基于TPMS 的輪胎智能感壓充氣裝置設(shè)計(jì)

白艷茹

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

0 引 言

在汽車的行駛過程中，輪胎氣壓過低行駛，輪胎與地面的摩擦力大幅增加，胎溫急劇升高，輪胎變軟，強(qiáng)度下降，輪胎的薄弱部位胎側(cè)不斷受到擠壓和拉伸，易造成疲勞失效，發(fā)生爆胎；輪胎氣壓過高，輪胎胎冠部位會(huì)加速磨損，胎冠及胎側(cè)的薄弱部位碰到尖銳物體也容易發(fā)生爆胎[1]。合適的輪胎充氣壓力不僅可以有效防止爆胎事故的發(fā)生，而且能延長(zhǎng)輪胎壽命、增加行駛的舒適性，也可以為駕車出行增添一份重要的安全保障[2-3]。

為解決充氣式輪胎氣壓異常的問題，本文設(shè)計(jì)了一種智能感壓充氣裝置，該裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胎壓，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自主完成充放氣操作，維持胎壓在合適的范圍內(nèi)。本文將首先對(duì)已經(jīng)在汽車上成熟應(yīng)用的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，接下來類比TPMS，介紹上述應(yīng)用于自行車輪胎的智能感壓充氣裝置的軟件和硬件設(shè)計(jì)。

1 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）

TPMS 是利用傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等，將監(jiān)測(cè)到的胎壓、胎溫等信息實(shí)時(shí)傳輸給汽車駕乘人員，并在檢測(cè)到胎壓異常、胎溫過高等可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的信息時(shí)，對(duì)駕乘人員進(jìn)行預(yù)警以提高駕駛安全性的技術(shù)。目前市場(chǎng)上主要的TPMS 產(chǎn)品，按照其輪胎參量測(cè)量方式的不同，可分為間接式和直接式兩種類型。間接式TPMS是通過輪胎的行駛狀態(tài)信息間接地判別輪胎參量是否異常，主要分為振動(dòng)分析型和輪徑分析型兩類；直接式TPMS 是直接通過安裝在車輪內(nèi)的傳感器獲取輪胎參量數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送給駕乘人員[4-5]。

2 智能感壓充氣裝置整體設(shè)計(jì)

本文介紹的智能感壓充氣裝置與上述TPMS 在原理與功能上有很多相似之處。類比TPMS 的分類，本文介紹的智能感壓充氣裝置屬于直接式，即裝置通過傳感器直接檢測(cè)胎壓。但除此之外，本裝置增加了根據(jù)胎壓數(shù)值調(diào)整輪胎氣壓的功能。智能感壓充氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 智能感壓充氣系統(tǒng)硬件框架

分析圖1 可知，該裝置在硬件結(jié)構(gòu)上主要由供電模塊、控制模塊、胎壓監(jiān)測(cè)模塊、充放氣控制模塊組成。其中，供電模塊由電源、電源開關(guān)與12 V 轉(zhuǎn)5 V 降壓模塊組成；控制模塊由主控芯片與藍(lán)牙模塊組成；胎壓監(jiān)測(cè)模塊主要由壓力傳感器與傳感器信號(hào)處理模塊組成；充放氣控制模塊由繼電器、氣泵與電磁閥組成。智能感壓充氣系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 介紹了裝置的監(jiān)測(cè)-通信-控制循環(huán)的具體工作步驟：

1）開啟裝置電源。

2）監(jiān)測(cè)當(dāng)前輪胎氣壓值。

3）檢測(cè)裝置是否通過藍(lán)牙與手機(jī)APP 連接，已連接和未連接的情況下分別給予相應(yīng)解決方案。

4）判斷輪胎氣壓預(yù)設(shè)值與當(dāng)前值的大小。若預(yù)設(shè)值大于當(dāng)前值，則說明輪胎氣壓不足，需要向輪胎內(nèi)充氣；若預(yù)設(shè)值小于當(dāng)前值，則說明輪胎氣壓過高，輪胎需要向外放氣；若預(yù)設(shè)值與當(dāng)前值相同，則說明輪胎氣壓合適。

