東北林業(yè)大學(xué)汽車輪胎溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測防爆裝置

1、汽車輪胎溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測防爆裝置翟旭亮，宋喜崗，劉超，晏資祥，于德旭東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040摘要：本作品是一種動(dòng)態(tài)的汽車安全駕駛輔助裝置。利用紅外測溫技術(shù)監(jiān)測車胎表面溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪定位參數(shù)和胎壓的監(jiān)測，開發(fā)單片機(jī)程序，將監(jiān)測到的紅外信號(hào)以數(shù)字顯示的方式顯示給司機(jī)，提示司機(jī)車胎的工作狀況避免事故發(fā)生。以單片機(jī)原理，硬件資源的功能應(yīng)用，8255a、ad0804芯片和12864液晶顯示屏的功能與接口設(shè)計(jì)，各芯片和液晶顯示屏與單片機(jī)的通訊協(xié)議等理論知識(shí)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出完整的系統(tǒng)原理圖。根據(jù)原理圖，將硬件系統(tǒng)資源焊接成pcb板。根據(jù)系統(tǒng)功能，開發(fā)編寫固件程序，下載后進(jìn)行調(diào)試，實(shí)驗(yàn)板在

2、單片機(jī)控制下能單獨(dú)工作后，和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過usb接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的相互通信。本裝置所用到的元件有紅外測溫探頭，是臺(tái)灣貝克萊斯探頭，測溫范圍是0350c，距離系數(shù)是10:1，輸出的信號(hào)為05v，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將輪胎的行駛工況實(shí)時(shí)顯示個(gè)駕駛員。關(guān)鍵詞：紅外測溫，實(shí)時(shí)監(jiān)測，防爆1. 研究背景輪胎高速行駛時(shí)，溫度和腔內(nèi)氣壓將會(huì)上升，簾線張力增大。當(dāng)超過一定溫度時(shí)，在溫度與壓力的共同作用下，輪胎將產(chǎn)生胎面脫層、橡膠簾線復(fù)合材料間界面脫離、胎體爆破等現(xiàn)象。因此，分析輪胎生熱溫升機(jī)理，研究輪胎溫度場分布可為輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料配方設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。20世紀(jì)40年代，人

3、們就試圖根據(jù)輪胎材料的性能、幾何尺寸和使用條件用數(shù)學(xué)方程式定量地預(yù)測輪胎的溫升。trivisonnonm采用有限差分法對(duì)滾動(dòng)輪胎穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行了熱分析。在穩(wěn)態(tài)分析中，基于材料性能，他一開始就測量輪胎表面和腔內(nèi)空氣的溫度、換熱系數(shù)、斷面厚度、輪胎的幾何尺寸以及熱傳導(dǎo)率等。給出了整個(gè)輪胎的溫度分布、不同部位的生熱速度以及不同部位傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射所導(dǎo)致的散熱速度。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值非常一致。yeow .s h輪胎的滯后生熱和地面的摩擦生熱及冷卻，將輪胎簡化為無限長的圓筒，列出三維熱傳導(dǎo)微分方程，經(jīng)過離散化，用有限差分方程求解，得出滾動(dòng)或滑動(dòng)輪胎上任一瞬間徑向、周向和軸向的溫度分布。richrad等通過

4、建立對(duì)輪胎的兩個(gè)基本假設(shè)，應(yīng)用有限元法對(duì)輪胎的每個(gè)區(qū)域中的每個(gè)小單元進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并運(yùn)用熱損失能量基本方程研究了自由滾動(dòng)輪胎溫度場的分布。北京理工大學(xué)部分研究者通過建立力學(xué)、熱學(xué)有限元分析混合模型，利用非線性有限元分析了坦克用實(shí)心橡膠輪胎穩(wěn)態(tài)溫度場分布。他們的研究成果對(duì)汽車輪胎的研究具有重要的借鑒意義和參考價(jià)值。吉林大學(xué)王慶年教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組近年來也開展對(duì)輪胎高速滾動(dòng)溫度場的有限元分析，形成了自己的研究分析思路。哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所運(yùn)用三維有限元法，通過研究材料的層和特性，建立復(fù)合材料三維熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)子午線輪胎三維非線性溫度場進(jìn)行了分析計(jì)算。并且提出用3種模塊進(jìn)行分析：采用

