龔張杰，于 衛(wèi)，王 丹，邱生輝

(揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

輪胎氣壓狀態(tài)直接影響著車輛的安全駕駛、燃油經(jīng)濟(jì)性以及輪胎壽命。我國(guó)高速公路每天平均有2000起輪胎事故，20%的事故是由于氣壓不足引起的[1]。隨著車輛業(yè)的高速發(fā)展和交通道路的不斷擴(kuò)張，物流業(yè)的快速發(fā)展，車輛的使用越來(lái)越多，安全駕駛越來(lái)越受到人們的關(guān)注。車輛造成的交通事故每年也在逐漸上升，輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經(jīng)成為當(dāng)代社會(huì)高速公路事故的三大殺手。其中，輪胎爆胎由于不可控制性和無(wú)法預(yù)測(cè)性被人最為關(guān)心。輪胎氣壓過(guò)高容易產(chǎn)生車輛爆胎和方向打滑失控等安全事故；輪胎氣壓過(guò)低會(huì)增大摩擦使得燃料消耗增加，輪胎磨損增加和使用壽命降低，同時(shí)高低氣壓的不平衡也是造成交通事故的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，如果維持在合適的車輛輪胎氣壓可以極大的減少用油量。每個(gè)輪胎可以增加10%的壽命，每年可以少生產(chǎn)5000萬(wàn)個(gè)輪胎，提高了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。輪胎氣壓檢測(cè)系統(tǒng)因此而產(chǎn)生。目前市場(chǎng)上存在間接式與直接式檢測(cè)這兩種設(shè)計(jì)方案，但是仍然存在一些缺點(diǎn)：一是技術(shù)指標(biāo)相對(duì)較低；二是產(chǎn)品并不一定可靠、安全和經(jīng)濟(jì)。本論文正是基于上述考慮，克服已有的間接或直接測(cè)量設(shè)計(jì)的缺陷，通過(guò)精心設(shè)計(jì)電路、精選器件和符合實(shí)際情況的調(diào)試，設(shè)計(jì)出通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部電路電位器就適合于各類車輛使用的穩(wěn)定可靠的新穎實(shí)用的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也增加了GSM短信通信自動(dòng)報(bào)警功能。從多方面為安全駕駛提供了強(qiáng)有力的保障。

1 車輛輪胎氣壓監(jiān)測(cè)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

1.1 能現(xiàn)場(chǎng)指示輪胎過(guò)欠壓檢測(cè)

通過(guò)氣壓傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)12個(gè)LED燈分別指示4個(gè)輪胎的氣壓狀況，每個(gè)輪胎分配紅、黃、綠三種LED燈，紅燈表示過(guò)壓，綠燈表示正常，黃燈表示欠壓。

1.2 出現(xiàn)過(guò)欠壓LED燈指示報(bào)警

當(dāng)其中某個(gè)輪胎出現(xiàn)過(guò)欠壓情況時(shí)，會(huì)通過(guò)無(wú)線發(fā)送電路傳送到駕駛室的接收電路，接收電路中裝有4個(gè)LED燈，根據(jù)哪一只LED燈亮來(lái)判斷哪個(gè)輪胎出現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行具體判別過(guò)欠壓。

1.3 能實(shí)現(xiàn)GSM自動(dòng)短信通信報(bào)警

當(dāng)檢測(cè)到任何一個(gè)輪胎氣壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，即發(fā)出報(bào)警電平信號(hào)給單片機(jī)。對(duì)單片機(jī)事先編程，將發(fā)送的報(bào)警信息內(nèi)容和綁定的電話號(hào)碼、發(fā)射次數(shù)和發(fā)射時(shí)間間隔等內(nèi)容通過(guò)C語(yǔ)言事先編程到單片機(jī)里，通過(guò)單片機(jī)和GSM短信通信模塊的通信，實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來(lái)控制GSM短信通信模塊，向綁定的電話號(hào)碼自動(dòng)發(fā)送短信信息，還可以群發(fā)。在手機(jī)上報(bào)警還可以分別體現(xiàn)過(guò)壓情況和欠壓情況報(bào)警。