5）執(zhí)行步驟2），開始下周期監(jiān)測(cè)直至裝置電源關(guān)閉。

圖2 智能感壓充氣系統(tǒng)工作流程

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控及通信模塊選型

本裝置的主控芯片選用ATmega16 單片機(jī)。它是一種具有16 KB 系統(tǒng)、可編程FLASH 的8 位AVR 微控制器，有著體積小、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。藍(lán)牙模塊選用ATK-HC05，它是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同手機(jī)、電腦等多種智能終端配對(duì)，并可兼容包括ATmega16 在內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)[8]。

3.2 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 工作原理

本裝置的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)以下原理設(shè)計(jì)：首先利用壓力傳感器將胎壓值轉(zhuǎn)化為電阻值，而電阻值的改變可以轉(zhuǎn)化為單片機(jī)管腳電壓值的改變；其次利用ATmega16 芯片集成的漸次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）[1，3，9]將電壓值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的0-1 數(shù)值；最后通過胎壓-電阻、電阻-電壓、電壓-0-1 數(shù)值的關(guān)系，推導(dǎo)出胎壓與0-1 數(shù)值的函數(shù)關(guān)系，最終達(dá)到將難以直接測(cè)量的胎壓值通過簡(jiǎn)單的數(shù)值進(jìn)行表達(dá)和計(jì)算的目的。

3.2.2 胎壓測(cè)量方案

壓力傳感器安裝于車胎與輪輞之間，當(dāng)輪胎氣壓較高時(shí)，內(nèi)胎與輪輞之間的壓力會(huì)較大；同理，當(dāng)輪胎氣壓較低時(shí)，內(nèi)胎與輪輞之間的壓力較小，即輪胎氣壓與內(nèi)胎-輪輞間壓力成正相關(guān)關(guān)系。

測(cè)量?jī)?nèi)胎與輪輞間壓力的傳感器選用FSR402 長(zhǎng)尾式半導(dǎo)體壓力傳感器[10-13]。FSR402 本質(zhì)上是一種利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，其電阻率隨所承受應(yīng)力的增大而減小。利用FSR402 的壓阻效應(yīng)，可通過測(cè)量傳感器的電阻值推導(dǎo)出內(nèi)胎與輪輞間的壓力，即可進(jìn)一步推導(dǎo)出胎壓值。

由歐姆定律可知，兩電阻串聯(lián)，通過兩電阻的電流相同，電壓按兩電阻阻值大小正比例分配。由此原理可將FSR402 壓力傳感器（記作L），其實(shí)際阻值為RL、阻值已知的定值電阻（記作R0）與5 V 電壓源（記作U）串聯(lián)。則FSR402 壓力傳感器兩端的電壓（記作UL）表達(dá)式如式（1）所示：

由U =5 V 可知，UL取值在0～5 V 之間，5 V 電壓源U 與RL的比值可通過ADC 按比例轉(zhuǎn)換為數(shù)值在0～255 之間的數(shù)字（記作α）。由此可知，若能讀出模數(shù)轉(zhuǎn)換返回值α，則FSR402 的實(shí)際阻值可由式（2）計(jì)算得出。

若要得出FSR402 電阻值與胎壓值的具體函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，則需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)利用輪胎氣壓表測(cè)量胎壓數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用萬用表測(cè)量FSR402 當(dāng)前的電阻值。測(cè)量每組數(shù)據(jù)前須保證胎壓穩(wěn)定，不能在充放氣過程中測(cè)量，以免影響精度。FSR402 電阻值與胎壓值對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 電阻?胎壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

將表1 數(shù)據(jù)通過Excel 擬合，可得FSR402 電阻值與胎壓值（記作p）的擬合曲線圖，并得其函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如式（3）所示：

自行車輪胎的建議胎壓通常在40～50 Psi之間，結(jié)合表1 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)SR402 傳感器電阻在280～330 Ω之間變化。為了提高芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，使在一定的阻值變化范圍內(nèi)分配到的電壓變化范圍盡可能大，應(yīng)使式（1）、式（2）中的定值電阻阻值與傳感器電阻阻值相近，故確定為300 Ω。

結(jié)合式（2）、式（3）可知，將測(cè)得的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果α代入式（2）求得FSR402 電阻值，再將其代入式（3）即可求得胎壓值。即完成了胎壓測(cè)量的設(shè)計(jì)目的。

4 裝置軟件設(shè)計(jì)

