汽車(chē)爆胎輔助剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊仕澤 孫文福

摘要： 以汽車(chē)ABS和TPMS為參考，研究了一種汽車(chē)爆胎輔助剎車(chē)系統(tǒng)。系統(tǒng)以MPX4250壓力傳感器、DS18B20溫度傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊，AT89C51單片機(jī)為處理模塊，LM016L液晶顯示屏為顯示模塊，LED和蜂鳴器等構(gòu)成執(zhí)行元件，能夠有效監(jiān)測(cè)胎壓狀態(tài)以減少爆胎概率，并在爆胎后能夠安全穩(wěn)定地停車(chē)，避免爆胎后汽車(chē)失控的情況發(fā)生，這對(duì)駕乘人員的安全具有重大意義。

Abstract： Taking automobile ABS and TPMS as references， an automobile tire burst auxiliary braking system is studied. The system uses MPX4250 pressure sensor and DS18B20 temperature sensor as the data acquisition module， AT89C51 singlechip as the processing module，LM016L LCD as the display module， LED and buzzer as the actuator， which can effectively monitor the tire pressure status to reduce the probability of tire burst， and can stop safely and stably after tire burst to avoid the occurrence of vehicle out of control after tire burst， this is of great significance to the safety of drivers and passengers.

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)爆胎;輔助剎車(chē)系統(tǒng);單片機(jī)控制

Key words： automobile tire burst; auxiliary braking system; singlechip control

中圖分類(lèi)號(hào)：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0021-04

0 ?引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，交通越來(lái)越便利，而隨之引發(fā)的交通事故也在不斷增多。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在美國(guó)，因高速行駛中突然爆胎而導(dǎo)致的車(chē)毀人亡事故被列為高速公路意外事故榜首，占高速公路意外事故死亡人數(shù)的49.81%，受傷人數(shù)占63.94%。在高速行駛時(shí)，從爆胎到失控，司機(jī)的反應(yīng)控制時(shí)間只有3秒鐘左右，而且據(jù)科學(xué)分析，時(shí)速在160公里以上由于爆胎引起的交通事故的死亡率接近100%，由此可見(jiàn)，爆胎事故會(huì)造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失，危害極大[1-2]。

汽車(chē)爆胎的原因主要有三個(gè)：一是氣壓過(guò)高。因汽車(chē)高速行駛，氣壓升高，輪胎變形，胎體彈性降低，汽車(chē)所受到的動(dòng)負(fù)荷也增大，如遇到?jīng)_擊會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂或爆胎。二是輪胎氣壓不足。當(dāng)汽車(chē)高速行駛時(shí)（速度超過(guò)120km/h），輪胎氣壓不足容易造成胎體“諧振動(dòng)”從而引發(fā)巨大的諧振作用力，如果輪胎不夠結(jié)實(shí)或者已經(jīng)有“傷”，就易爆

胎[3]。三是輪胎的溫度升高，輪胎材料的機(jī)械性能下降。試驗(yàn)得知，輪胎內(nèi)部的溫度與輪胎的速度和負(fù)荷成正比，速度越高，負(fù)荷越大，溫度升高越快;在輪胎溫度升高到一定程度，氣壓也隨之升高到輪胎承受閾值，便會(huì)爆胎。根據(jù)輪胎爆胎的原因分析，設(shè)計(jì)一套汽車(chē)爆胎輔助剎車(chē)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎情況，減少爆胎風(fēng)險(xiǎn)。且在汽車(chē)爆胎后，能夠主動(dòng)控制汽車(chē)減速和穩(wěn)定車(chē)身，這將大幅減少安全事故的發(fā)生。

1 ?系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

由于汽車(chē)爆胎時(shí)安全控制是一個(gè)復(fù)雜的、涉及駕駛?cè)藛T安全的系統(tǒng)過(guò)程，研究其控制過(guò)程，不可能采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式[4]。因此，應(yīng)當(dāng)采用計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)模擬汽車(chē)爆胎時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。目前，在爆胎實(shí)際控制方面大多以監(jiān)測(cè)輪胎壓力為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際的爆胎情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，液壓模擬執(zhí)行模塊四大部分組成;通過(guò)輪胎中的數(shù)據(jù)采集模塊，把輪胎內(nèi)的氣壓情況反饋到數(shù)據(jù)處理模塊中，處理模塊接收到輪胎胎壓崩潰的信息后會(huì)迅速報(bào)警和調(diào)節(jié)制動(dòng)液壓泵，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油的傳送速度，以達(dá)到點(diǎn)剎逐漸使汽車(chē)穩(wěn)定停車(chē)的效果。

數(shù)據(jù)采集模塊主要有氣壓傳感器和溫度傳感器。氣壓傳感器選用MPX4250氣壓傳感器，MPX4250系列壓阻傳感器是最先進(jìn)的單片硅壓力傳感器之一，專(zhuān)為廣泛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，特別是那些采用帶有A/D輸入的微控制器或微處理器的應(yīng)用。該傳感器結(jié)合了先進(jìn)的微加工技術(shù)、薄膜金屬化和雙極處理，以提供與施加壓力成正比的準(zhǔn)確、高水平的模擬輸出信號(hào)。溫度傳感器選用DS18B20傳感器，DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的

特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)處理模塊使用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓;GND：接地;P0口：8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流;P1口：內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，其緩沖器能接收、輸出4TTL門(mén)電流;P2口：內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，其緩沖器可接收、輸出4個(gè)TTL門(mén)電流;P3口：8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收、輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。

