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1、汽车轮胎温度实时监测防爆装置翟旭亮，宋喜岗，刘超，晏资祥，于德旭东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨，150040摘要：本作品是一种动态的汽车安全驾驶辅助装置。利用红外测温技术监测车胎表面温度，实现对车轮定位参数和胎压的监测，开发单片机程序，将监测到的红外信号以数字显示的方式显示给司机，提示司机车胎的工作状况避免事故发生。以单片机原理，硬件资源的功能应用，8255A、AD0804芯片和12864液晶显示屏的功能与接口设计，各芯片和液晶显示屏与单片机的通讯协议等理论知识为基础，设计出完整的系统原理图。根据原理图，将硬件系统资源焊接成PCB板。根据系统功能，开发编写固件程序，下载后进行调试，实验板在
2、单片机控制下能单独工作后，和上位机进行联机调试，通过USB接口实现与上位机的相互通信。本装置所用到的元件有红外测温探头，是台湾贝克莱斯探头，测温范围是0350C，距离系数是10:1，输出的信号为05V，利用模数转换器将模拟信号转换为数字信号。将轮胎的行驶工况实时显示个驾驶员。关键词：红外测温，实时监测，防爆1. 研究背景轮胎高速行驶时，温度和腔内气压将会上升，帘线张力增大。当超过一定温度时，在温度与压力的共同作用下，轮胎将产生胎面脱层、橡胶帘线复合材料间界面脱离、胎体爆破等现象。因此，分析轮胎生热温升机理，研究轮胎温度场分布可为轮胎结构设计、材料配方设计的改进提供参考依据。20世纪40年代，人
3、们就试图根据轮胎材料的性能、几何尺寸和使用条件用数学方程式定量地预测轮胎的温升。TriViSonnoNM采用有限差分法对滚动轮胎稳态和非稳态进行了热分析。在稳态分析中，基于材料性能，他一开始就测量轮胎表面和腔内空气的温度、换热系数、断面厚度、轮胎的几何尺寸以及热传导率等。给出了整个轮胎的温度分布、不同部位的生热速度以及不同部位传导、对流和辐射所导致的散热速度。计算值与实验值非常一致。Yeow .S H轮胎的滞后生热和地面的摩擦生热及冷却，将轮胎简化为无限长的圆筒，列出三维热传导微分方程，经过离散化，用有限差分方程求解，得出滚动或滑动轮胎上任一瞬间径向、周向和轴向的温度分布。RIChrad等通过
4、建立对轮胎的两个基本假设，应用有限元法对轮胎的每个区域中的每个小单元进行应力应变分析，并运用热损失能量基本方程研究了自由滚动轮胎温度场的分布。北京理工大学部分研究者通过建立力学、热学有限元分析混合模型，利用非线性有限元分析了坦克用实心橡胶轮胎稳态温度场分布。他们的研究成果对汽车轮胎的研究具有重要的借鉴意义和参考价值。吉林大学王庆年教授领导的课题组近年来也开展对轮胎高速滚动温度场的有限元分析，形成了自己的研究分析思路。哈尔滨工业大学复合材料研究所运用三维有限元法，通过研究材料的层和特性，建立复合材料三维热传导的数学模型，对子午线轮胎三维非线性温度场进行了分析计算。并且提出用3种模块进行分析：采用
5、变形模块进行轮胎稳态结构分析以得到轮胎的变形和应力、应变循环；采用损耗模块进行轮胎的能量损耗和生热分析；采用热模块进行轮胎温度场分析和热、力耦合分析预报轮胎的滚动阻力、内部温度场、应力、应变及变形。南京航空学院针对三维内热源的温度场问题，推导了温度场的有限元“刚度”及热载荷，使用六节点五面体及八节点六面体单元，分析了子午线轮胎的温度场，并用红外热像系统进行了试验验证。目前汽车轮胎防爆在线监测系统（TPMS）是国外开发的系统，是监测胎压的。TPMS系统的工作原理是当一个轮胎气压减小时，滚动半径减小，而车轮转速相应加快。如果有一个轮胎处于低压，指示灯会提醒司机。国内的防爆装置局限于检测胎压和爆胎后
6、的安全措施，如：TBSS爆胎稳向系统有汽车转向器、轮胎压力传感器、中心控制系统ECU和方向锁定阀四大部分组成。轮胎压力传感器实时监测轮胎气压，检测结果传送给ECU，ECU在爆胎发生时命令方向盘锁住方向。此系统只能在爆胎后发生作用。2. 设计原理21设计思路本作品通过研究不同轮胎温度特性与车辆结构、车轮定位参数、车速、车辆载荷等因素的关系。这方面研究目前未见相关研究文献，将红外测温技术应用到车辆行驶参数的测定，通过监测轮胎表面温度情况，判断出车轮的定位参数和胎压情况，从而能预防爆胎。利用红外测温技术，实现对车胎温度的实时监测，进而得知轮胎的胎压和其他情况。如果轮胎表面两侧温度高，表示胎压不足；如