2 車輛輪胎氣壓監(jiān)測(cè)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)[2]

氣壓傳感器裝在輪胎氣門上，頂住氣門，使輪胎內(nèi)氣體流動(dòng)到氣壓傳感器內(nèi)，傳感器得到一個(gè)微小的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為兩位輸出的TTL電平信號(hào)，通過(guò)其中的窗口電壓比較電路，當(dāng)高于或低于設(shè)定值時(shí)，立即發(fā)出反映過(guò)欠壓的低電平信號(hào)：一方面激發(fā)無(wú)線發(fā)射電路工作，無(wú)線接收電路接收到信號(hào)即發(fā)出過(guò)欠壓指示報(bào)警信號(hào)；另一方面啟動(dòng)單片機(jī)和GSM短信通信系統(tǒng)工作，使GSM短信通信模塊自動(dòng)向主人手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警信號(hào)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由氣壓傳感器、信號(hào)處理電路、無(wú)線發(fā)送與接收電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、GSM短信通信模塊、過(guò)欠壓報(bào)警器等組成?？傮w方案圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.2 氣壓傳感器[3]

輪胎氣壓采用直接氣壓測(cè)量、橋路輸出的氣壓傳感器，裝在輪胎氣門上，頂住氣門，使輪胎內(nèi)氣體流動(dòng)到氣壓傳感器內(nèi)，氣壓傳感器接通電源后，即將氣壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

2.3 信號(hào)處理電路

圖2 微弱信號(hào)放大電路

窗口電壓比較電路見(jiàn)圖3,圖中輸入Vi接放大電路的輸出，運(yùn)放U1、U2為精密度高的OP07，U3為反相器，U4為異或門，U5為或門，DW1、DW2為5 V的穩(wěn)壓管，LED1、LED2為發(fā)光二極管。

圖3 窗口電壓比較電路

圖中V1,V2通過(guò)可調(diào)電阻分壓而得，通過(guò)調(diào)節(jié)RW1、RW2就可調(diào)整V1和V2。它們分別對(duì)應(yīng)于輪胎氣壓下限值和輪胎氣壓上限值。當(dāng)輸入信號(hào)ViV1(可以看成輪胎氣壓高于上限情況)，U1比較器均輸出1電平，U2比較器輸出0電平，此時(shí)P11P10=11為過(guò)壓報(bào)警，LED1紅燈亮表示過(guò)壓。

當(dāng)V1

實(shí)際調(diào)試時(shí)，先確定合理的輪胎氣壓上下限值P1～P2，P1表示下限，P2表示上限，再根據(jù)P1、P2的數(shù)值通過(guò)傳感和放大電路分別確定V1和V2的數(shù)值。在氣壓略大于P1時(shí)，調(diào)節(jié)RW1、RW2，使之正好處于臨界狀態(tài)(U2輸出剛好從“1”電平轉(zhuǎn)為“0”電平)，此時(shí)的V1值對(duì)應(yīng)于P1值；在氣壓略小于P2時(shí)，調(diào)節(jié)RW1、RW2，使之正好處于臨界狀態(tài)(U1輸出剛好從“1”電平轉(zhuǎn)為“0”電平)，此時(shí)的V2值對(duì)應(yīng)于P2值；進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，找到合適于P1,P2的值。小于P1為欠壓，大于P2為過(guò)壓，發(fā)出高電平信號(hào)報(bào)警；在P1～P2之間，為正常氣壓，發(fā)出低電平信號(hào)不報(bào)警。如輪胎中心氣壓為0.2MPa,以+/-20%范圍為正常范圍,即0.16MPa-0.24MPa為正常氣壓范圍,這里P1=0.16 MPa，P2=0.24 MPa。

2.4 無(wú)線發(fā)射與接收電路

無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)由無(wú)線報(bào)警發(fā)射器和無(wú)線報(bào)警接收器組成。每個(gè)輪胎處配一個(gè)無(wú)線報(bào)警發(fā)射器，當(dāng)其輸入端接收到低電平報(bào)警信號(hào)時(shí)，發(fā)射器即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，安裝在駕駛室的無(wú)線接收器接收到信號(hào)，即發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)就可知道具體位置。

