汽車輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì)

盧旭錦，吳樂堅(jiān)

(汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 汕頭 515078)

日常駕駛的車輛行駛過程中車身不斷積累靜電，這些靜電需要得到有效的釋放才能保證司乘人員及汽車周邊人員、財(cái)產(chǎn)的安全。在車身與路面之間隔著的便是汽車輪胎，汽車輪胎絕緣電阻的大小直接影響到車身靜電對(duì)大地的釋放。為了保證汽車行駛的安全，應(yīng)對(duì)汽車輪胎的絕緣電阻提出一個(gè)最低要求。我國(guó)于2011年1月發(fā)布了GB/T 26277—2010《 輪胎電阻測(cè)量方法》[1]，其詳細(xì)闡明了汽車輪胎的絕緣電阻標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)方法，這對(duì)輪胎生產(chǎn)和日常維護(hù)具有指導(dǎo)性的作用。對(duì)于輪胎絕緣電阻的測(cè)量，傳統(tǒng)的絕緣電阻測(cè)量方式已滿足不了現(xiàn)代化輪胎生產(chǎn)模式和日常汽車輪胎檢測(cè)的需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)出一種基于STC單片機(jī)構(gòu)成的智能化、高精度的汽車輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀，該儀器具有測(cè)試穩(wěn)定性高、操作方便、能自我校正等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化輪胎生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎絕緣電阻的測(cè)量，也可以用于日常對(duì)汽車輪胎的絕緣性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

1 汽車輪胎絕緣電阻的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及方法

汽車產(chǎn)生靜電的模型如圖1所示，靜電荷經(jīng)過路面電阻R1、輪胎電阻R2、車身電阻R3對(duì)車身形成的電容C1進(jìn)行充放電，R4為空氣電阻，一旦C1積累的靜電壓超過4 000V而不能得到安全有效的釋放[3]，則會(huì)在包含易燃?xì)怏w、水蒸氣、灰塵或粉末等的環(huán)境中放電[4]，從而導(dǎo)致電擊、爆燃等安全事故的發(fā)生。為了防止此類安全事故，必須在輪胎與路面之間建立一個(gè)可以安全釋放靜電的路徑。實(shí)驗(yàn)研究表明，若輪胎阻值小于106Ω，則可為安全地釋放電荷創(chuàng)造條件[2]。為此有必要在輪胎生產(chǎn)、日常維護(hù)時(shí)對(duì)輪胎的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，以確認(rèn)車輛的絕緣電阻值能小于106Ω。

圖1 汽車產(chǎn)生靜電的模型

GB/T 26277—2010《輪胎電阻測(cè)量方法》中規(guī)定：輪胎電阻是指放置于金屬承載板上的充氣輪胎輪輞總成在規(guī)定的測(cè)量負(fù)荷下測(cè)得的輪輞與金屬承載板之間的電阻值。

輪胎絕緣電阻的測(cè)量方法是：對(duì)輪胎每間隔1min施加1次負(fù)荷，共3次，第三次加載后便給輪胎施加1V測(cè)量電壓，經(jīng)過3min后，讀取電阻值，并按上述過程對(duì)其余兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行電阻測(cè)量，若電阻最大值超過104Ω，則按表1的規(guī)定，參照上述過程，給輪胎施加下一級(jí)電壓進(jìn)行測(cè)量。輪胎最終的電阻值應(yīng)是在沿圓周方向大致等距分布的所有測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的電阻最大值。若輪胎阻值小于106Ω，則可判定為能夠安全地釋放電荷[2]。

表1 測(cè)量電壓及其對(duì)應(yīng)的待測(cè)輪胎電阻范圍

2 輪胎絕緣電阻的測(cè)量原理分析

由表1中測(cè)量電壓及其對(duì)應(yīng)的待測(cè)輪胎電阻范圍可知，只要測(cè)得輪胎電阻小于106Ω，即可判定為能夠安全地釋放電荷[3]。由于本測(cè)試儀不必精確測(cè)量輪胎電阻的精準(zhǔn)值，只需要根據(jù)測(cè)量出來的輪胎阻值來判斷輪胎是否合格即可，因此可以采用比較測(cè)量法來對(duì)待測(cè)輪胎電阻進(jìn)行測(cè)量。在整個(gè)電路系統(tǒng)中，設(shè)置了4個(gè)精密標(biāo)準(zhǔn)電阻，阻值分別為1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ。圖2所示為輪胎絕緣電阻范圍測(cè)量流程，當(dāng)向輪胎施加1V的標(biāo)準(zhǔn)電壓前，先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)精密電阻1kΩ施加1V的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行測(cè)量，并記錄下測(cè)量值X1，測(cè)量完畢后將1V的標(biāo)準(zhǔn)電壓切換到輪胎進(jìn)行測(cè)量，記錄下測(cè)量值Y1。若Y1≤X1，則說明被測(cè)輪胎電阻合格，結(jié)束測(cè)量；若Y1>X1時(shí)，則切換到標(biāo)準(zhǔn)電阻10kΩ，施加1V電壓后，記下測(cè)量出的標(biāo)準(zhǔn)值X2。若Y1≤X2，則說明被測(cè)輪胎電阻合格，結(jié)束測(cè)量；若Y1>X2，則標(biāo)準(zhǔn)電壓需切換到10V檔，進(jìn)行下一個(gè)輪胎電阻范圍的測(cè)量，其測(cè)量方法與1V檔相同。