7、果中间温度高，表示胎压过高,应调整胎压；如果温度不均衡，表示轮胎不平衡或钢圈变形，应该做轮胎平衡、前轮定位或换变形钢圈；如果轮胎一边温度高，表示胎侧倾角失调。应该做前轮定位。如果温度过高，则应该减速行驶或停车检查。设计单片机程序，将监测到的红外信号以数字显示的方式显示给驾驶员，提示驾驶员轮胎的工作状况避免事故发生。图1.作品主程序图系统软件用C语言编写，包括主程序、初始化子程序、中断唤醒程序、数据采集、存储和发送子程序及显示子程序。主程序负责调用初始化程序对系统进行初始化，中断唤醒程序在使单片机在时钟或按键产生中断后退出休眠状态。在闹钟中断唤醒单片机后，主程序调用数据采集子程序，获取传感器温度
8、数据并将其存储在外部寄存器内，同时设置下一个闹钟时刻。按键唤醒单片机后，主程序应调用数据发送子程序，将外部存数器内的数据发送到计算机内。2.2功能实现本作品涉及是8255A、AD0804芯片和12864液晶显示屏与89C52通讯协议，重点在于硬件设计、程序开发和整机的调试。经过论证，在实现设计要求的前提下，为了降低系统的成本，选用I/O拓展口芯片8255A，控制器选取89C52，它有8k的存储容量，对于固件程序已经足够使用，而且这款单片机支持在线编程，通过串口下载程序，这给程序的下载和使用带来来方便。程序设计采用C语言进行编程，软件仿真采用Keil C51。首先将红外测温装置对准一物体测试温度
9、，再用标准红外测温仪测试其温度。这样来确定作品使用的测温探头的准确性。本装置的测温精度为1C。本装置一共需要12个红外测温探头，对应12个模数转换器，每三个红外测温探头为一组，利用一个51单片机控制。由于单片机的管脚数量有限，所以要利用I/O拓展芯片，所选择的型号为8255A。一个8255A可以拓展出3个I/O口，利用4个8255A，一个8255A控制三个模数转换器。所有的D口都与单片机P1口相连。每个8255A的片选管脚CS分别与单片机管脚P3.0、P3.1、P3.2、P3.3相连。四个8255A的RD管脚和单片机的P3.6连接，RW管脚与单片机P3.7管脚相连，A0与单片机P3.3管脚相连
10、，A1与单片机P3.4管脚相连。这样可以节省单片机管脚，而且四个8255A互不影响。P0为液晶显示屏的并行数据口（液晶显示屏型号为12864），通过P0口将测到的所有轮胎的胎冠表面温度分布情况传输给液晶显示屏并显示出来。P2口控制液晶显示屏和12个模数转换器。AD0804的所有的CS管脚与同一个单片机的管脚P2.3连接，所有的WR管脚与一个单片机管脚P2.2连接，所有的RD管脚与单片机的P2.1连接，这样不会影响AD0804的工作。液晶屏的RS管脚与P2.7相连，WR管脚与与P2.6相连，LCDEN管脚与P2.5相连。声音报警元件选择的是蜂鸣器，只需一个单片机管脚P2.0控制。蜂鸣器有两个管脚
11、，正极管脚与电源连接，负极管脚与PNP的发射极相连，基极与P2.0连接，集电极与负极相连。当P2.0为低电平是PNP导通，蜂鸣器也导通，发出响声。液晶显示屏上显示汽车四个车轮的胎冠中间和两边的温度情况，如果监测到异常情况，蜂鸣器发出报警。控制板的电压为5V，在普通的汽车上需要降压才能与汽车的电源相连接。传感器的工作电压为24V，在电源为24V的汽车可直接与汽车的电源相连接，在电源为12V的汽车上需要升压。测温探头安装在车轮行驶方向斜上方的60处，传感加一个保护套并且放在一个圆筒内，一端加一个端盖，端盖由舵机控制，用来防止传感器被污染，双层保护。固定挡泥板上。控制电路板安装在车体内，液晶显示屏与
12、汽车其他仪表并排布置。汽车在40Km/h以上时本装置正式工作，端盖打开。因为车辆在坏路面行驶时速度一般不会超过40Km/h，且容易污染传感器，在这个速度下轮胎不易产生爆胎。如果传感器测到的温度总与大气温度相同，说明传感器被污泥遮挡，此时应将保护套摘下进行清理。电路原理图的绘制以及封装我们选用的软件是protel 99se，按照上面我们设计的管脚之间的连接，我们绘制了原理图。之后就是我们去买来了我们需要的元器件，用卡尺量出各个元器件的尺寸大小，绘制出各个元器件封装库文件，然后将各个元器件导入网络表，这样在PCB文件中就有了各个元器件的封装。接下来就是将各个元器件的布置分布好，再将各个管脚用导线连