4.1 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)部分

根據(jù)式（2）、式（3）的結(jié)果，若能讀取到ATmega16 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換結(jié)果α，即可計(jì)算得出當(dāng)前胎壓值p。當(dāng)ADC 完成一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，其控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA 的中斷標(biāo)志ADIF 置位，轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存于ADC 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的ADCH 寄存器中。當(dāng)ADCH 讀取后，ADC 立即進(jìn)行下一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換，等待下一周期的胎壓監(jiān)測(cè)。

4.2 無線通信部分

在得出當(dāng)前胎壓后，無線通信部分通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP 通信。藍(lán)牙模塊通信是基于串口通信原理，利用ATmega16 集成的通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器（USART）完成。

在進(jìn)行藍(lán)牙串口通信之前，首先應(yīng)對(duì)USART 進(jìn)行初始化。USART 包含I/O 數(shù)據(jù)寄存器UDR 控制和狀態(tài)寄存器UCSRA、UCSRB、UCSRC，波特率寄存器UBRRL和UBRRH。其中，UDR 寄存器負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；UCSRA、UCSRB、UCSRC 寄存器負(fù)責(zé)設(shè)置操作模式、幀格式、提供UDR 發(fā)送器是否就緒的信號(hào)、使能接收器和發(fā)送器等；UBRRL 和UBRRH 寄存器負(fù)責(zé)設(shè)置波特率。通過對(duì)上述寄存器的配置，即可實(shí)現(xiàn)與APP 的無線通信[14]。

4.3 充放氣控制部分

在計(jì)算得出當(dāng)前胎壓值并且得到預(yù)設(shè)胎壓值后，充放氣控制部分將對(duì)其進(jìn)行比較，若當(dāng)前值較小則充氣，當(dāng)前值較大則放氣。放氣過程中，為保持胎壓穩(wěn)定下降，保證FSR402 所受壓力不會(huì)突變從而影響胎壓測(cè)量精度，輪胎放氣后期胎壓接近預(yù)設(shè)值時(shí)，設(shè)計(jì)周期為200 ms，即放氣持續(xù)50 ms后立刻停止放氣穩(wěn)定150 ms，保證輪胎氣壓在下降過程中有充足的時(shí)間達(dá)到均衡。同理，充氣過程也需要考慮保證測(cè)量到的當(dāng)前氣壓足夠穩(wěn)定，故充氣結(jié)束檢測(cè)到胎壓達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，須等待150 ms 使胎壓值更穩(wěn)定再進(jìn)行下一周期的胎壓監(jiān)測(cè)。

為確認(rèn)本裝置胎壓監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文利用氣壓表對(duì)胎壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到的測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同胎壓的監(jiān)測(cè)擬合精度

圖3 結(jié)果顯示：胎壓在35 Psi以上時(shí)，裝置擬合精度較高；胎壓在20 Psi 以下時(shí)，胎壓結(jié)果誤差較大。因正常胎壓范圍處于高精度區(qū)間，故日常使用時(shí)無需擔(dān)心準(zhǔn)確性問題。

為測(cè)試裝置對(duì)極端情況的適應(yīng)能力，本文進(jìn)行了模擬漏氣測(cè)試，模擬例如扎胎等情況下裝置的工作情況。將裝置通過氣管連接到可調(diào)流量的氣動(dòng)開關(guān)上，調(diào)節(jié)氣動(dòng)開關(guān)開啟的程度模擬漏氣量的大小。在漏氣情況下運(yùn)行裝置，可以發(fā)現(xiàn)氣泵開始工作以維持胎壓穩(wěn)定，視破壞嚴(yán)重程度，設(shè)定值（正常胎壓范圍為40～50 Psi）與當(dāng)前值相差0～2 Psi不等。此項(xiàng)測(cè)試的意義在于確認(rèn)車胎在不嚴(yán)重漏氣情況下的工作能力，即使用了本裝置的自行車在遇到輕微扎胎的情況下可繼續(xù)正常騎行，待時(shí)間合適再修理，而不必第一時(shí)間修理或者面臨失去代步工具的窘境。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了自行車輪胎的智能感壓充氣裝置，介紹了該裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并通過測(cè)試表明其可以實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)、通信、自動(dòng)充放氣等設(shè)計(jì)功能，可達(dá)到方便胎壓管理、增加騎行舒適度的目的。此外，本裝置也可向自平衡車、電動(dòng)自行車應(yīng)用方向推廣，增加應(yīng)用前景，為更廣大的群體帶來便捷的胎壓管理方案。