5、變形模塊進(jìn)行輪胎穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析以得到輪胎的變形和應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)；采用損耗模塊進(jìn)行輪胎的能量損耗和生熱分析；采用熱模塊進(jìn)行輪胎溫度場分析和熱、力耦合分析預(yù)報(bào)輪胎的滾動(dòng)阻力、內(nèi)部溫度場、應(yīng)力、應(yīng)變及變形。南京航空學(xué)院針對(duì)三維內(nèi)熱源的溫度場問題，推導(dǎo)了溫度場的有限元“剛度”及熱載荷，使用六節(jié)點(diǎn)五面體及八節(jié)點(diǎn)六面體單元，分析了子午線輪胎的溫度場，并用紅外熱像系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。目前汽車輪胎防爆在線監(jiān)測系統(tǒng)（tpms）是國外開發(fā)的系統(tǒng)，是監(jiān)測胎壓的。tpms系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)一個(gè)輪胎氣壓減小時(shí)，滾動(dòng)半徑減小，而車輪轉(zhuǎn)速相應(yīng)加快。如果有一個(gè)輪胎處于低壓，指示燈會(huì)提醒司機(jī)。國內(nèi)的防爆裝置局限于檢測胎壓和爆胎后

6、的安全措施，如：tbss爆胎穩(wěn)向系統(tǒng)有汽車轉(zhuǎn)向器、輪胎壓力傳感器、中心控制系統(tǒng)ecu和方向鎖定閥四大部分組成。輪胎壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎氣壓，檢測結(jié)果傳送給ecu，ecu在爆胎發(fā)生時(shí)命令方向盤鎖住方向。此系統(tǒng)只能在爆胎后發(fā)生作用。2. 設(shè)計(jì)原理21設(shè)計(jì)思路本作品通過研究不同輪胎溫度特性與車輛結(jié)構(gòu)、車輪定位參數(shù)、車速、車輛載荷等因素的關(guān)系。這方面研究目前未見相關(guān)研究文獻(xiàn)，將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用到車輛行駛參數(shù)的測定，通過監(jiān)測輪胎表面溫度情況，判斷出車輪的定位參數(shù)和胎壓情況，從而能預(yù)防爆胎。利用紅外測溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車胎溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而得知輪胎的胎壓和其他情況。如果輪胎表面兩側(cè)溫度高，表示胎壓不足；如

7、果中間溫度高，表示胎壓過高,應(yīng)調(diào)整胎壓；如果溫度不均衡，表示輪胎不平衡或鋼圈變形，應(yīng)該做輪胎平衡、前輪定位或換變形鋼圈；如果輪胎一邊溫度高，表示胎側(cè)傾角失調(diào)。應(yīng)該做前輪定位。如果溫度過高，則應(yīng)該減速行駛或停車檢查。設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，將監(jiān)測到的紅外信號(hào)以數(shù)字顯示的方式顯示給駕駛員，提示駕駛員輪胎的工作狀況避免事故發(fā)生。圖1.作品主程序圖系統(tǒng)軟件用c語言編寫，包括主程序、初始化子程序、中斷喚醒程序、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和發(fā)送子程序及顯示子程序。主程序負(fù)責(zé)調(diào)用初始化程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，中斷喚醒程序在使單片機(jī)在時(shí)鐘或按鍵產(chǎn)生中斷后退出休眠狀態(tài)。在鬧鐘中斷喚醒單片機(jī)后，主程序調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，獲取傳感器溫度

8、數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在外部寄存器內(nèi)，同時(shí)設(shè)置下一個(gè)鬧鐘時(shí)刻。按鍵喚醒單片機(jī)后，主程序應(yīng)調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，將外部存數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)。2.2功能實(shí)現(xiàn)本作品涉及是8255a、ad0804芯片和12864液晶顯示屏與89c52通訊協(xié)議，重點(diǎn)在于硬件設(shè)計(jì)、程序開發(fā)和整機(jī)的調(diào)試。經(jīng)過論證，在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的前提下，為了降低系統(tǒng)的成本，選用i/o拓展口芯片8255a，控制器選取89c52，它有8k的存儲(chǔ)容量，對(duì)于固件程序已經(jīng)足夠使用，而且這款單片機(jī)支持在線編程，通過串口下載程序，這給程序的下載和使用帶來來方便。程序設(shè)計(jì)采用c語言進(jìn)行編程，軟件仿真采用keil c51。首先將紅外測溫裝置對(duì)準(zhǔn)一物體測試溫度