◆ 無(wú)線發(fā)射電路：對(duì)無(wú)線遙控距離要求：能夠繞過(guò)障礙物發(fā)射。如圖4，當(dāng)編碼器(MC145026)的接收到來(lái)自窗口比較電路的低電平報(bào)警信號(hào)時(shí)， 編碼器將其地址碼(A1～A5)和數(shù)據(jù)碼(D6～D9)作脈沖數(shù)碼調(diào)制，送入發(fā)射模塊，通過(guò)發(fā)射天線向外發(fā)射無(wú)線電波。當(dāng)接收器(解碼器) 的地址碼和發(fā)射器(編碼器)的地址碼一致時(shí)，接收器接收發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)碼報(bào)警，不同的輪胎發(fā)送不同的數(shù)據(jù)碼(D6、D7、D8、D9分別為高電平)。

圖4 無(wú)線發(fā)射電路

◆ 無(wú)線接收電路：如圖5，為裝在值班室的無(wú)線遙控接收電路。接收電路在收到無(wú)線電波并解調(diào)后，經(jīng)接收模塊U12輸出串行碼給解碼器MC145027)的數(shù)據(jù)輸入端DI，當(dāng)編碼與解碼的地址碼一致時(shí)，此時(shí)編碼器中的 數(shù)據(jù)從解碼器中的D6～D9數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)輸出，并一直保持到新數(shù)據(jù)到來(lái)。編碼器和解碼器的工作頻率一致。根據(jù)發(fā)光管是否點(diǎn)亮判斷是否有報(bào)警信號(hào)，根據(jù)哪一個(gè)發(fā)光管亮判斷報(bào)警位置。

2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)和GSM短信通信電路

GSM是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的通信模塊。圖6為 GSM 自動(dòng)短信通信系統(tǒng)示意圖，分單片機(jī)和GSM模塊兩部分。對(duì)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制GSM短信通信模塊工作，在單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的P11P10口接收到 “01”或“11”電平報(bào)警信號(hào)時(shí)，即控制GSM模塊電路自動(dòng)向用戶手機(jī)發(fā)出短信報(bào)警信號(hào)。GSM模塊在應(yīng)用時(shí)，要插入待發(fā)送短信經(jīng)過(guò)注冊(cè)的電話號(hào)碼卡[4]。

圖5 無(wú)線接收電路

本專利使用單片機(jī)型號(hào)：STC12C5A60S2，GSM模塊型號(hào)：SIM808。

圖6 GSM自動(dòng)短信通信系統(tǒng)示意圖

功能由對(duì)單片機(jī)編程決定，所用編程軟件是Keil uVision5，編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，在C語(yǔ)言里修改發(fā)送的信息內(nèi)容和接收的電話號(hào)碼(可以群發(fā))，信息內(nèi)容和電話號(hào)碼要經(jīng)過(guò)漢字到Unicode轉(zhuǎn)換后再?gòu)?fù)制輸入到C語(yǔ)言程序里(可修改內(nèi)容、增減電話號(hào)碼)。根據(jù)過(guò)欠壓情況，短信內(nèi)容分別是：胎壓過(guò)高，請(qǐng)注意；胎壓過(guò)低，請(qǐng)注意！編程時(shí)，要將信息內(nèi)容和手機(jī)號(hào)碼轉(zhuǎn)換成Unicode代碼才能編寫到C語(yǔ)言程序里。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，經(jīng)過(guò)硬件和軟件部分的精心設(shè)計(jì)，各方面功能完全實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)靈敏度高，準(zhǔn)確度高，可靠性好；能隨時(shí)指示過(guò)欠壓情況；能實(shí)現(xiàn)GSM遠(yuǎn)程自動(dòng)短信報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容次數(shù)可進(jìn)行人為修改；精心設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量好；通過(guò)微調(diào)電路參數(shù)，可用于檢測(cè)不同的過(guò)欠壓范圍；具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前途。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要意義極大程度上地保障了行車者的安全，具有很高的社會(huì)價(jià)值。