圖2 輪胎絕緣電阻范圍測(cè)量流程圖

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀總體方案如圖3所示。

本檢測(cè)儀采用了STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控單元。機(jī)械手接收來自單片機(jī)RS485通信口的控制信號(hào)，將輪胎送到指定位置放好，同時(shí)負(fù)責(zé)按要求對(duì)輪胎施加負(fù)荷。

圖3 輪胎絕緣檢測(cè)儀總體方案

單片機(jī)控制高低壓電路分別按程序設(shè)計(jì)要求施加1V、10V、100V、1 000V到被測(cè)輪胎，由采樣電阻采樣出回路中的泄漏電流，并進(jìn)行前置放大，放大后的信號(hào)供給程控放大器作為輸入信號(hào)，單片機(jī)控制程控放大器以適當(dāng)?shù)谋稊?shù)放大后，經(jīng)低通濾波器濾除干擾信號(hào)，再送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)交由單片機(jī)進(jìn)行比較判斷，以決定汽車輪胎的絕緣電阻是否在合格范圍之內(nèi)[5]。

STC15F2K60S2單片機(jī)具有雙串口，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)的通信。本系統(tǒng)采用了RS232通信模式與PC機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)可向PC機(jī)發(fā)送測(cè)量到的相關(guān)數(shù)據(jù)，PC機(jī)可對(duì)單片機(jī)發(fā)出測(cè)量和停止工作的命令。單片機(jī)與PLC通過RS232轉(zhuǎn)RS485進(jìn)行通信，這樣單片機(jī)就可發(fā)送命令給PLC，讓其指揮機(jī)械手將流水線上的輪胎進(jìn)行固定或施加負(fù)荷并等待測(cè)量，測(cè)量完畢后單片機(jī)又可發(fā)出命令，將輪胎移開。PLC系統(tǒng)及機(jī)械手部分，可應(yīng)用于輪胎生產(chǎn)線對(duì)輪胎進(jìn)行測(cè)量，若用于普通檢測(cè)，該部分可以省略。

3.2 直流高壓電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 26277—2010《輪胎電阻測(cè)量方法》規(guī)定，測(cè)試儀必須具備1V、10V、100V、1 000V的高穩(wěn)定性直流測(cè)量電壓，電壓跨度范圍較大，實(shí)現(xiàn)較為困難。另外，由于需要根據(jù)情況進(jìn)行高低壓切換，而在切換的過程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，故系統(tǒng)電源、低壓電源與高壓電源之間必須隔離開。系統(tǒng)提供了12V的工作電源，經(jīng)電阻降壓和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，可得到1V和10V的低壓直流電源，100V直流電源電路則經(jīng)集成開關(guān)電源控制芯片MC34063對(duì)12V直流電壓進(jìn)行升壓得到，其電路如圖4所示，圖中C11為濾波電容，C2為儲(chǔ)能電容，C2與輸出電壓UO的紋波電壓大小有關(guān)系，L1，D1和C3對(duì)電路起著決定性作用，整個(gè)電路的工作原理與升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路相似，C3是MC34063外接的時(shí)間適配電容，根據(jù)輸入電壓UI和L1的值，可計(jì)算出其電容值為3 500pF，這時(shí)只要電路工作，輸出電壓UO端便能輸出100V直流電壓[6]。