9、，再用標(biāo)準(zhǔn)紅外測溫儀測試其溫度。這樣來確定作品使用的測溫探頭的準(zhǔn)確性。本裝置的測溫精度為1c。本裝置一共需要12個(gè)紅外測溫探頭，對(duì)應(yīng)12個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每三個(gè)紅外測溫探頭為一組，利用一個(gè)51單片機(jī)控制。由于單片機(jī)的管腳數(shù)量有限，所以要利用i/o拓展芯片，所選擇的型號(hào)為8255a。一個(gè)8255a可以拓展出3個(gè)i/o口，利用4個(gè)8255a，一個(gè)8255a控制三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所有的d口都與單片機(jī)p1口相連。每個(gè)8255a的片選管腳cs分別與單片機(jī)管腳p3.0、p3.1、p3.2、p3.3相連。四個(gè)8255a的rd管腳和單片機(jī)的p3.6連接，rw管腳與單片機(jī)p3.7管腳相連，a0與單片機(jī)p3.3管腳相連

10、，a1與單片機(jī)p3.4管腳相連。這樣可以節(jié)省單片機(jī)管腳，而且四個(gè)8255a互不影響。p0為液晶顯示屏的并行數(shù)據(jù)口（液晶顯示屏型號(hào)為12864），通過p0口將測到的所有輪胎的胎冠表面溫度分布情況傳輸給液晶顯示屏并顯示出來。p2口控制液晶顯示屏和12個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ad0804的所有的cs管腳與同一個(gè)單片機(jī)的管腳p2.3連接，所有的wr管腳與一個(gè)單片機(jī)管腳p2.2連接，所有的rd管腳與單片機(jī)的p2.1連接，這樣不會(huì)影響ad0804的工作。液晶屏的rs管腳與p2.7相連，wr管腳與與p2.6相連，lcden管腳與p2.5相連。聲音報(bào)警元件選擇的是蜂鳴器，只需一個(gè)單片機(jī)管腳p2.0控制。蜂鳴器有兩個(gè)管腳

11、，正極管腳與電源連接，負(fù)極管腳與pnp的發(fā)射極相連，基極與p2.0連接，集電極與負(fù)極相連。當(dāng)p2.0為低電平是pnp導(dǎo)通，蜂鳴器也導(dǎo)通，發(fā)出響聲。液晶顯示屏上顯示汽車四個(gè)車輪的胎冠中間和兩邊的溫度情況，如果監(jiān)測到異常情況，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警?？刂瓢宓碾妷簽?v，在普通的汽車上需要降壓才能與汽車的電源相連接。傳感器的工作電壓為24v，在電源為24v的汽車可直接與汽車的電源相連接，在電源為12v的汽車上需要升壓。測溫探頭安裝在車輪行駛方向斜上方的60處，傳感加一個(gè)保護(hù)套并且放在一個(gè)圓筒內(nèi)，一端加一個(gè)端蓋，端蓋由舵機(jī)控制，用來防止傳感器被污染，雙層保護(hù)。固定擋泥板上?？刂齐娐钒灏惭b在車體內(nèi)，液晶顯示屏與

12、汽車其他儀表并排布置。汽車在40km/h以上時(shí)本裝置正式工作，端蓋打開。因?yàn)檐囕v在壞路面行駛時(shí)速度一般不會(huì)超過40km/h，且容易污染傳感器，在這個(gè)速度下輪胎不易產(chǎn)生爆胎。如果傳感器測到的溫度總與大氣溫度相同，說明傳感器被污泥遮擋，此時(shí)應(yīng)將保護(hù)套摘下進(jìn)行清理。電路原理圖的繪制以及封裝我們選用的軟件是protel 99se，按照上面我們設(shè)計(jì)的管腳之間的連接，我們繪制了原理圖。之后就是我們?nèi)ベI來了我們需要的元器件，用卡尺量出各個(gè)元器件的尺寸大小，繪制出各個(gè)元器件封裝庫文件，然后將各個(gè)元器件導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，這樣在pcb文件中就有了各個(gè)元器件的封裝。接下來就是將各個(gè)元器件的布置分布好，再將各個(gè)管腳用導(dǎo)線連

13、接起來，找錯(cuò)、修改。之后pcb文件繪制成功，可以拿到電路板加工廠進(jìn)行加工。圖2 作品原件封裝圖2.3試驗(yàn)分析驗(yàn)證電路板加工完后，將各個(gè)元器件焊接在電路板上，然后編寫程序進(jìn)行調(diào)試，程序的編寫是用keil編寫的，每個(gè)元器件的驅(qū)動(dòng)程序都是根據(jù)資料里的時(shí)序圖編寫，功能部分的程序根據(jù)需要自己設(shè)計(jì)。調(diào)試成功，裝置已經(jīng)成后，進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用測試，試驗(yàn)中針對(duì)乘用型車的車輪進(jìn)行測溫，測到的數(shù)據(jù)如下：表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)1正常胎壓下溫度數(shù)據(jù)胎冠溫度24222124202219胎面溫度25212024202117胎側(cè)溫度23202022181917表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)2略高胎壓下溫度數(shù)據(jù)胎冠溫度18242024252022胎面溫度20