13、接起来，找错、修改。之后PCB文件绘制成功，可以拿到电路板加工厂进行加工。图2 作品原件封装图2.3试验分析验证电路板加工完后，将各个元器件焊接在电路板上，然后编写程序进行调试，程序的编写是用Keil编写的，每个元器件的驱动程序都是根据资料里的时序图编写，功能部分的程序根据需要自己设计。调试成功，装置已经成后，进行试验应用测试，试验中针对乘用型车的车轮进行测温，测到的数据如下：表2试验数据1正常胎压下温度数据胎冠温度24222124202219胎面温度25212024202117胎侧温度23202022181917表3试验数据2略高胎压下温度数据胎冠温度18242024252022胎面温度20
14、252325282122胎侧温度19232021231920 表4试验数据3略低胎压下温度数据胎冠温度22202321262924胎面温度20202019231824胎侧温度20211919232125本装置的测温响应时间为250ms，精度为1C。要求能够在液晶显示屏上快速准确的显示出每个轮胎胎冠表面的温度分布情况。把测温探头对准一个物体，然后迅速对准另外一个不同温度的物体，观察液晶屏上的数字变化速度，液晶显示屏上的温度值是瞬间变化的，根据实际测试，此项满足了基本要求。为了确定我们的装置测温的准确性，用市场上标准的红外测温仪测某一个物体的实际温度，再用我们的装置的红外测温探头对准此物体进行测温
15、，看是否与实际温度相符，经测试完全相符。本装置要求能够在监测到胎压异常情况下能够发出报警，主要根据同一个轮胎的三个红外测温探头测到的温度情况，如果三个探头的温差达到一定的值，装置报警。我们经过实验确定是温差达到10C后，报警。测试时将探头对准温度不同的物体，温差达到十摄氏度后装置立刻报警，蜂鸣器发出声响。此项功能完全符合要求。3.创新特色本作品通过研究不同轮胎温度特性与车辆结构、车轮定位参数、车速、车辆载荷等因素的关系。这方面研究目前未见相关研究文献，将红外测温技术应用到车辆行驶参数的测定，通过监测轮胎表面温度情况，判断出轮胎的胎压情况，从而能预防爆胎。本作品是一种动态的汽车安全辅助装置。本作
16、品不需要车辆电路及一些装置，就可安装到车辆上，且安装方便。装置工作时是自动监测，不需要驾乘人员提供其他操作，以节省驾乘人员的精力。作品的工作环境与汽车的工作环境相同，可以运用到现在使用的所有车辆上。4.应用前景通过对系统整体方案的设计，对采集器软、硬件的设计进行详细研究，做了相应的软件和测温实验，结果证明了该汽车轮胎实时监测防爆设计方案的可行性。本系统结构简单，布线方便具有实际应用价值。作品的性价比高，具有很强的应用普及性，与市场上已有的汽车压力检测装置相比，竞争力大，可以获得很大的销量，从而取很好的经济效益。本项目面向社会与新技术的发展需求，涉及车辆、控制理论、电力电子等众多学科与工程技术领
17、域，对于进一步研究开发汽车防爆安全新技术，具有现实的学术和工程意义。参考文献1陈家瑞.汽车构造M.北京:机械工业出版社.2003. 7.2庄继德.汽车轮胎学学M.北京:北京理工大学出版社.1995.3赵君.关硕等.汽车轮胎防爆在线监测系统的研究J.东北电力学院学报.2005.124王吉忠.魏兆宏.轮胎气压自动监测和报警系统J.汽车电器.2002.4.5孙宏伟.汽车轮胎爆胎预警系统的研制.吉林大学硕士学位论文.2005.6郭天祥.新概念51单片机C语言教程M.北京:电子工业出版社.2009.7李丽新.刘圣春.刘秋菊.用综合测量方法设计固体导热系测试试验台J.试验室研究与探索.2006.2.8Xi
18、aojuan Chen.Youtian Zhang.Xinghua Li.Design of a trigeminal neuralgia pressure-pained-detector based on MSP430.Mechatronics and Automation. 2009. ICMA 2009.International Conference on 2009.9Mc Allen J. Cuitifio A M. Sernas V. Numerical investigation pf the deformation characteristics and heat generationin pneumatic aircraft tires Part H .Thermal modelingJ. Finite Elements in Analysis and resign.201110蔡彦资.汽车防爆胎自动控制系统研究J.科技创新导报.2009.11彭何欢.郑红平.麻则运.基于CAN总线与无线传感器的轿车胎压监测系统J.制造业自动化.2011.12B. Jeff. Tire Pressure Monitoring: An Industry Under Pressure .Sensors.2003.
