式，主動式 TPMS 有電池供電，而被動式 TPMS，則用一個中央收發(fā)器代替直接有源式 TPMS 中的中央接收器，安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器 (Transponder)代替發(fā)射器，接收來自中央收發(fā)器的信號，同時使用這個信號的能量來發(fā)射一個反饋信號到中央收發(fā)器。被動式 TPMS 雖然不需要電池供電，但也涉及到模塊的取能問題，在目前沒有更好的解決方案。 TPMS 系統(tǒng)的間接式，又稱為 WSB，這種系統(tǒng)的工作原理是通過汽車的 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器對輪胎之間的輪速進行比較以達到對輪胎壓力 的監(jiān)測。 ABS 系統(tǒng)的檢測主要是依據(jù)輪速傳感器來檢測車輪有沒有抱死，然后系統(tǒng)決定是否啟動防抱死系統(tǒng)，如果輪胎的壓力降低，車輛的重量就會導致輪胎的直徑變小，從而導致測速發(fā)生變化以至于溫度傳感器 霍爾傳感器 信號處理電路 M C U 發(fā)送模塊 電源電路 接收模塊 M C U 報警電路 顯示電路 電源電路 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 7 頁 共 56 頁 發(fā)生了交通事故。在 ABS 系統(tǒng)是如果發(fā)生輪胎壓力減小的時候可以觸發(fā)報警系統(tǒng)，使司機提高警惕然后處理汽車的輪胎壓力的問題。 上海通用別克轎車安裝的即是這種間接式 TPMS，即當汽車行駛時，輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)接收 4 個車輪轉(zhuǎn)速傳感器的車輪轉(zhuǎn)速信號，進行綜合分析，當某一個輪胎的氣壓太高或不足時，輪胎的直徑就會變大或變小，車輪的轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應變化。采 用的方式是兩兩進行比較，比如前面兩輪或者后面兩輪，就直接比較兩輪的轉(zhuǎn)速差來反應出胎壓的差值大小，就可以提高精度，最主要的是減低了當預警出現(xiàn)時檢索的范圍，減少工作量增加效率。成本較低的同時維護方便。 直接式預警系統(tǒng)為了實時測得胎壓和胎溫是直接使用壓力傳感器探測輪胎的壓強值，溫度傳感器探測溫度值，檢測傳感器須安裝在汽車輪胎內(nèi)部，工作在密閉的環(huán)境中，通過無線發(fā)射模塊傳給接收模塊。對有內(nèi)胎的輪胎，傳感器模塊安裝在內(nèi)胎外面的墊胎上或嵌入墊胎中；而間接式是探測兩輪的轉(zhuǎn)速差而間接表現(xiàn)兩輪胎壓的差值，當差值達到一定程度后進 行報警。測輪速的傳感器卻可以安裝在輪胎外的輪轂和車架上，便于后期維護，溫度傳感器作為輔助功能，能對系統(tǒng)溫度進行一個實時的監(jiān)測。 這兩種胎壓監(jiān)測裝置各有優(yōu)劣。直接式胎壓監(jiān)測裝置可以提供更高級的功能，隨時測定每個輪胎內(nèi)部的實際瞬壓，很容易確定故障輪胎 ,可是造價高以及后期維護不方便。間接系統(tǒng)造價相對較低，已經(jīng)裝備了 4輪 ABS（每個輪胎裝備 1個輪速傳感器）的汽車只需對軟件進行升級， TPMS 的直接式與間接式的比較如表 所示 。 表 TPMS 的直接 式與間接式的比較 直接式 TPMS 間接式 TPMS 測量方式 直接測量 間接測量 物理參數(shù) 壓力、溫度 輪子轉(zhuǎn)速 關鍵硬件構成 傳感器、中央處理器 ABS系統(tǒng)、中央處理器 壓力測量精度 177。 30% 溫度測量精度 177。2 ℃ 無 成本 需要附加成本，較高 基于 ABS系統(tǒng)，較低 綜合論述，直接式雖然有其優(yōu)越性，可是其技術過于復雜和后期維護不方便，技術耗費太高，相比間接式的簡易方便，可能間接式更能讓普通老百姓所接受。所以本設計研究的方向為間接式胎壓測控預警系統(tǒng)。 本設計中凡是沒有明確說明的，所 提到的 TPMS均是指間接式 TPMS。 . 系統(tǒng)控制芯片選擇 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處 理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷 系 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 8 頁 共 56 頁 統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬 多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算 機系統(tǒng)。 單片機也被稱為 微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母 的縮寫 MCU 表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域 。單片機由芯片內(nèi) 僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的 8位單片機和高性能的 32位單片機，結合本設計各方面因素， 8位單片機對于本設計已經(jīng)是綽綽有余了。 應用最廣的 8位單片機是 intel的 51系列單片機。 51系列單片機的特點是：硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，世界有許多芯片公司都買了 51的芯片核心專利技術，并在其基礎上擴充其性能， 使得芯片的運行速度變得更快，性價比更高。 AVR 單片機是 atmel公司推出較新的單片機，它的顯著特點是：高性能，低功耗，高速度，指令單周期為主，但價格方面比 51單片機要高。有專門的 I/O方向寄存器。雖然有較強的驅(qū)動電壓，但 I/O口使用不比 51單片機方便。 PIC單片機系列是美國微芯公司的產(chǎn)品，也是市面上增長最快的單片機之一，屬精簡指令集單片機，其特點是：高速度，高性能，但在價格方面比 51單片機要高，也有專門的 ,I/O方向寄存器， I/O