14、252325282122胎側(cè)溫度19232021231920 表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)3略低胎壓下溫度數(shù)據(jù)胎冠溫度22202321262924胎面溫度20202019231824胎側(cè)溫度20211919232125本裝置的測溫響應(yīng)時(shí)間為250ms，精度為1c。要求能夠在液晶顯示屏上快速準(zhǔn)確的顯示出每個(gè)輪胎胎冠表面的溫度分布情況。把測溫探頭對(duì)準(zhǔn)一個(gè)物體，然后迅速對(duì)準(zhǔn)另外一個(gè)不同溫度的物體，觀察液晶屏上的數(shù)字變化速度，液晶顯示屏上的溫度值是瞬間變化的，根據(jù)實(shí)際測試，此項(xiàng)滿足了基本要求。為了確定我們的裝置測溫的準(zhǔn)確性，用市場上標(biāo)準(zhǔn)的紅外測溫儀測某一個(gè)物體的實(shí)際溫度，再用我們的裝置的紅外測溫探頭對(duì)準(zhǔn)此物體進(jìn)行測溫

15、，看是否與實(shí)際溫度相符，經(jīng)測試完全相符。本裝置要求能夠在監(jiān)測到胎壓異常情況下能夠發(fā)出報(bào)警，主要根據(jù)同一個(gè)輪胎的三個(gè)紅外測溫探頭測到的溫度情況，如果三個(gè)探頭的溫差達(dá)到一定的值，裝置報(bào)警。我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定是溫差達(dá)到10c后，報(bào)警。測試時(shí)將探頭對(duì)準(zhǔn)溫度不同的物體，溫差達(dá)到十?dāng)z氏度后裝置立刻報(bào)警，蜂鳴器發(fā)出聲響。此項(xiàng)功能完全符合要求。3.創(chuàng)新特色本作品通過研究不同輪胎溫度特性與車輛結(jié)構(gòu)、車輪定位參數(shù)、車速、車輛載荷等因素的關(guān)系。這方面研究目前未見相關(guān)研究文獻(xiàn)，將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用到車輛行駛參數(shù)的測定，通過監(jiān)測輪胎表面溫度情況，判斷出輪胎的胎壓情況，從而能預(yù)防爆胎。本作品是一種動(dòng)態(tài)的汽車安全輔助裝置。本作

16、品不需要車輛電路及一些裝置，就可安裝到車輛上，且安裝方便。裝置工作時(shí)是自動(dòng)監(jiān)測，不需要駕乘人員提供其他操作，以節(jié)省駕乘人員的精力。作品的工作環(huán)境與汽車的工作環(huán)境相同，可以運(yùn)用到現(xiàn)在使用的所有車輛上。4.應(yīng)用前景通過對(duì)系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)，對(duì)采集器軟、硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)研究，做了相應(yīng)的軟件和測溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了該汽車輪胎實(shí)時(shí)監(jiān)測防爆設(shè)計(jì)方案的可行性。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，布線方便具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。作品的性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的應(yīng)用普及性，與市場上已有的汽車壓力檢測裝置相比，競爭力大，可以獲得很大的銷量，從而取很好的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目面向社會(huì)與新技術(shù)的發(fā)展需求，涉及車輛、控制理論、電力電子等眾多學(xué)科與工程技術(shù)領(lǐng)

17、域，對(duì)于進(jìn)一步研究開發(fā)汽車防爆安全新技術(shù)，具有現(xiàn)實(shí)的學(xué)術(shù)和工程意義。參考文獻(xiàn)1陳家瑞.汽車構(gòu)造m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003. 7.2莊繼德.汽車輪胎學(xué)學(xué)m.北京:北京理工大學(xué)出版社.1995.3趙君.關(guān)碩等.汽車輪胎防爆在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究j.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào).2005.124王吉忠.魏兆宏.輪胎氣壓自動(dòng)監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)j.汽車電器.2002.4.5孫宏偉.汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的研制.吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005.6郭天祥.新概念51單片機(jī)c語言教程m.北京:電子工業(yè)出版社.2009.7李麗新.劉圣春.劉秋菊.用綜合測量方法設(shè)計(jì)固體導(dǎo)熱系測試試驗(yàn)臺(tái)j.試驗(yàn)室研究與探索.2006.2.8xiaojuan 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 characteris