圖4 12V直流電壓轉(zhuǎn)100V直流電壓電路

1 000V直流高壓電源電路如圖5所示，主要作用是將系統(tǒng)提供的12V直流電壓轉(zhuǎn)換為1 000V的直流高壓。該電路使用PWM控制集成塊SG3524 為兩個(gè)功率管提供PWM控制信號(hào)，推動(dòng)兩個(gè)功率管輪流導(dǎo)通，經(jīng)高頻升壓變壓器轉(zhuǎn)化為高壓脈沖，再由二倍壓整流電路將高壓脈沖整流成直流高壓1 000V。直流高壓的產(chǎn)生受控于單片機(jī)的P1.0引腳，只有當(dāng)它發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，SG3524的第10引腳(SD)接收到控制信號(hào)，就會(huì)在第11和第14引腳產(chǎn)生PWM信號(hào)，PWM信號(hào)的占空比由電阻R7和電容C2的值來確定，另外為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，由電阻R1和R2組成的電壓反饋取樣電路采集來自輸出端的信號(hào)，并與第2引腳提供的參考電壓進(jìn)行比較后，將誤差反饋送給SG3524內(nèi)部的誤差放大器進(jìn)行放大輸出，以調(diào)整PWM的占空比，進(jìn)而使輸出電壓保持穩(wěn)定[7]。

為使SG3524的開關(guān)頻率f設(shè)置在43.3kHz，這里R7的阻值選用1.5kΩ，C2的容量選用0.02μF，則：

式中：RT為SG3524的外接電阻R7；CT為SG3524的外接電容C2。

圖5 1 000V直流高壓電源電路

3.3 汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路

圖6為汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路的部分電路圖，比較用的標(biāo)準(zhǔn)精密電阻共有4個(gè)，分別為1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ，這里只畫出1kΩ電阻電路加以說明，如圖6所示，當(dāng)K15打到1端時(shí)，輸入電壓HV加到1kΩ標(biāo)準(zhǔn)精密電阻上，由單片機(jī)檢測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)電壓值X;當(dāng)K15和K1打到2端時(shí)，輸入電壓HV加到輪胎上，對(duì)輪胎上的定點(diǎn)進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，測(cè)得的結(jié)果取平均值得到檢測(cè)值Y，然后再用X值與Y值進(jìn)行比較，如果Y>X,則進(jìn)行下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻電路的檢測(cè)，否則檢測(cè)結(jié)束。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀要求的轉(zhuǎn)換精度較高，故采用16位Σ-△轉(zhuǎn)換器AD7705集成塊，它內(nèi)部包含增益可編程放大器、編程數(shù)字濾波器、緩沖器等部件，能對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換。AD7705集成塊具有自校準(zhǔn)、寬動(dòng)態(tài)、高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，比較適合本測(cè)試儀的需求。

圖6 汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路

AD7705集成塊采用SPI三線串行接口，可與單片機(jī)直接連接，如圖7所示，采用二線連接收發(fā)數(shù)據(jù)，AD7705的第14腳接到單片機(jī)的P3.4引腳，用于接收輸入數(shù)據(jù)，第13引腳接到單片機(jī)的P3.5引腳，用于發(fā)送、輸出數(shù)據(jù)，第1引腳連到單片機(jī)的P3.7引腳,用于接收時(shí)鐘信號(hào)，第12引腳連接到單片機(jī)的P3.6引腳,用于接收控制信號(hào)。AD7705的第4引腳(CS)接低電平使芯片有效[8-9]。AD7705集成塊內(nèi)部集成程控放大器，可對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)控，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的需要。

信號(hào)采集電路采用運(yùn)放CA3140A組成一個(gè)電壓跟隨器，CA3140A具有高輸入阻抗、小功耗、低噪聲、溫漂小的特點(diǎn)。通過該電路采集HV端電壓值，送到AD7705集成塊的模擬輸入AIN1(+)端，并經(jīng)程控放大和A/D轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，圖7中AD7705集成塊的基準(zhǔn)參考電壓由R30和R31分壓供給[10]。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀采用模塊編程法，配合硬件電路來實(shí)現(xiàn)電路的功能。主要程序模塊包括鍵盤顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、對(duì)比選擇模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。整個(gè)軟件的主程序流程圖如圖8所示，程序在初始化之后，由單片機(jī)發(fā)信息控制機(jī)械手將輪胎進(jìn)行定位，然后加負(fù)荷，接著單片機(jī)先測(cè)試第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的值，然后再與輪胎的絕緣值比較，如果輪胎電阻大于標(biāo)準(zhǔn)電阻，則轉(zhuǎn)到下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)試比較，若標(biāo)準(zhǔn)電阻已到最后一個(gè)時(shí)，輪胎電阻仍然大于標(biāo)準(zhǔn)電阻值，那么這個(gè)輪胎可判定為不合格輪胎。只要輪胎電阻在某一次的比較中小于標(biāo)準(zhǔn)電阻，則可判定該輪胎合格。

