汽車輪胎預警監(jiān)測系統(tǒng)設計
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據(jù)統(tǒng)計，在我國高速公路上發(fā)生的交通事故中，46％是由于輪胎故障引起的，其中爆胎占70％。輪胎內(nèi)壓力和溫度是引發(fā)輪胎故障的關(guān)鍵因素。在汽車行駛中，輪胎的氣壓過高，會減少輪胎與地面的接觸面積和減震空間，嚴重影響輪胎與地面的摩擦力和輪胎的減震效果。除了影響汽車性能外，還會對汽車的懸掛系統(tǒng)造成很大的沖擊。輪胎氣壓過低，輪胎的應力變形增加，在交變應力的作用下導致汽車輪胎的溫度升高，溫度過高時，輪胎的熱學性能和力學性能會明顯下降，從而導致輪胎壽命下降，甚至爆胎。同時輪胎的磨損加快，輪胎的載荷承載能力明顯下降，摩擦阻力增加，油耗上升。維持輪胎在正常氣壓和溫度范圍內(nèi)工作，是避免輪胎故障的關(guān)鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主動監(jiān)測輪胎內(nèi)壓力和溫度，預警輪胎異常，有效避免由輪胎故障引發(fā)的交通事故，是汽車電子向主動安全發(fā)展的重要方向。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
直接式TPMS包括輪胎監(jiān)測模塊和中央監(jiān)視模塊兩部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
輪胎監(jiān)測模塊由帶有補償功能的高集成MPXY8020A傳感器、德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530系統(tǒng)級射頻單片機、天線和鋰電池組成。該模塊主要功能是周期性被喚醒，MPXY8020A傳感器測量輪胎壓力和溫度，CC2530采集的輪胎壓力、輪胎溫度和電池電量信息，并將這些信息打包成數(shù)據(jù)幀，按照IEEE 802．15．4協(xié)議通過RF射頻前端無線發(fā)送到中央監(jiān)視模塊。
中央監(jiān)視模塊由CC2530、天線、LCD、LED指示燈和鋰電池組成。該模塊解析接收到的數(shù)據(jù)幀，將輪胎壓力、溫度和監(jiān)測模塊的電量實時顯示在LCD上面。當測量值超過警戒范圍時，LCD上面相應位置的輪胎會變成紅色并閃爍，相應的LED閃爍。
中央監(jiān)視模塊與輪胎監(jiān)測模塊的無線通信采用ZigBee聯(lián)盟制定的高可靠、高性價比、低功耗的IEEE802．15．4協(xié)議。在協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，中央監(jiān)視模塊作為協(xié)調(diào)器，輪胎監(jiān)測模塊作為終端設備。在本系統(tǒng)中終端設備和協(xié)調(diào)器組成星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，終端設備將采集的壓力、溫度和電量信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器設備。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 TPMS硬件選型和電路設計
2．1 輪胎檢測模塊
鑒于輪胎檢測模塊安裝在輪胎內(nèi)部，不可經(jīng)常拆卸更換電池，因此模塊可用能源有限，必須采用低功耗的傳感器、RF射頻模塊和MCU；為了防止模塊的重量引起輪胎較大偏心造成輪胎震動影響汽車性能，模塊的質(zhì)量必須控制在一定范圍內(nèi)。
傳感器采用集成溫度和壓力傳感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多種功耗模式，通過設置引腳1(S1)和引腳2(S2)的高低配置工作模式。各種模式下傳感器的功耗如表1所示。
MPXY8020A的引腳4(OUT)有兩種功能：當處于空閑模式時，大約每隔3 s輸出一個370μs的低電平來喚醒外部采集設備；當處于數(shù)據(jù)輸出模式時，該引腳根據(jù)采樣值和D／A中值的關(guān)系輸出不同的電平。輸出為高電平時，表示測量完成。
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