在各個(gè)程序模塊中最關(guān)鍵的部分在于數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理部分，特別是測(cè)試輪胎的電阻值時(shí)，為了測(cè)試準(zhǔn)確，程序需要對(duì)輪胎上3個(gè)定點(diǎn)各采樣3次，合計(jì)采樣9次，然后采用中位值濾波法加算術(shù)平均濾波法求平均值，即對(duì)輪胎連續(xù)采樣9個(gè)數(shù)據(jù)，通過比較去除兩個(gè)最小值和兩個(gè)最大值，然后對(duì)余下的5個(gè)數(shù)值求算術(shù)平均值，這個(gè)算術(shù)平均值就作為在當(dāng)前測(cè)試電壓下的輪胎電阻值。對(duì)輪胎絕緣電阻的數(shù)據(jù)采集采用中位值濾波法加算術(shù)平均濾波法可克服由輪胎表面厚度、灰塵等因素引起的誤差，對(duì)輪胎電阻值的測(cè)試具有良好的濾波效果。

圖8 主程序流程圖

使用 AD7705集成塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前,必須先設(shè)置它的內(nèi)部命令寄存器，才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在本測(cè)試儀中，選用了通道 1雙極性模擬輸入模式、增益為8、數(shù)據(jù)刷新率為250Hz對(duì) AD7705芯片進(jìn)行配置。其初始化函數(shù)如下：

Void ADCInit()

{

SCLK=1;DIN=1;

for(i=0;i<40;i++)

{SCLK=0;SCLK=1;} //寄存器進(jìn)入寫狀態(tài)

Write(0x20); //選擇通道1，寫時(shí)鐘寄存器

Write(0x06); //刷新速率250Hz

Write(0x10); //選擇通道1，寫設(shè)置寄存器

Write(0x5C); //增益為8，自校準(zhǔn)

}

對(duì)AD7705集成塊進(jìn)行初始化以后,單片機(jī)就可以控制它進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)從寄存器中讀取出來，讀取數(shù)據(jù)的頻率要保證小于數(shù)據(jù)寄存器的刷新率, 這樣才能保證在讀取數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)出錯(cuò)。其讀取數(shù)據(jù)的C語(yǔ)言函數(shù)如下：

Unsigned Int Read ()

{

Unsigned Int ADdata , Token;

char i;

Write (0x38); // 設(shè)置數(shù)據(jù)通道

while(DRDY ==1){;} //等待A/D轉(zhuǎn)換完畢

SCLK =1;

ADdata =0x00;

for(i=0;i<16;i++)

{

ADdata =ADdata<<1;

SCLK =0;

if(DOUT ==1)ADdata=ADdata|0x01;//讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

SCLK =1;

}

SCLK =1;DIN=1 ;

return(ADdata);

}

5 系統(tǒng)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)分析

汽車輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀為適應(yīng)汽車輪胎生產(chǎn)和作為汽車輪胎日常保養(yǎng)檢測(cè)之用，必須考慮其應(yīng)用的靈活性、安全性及方便性。作為日常汽車輪胎檢測(cè)設(shè)備，可嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序編寫并固化，使檢測(cè)儀能自動(dòng)對(duì)汽車輪胎進(jìn)行檢測(cè)。另外，該檢測(cè)儀也可嵌入到汽車輪胎的生產(chǎn)和檢測(cè)平臺(tái)，并在PC機(jī)端配備控件軟件以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理一體化。

本檢測(cè)儀在完成設(shè)計(jì)、組裝形成成品后，為了檢測(cè)的可靠性、有效性、準(zhǔn)確性，需要依次對(duì)檢測(cè)儀中的標(biāo)準(zhǔn)精密電阻進(jìn)行標(biāo)定和修正，其方法是依次對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻加上相應(yīng)的直流電壓，并以1 000Ω的采樣電阻進(jìn)行采樣，以獲取它的采樣電壓值，若偏差較大，則可在程序中加以修正。下面以一臺(tái)汽車輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀為例，采用標(biāo)準(zhǔn)毫伏表對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的采樣電壓進(jìn)行10次測(cè)量，得到其采樣平均值見表2。

表2 樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電阻采樣平均值

為了使編程方便，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，可對(duì)采樣值進(jìn)行整數(shù)修正，使其易于編程和計(jì)算，也便于跟汽車輪胎的測(cè)量值進(jìn)行比較。利用修正的樣機(jī)檢測(cè)100個(gè)合格輪胎和100個(gè)不合格的輪胎，檢測(cè)準(zhǔn)確率均達(dá)到100%。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車輪胎絕緣電阻檢測(cè)儀充分利用STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部資源，設(shè)計(jì)出的電路具有功耗低、體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。該裝置能很好地適應(yīng)汽車輪胎廠對(duì)出廠輪胎絕緣性能檢測(cè)的要求，試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器具有準(zhǔn)確、易讀、方便、可靠等特點(diǎn)，可以推廣到汽車維修店用于日常對(duì)汽車輪胎的檢測(cè)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。