數(shù)據(jù)顯示模塊選用LM016L液晶顯示屏，用來(lái)顯示輪胎內(nèi)氣壓、溫度的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。LM016L又被稱(chēng)為1602字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符。

液壓模擬執(zhí)行模塊主要使用LED燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，以及模擬液壓增壓減壓過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高頻率的點(diǎn)剎動(dòng)作。圖1為系統(tǒng)整體框架示意圖。

2 ?系統(tǒng)電路仿真設(shè)計(jì)

Proteus軟件是是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機(jī)。因?yàn)镸PX4250氣壓傳感器無(wú)法直接輸出數(shù)字信號(hào)，所以在氣壓傳感器和單片機(jī)之間還需要加入A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的P1口接入ADC0804芯片DB端，Vin端與MPX4250傳感器相連。MPX4250傳感器檢測(cè)胎壓值，1端輸出轉(zhuǎn)換后模擬電壓值Vin，MPX4250傳感器2、3端分別接入GND和VCC。溫度傳感器DS18B20則接入P2.3口。1602顯示器D0-07接入P0.0-P0.7，因?yàn)?1單片機(jī)P0口內(nèi)部是漏極開(kāi)路型（作I/O口用時(shí)），所以需要接入上拉電阻。RS、RW、E端分別接入P2.0、P2.1、P2.2。P3.2、P3.5分別接入LED預(yù)警和蜂鳴器報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)在壓力和溫度超過(guò)閾值后的聲光報(bào)警。P3.6連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)經(jīng)過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)液壓的增壓和減壓。P3.3、P3.7接入剎車(chē)增壓模擬LED和助力轉(zhuǎn)向模擬LED模塊。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。使用Keil作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件是一個(gè)非常合適的選擇。系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序首先對(duì)A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、聲光報(bào)警、LED閃爍模擬點(diǎn)剎等模塊進(jìn)行初始化，DS18B20溫度傳感器檢測(cè)溫度是否達(dá)到爆胎溫度上限值，MPX4250傳感器檢測(cè)汽車(chē)胎壓模擬值，單片機(jī)控制ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，送入LCD顯示其胎壓值，同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)胎壓是否超出閾值，超出閾值進(jìn)行燈光報(bào)警，嚴(yán)重超出閾值后進(jìn)行聲光報(bào)警和點(diǎn)剎增壓的制動(dòng)器工作模擬。軟件程序主要包含：主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)顯示程序、聲光報(bào)警及增壓減壓程序等。

數(shù)據(jù)采集程序設(shè)置：數(shù)據(jù)采集主要是分別利用MPX4250氣壓傳感器和DS18B20溫度傳感器采集輪胎內(nèi)氣壓和溫度。溫度傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，LCD可以經(jīng)過(guò)單片機(jī)直接讀取溫度。氣壓傳感器輸出模擬電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換方能成為數(shù)字信號(hào)并顯示在LCD中。A/D轉(zhuǎn)換流程為：首先，主程序初始化完畢;其次，獲取模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);最后，將數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)。

胎壓值的計(jì)算：首先，被測(cè)氣壓經(jīng)過(guò)氣壓傳感器MPX4250轉(zhuǎn)換成電壓輸出，根據(jù)MPX4250的芯片資料可知，輸出電壓Vout和氣壓P的關(guān)系如下：

Vout = Vs * （0.004P - 0.04） +/- Error

Vs為MPX4250供電電壓，供電電壓一般為5.1，Error 為誤差，因此可得：

Vout = 5.1（0.004P-0.04）

其次，MPX4250的輸出電壓Vout作為ADC0804輸入電壓Vin，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，由ADC0804芯片轉(zhuǎn)換公式，輸入電壓Vin和輸出數(shù)字量Data的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Vin/5=Data/256

其中，Vs、Vin 的單位為V， P的單位為kPa。

根據(jù)上述公式編程計(jì)算得到氣壓值P。

Voltage - Data*5*1000/256

P = （Voltage/5.1+40）/4

設(shè)定MPX4250輸出電壓Voltage擴(kuò)大1000倍。

從相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)看，輪胎的氣壓比正常值低30%，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更大的動(dòng)力來(lái)提供相同的速度，汽油的消耗量將變?yōu)樵瓉?lái)的110%[6]，輪胎溫度迅速升高，當(dāng)汽車(chē)輪胎胎壓低于標(biāo)準(zhǔn)胎壓40%以上時(shí)，輪胎極易出現(xiàn)爆胎的情況。由于MPX4250氣壓傳感器最高測(cè)量氣壓值為260kPa，且在系統(tǒng)中只是進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所以在此處設(shè)置氣壓正常范圍為200-230kPa;140-200kPa、230-240kPa為低于或超出閾值范圍;低于140kPa、高于240kPa為嚴(yán)重低于或超出閾值范圍。斜交輪胎能正常工作并保證輪胎有足夠耐久性的最高溫度一般是121.1℃，子午線輪胎必須限制在93.3℃以?xún)?nèi)或更低些溫度。目前大多數(shù)汽車(chē)采用子午線輪胎，所以設(shè)置93.3℃為爆胎溫度臨界值。

程序設(shè)定為：MPX4250循環(huán)檢測(cè)車(chē)輪胎壓P輸出模擬電壓值Vin，ADC0804芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，判斷胎壓值P是否在200kPa-230kPa限定值范圍內(nèi)，并送入LCD液晶顯示屏顯示胎壓。同時(shí)檢測(cè)溫度送入LCD液晶顯示屏顯示溫度。

數(shù)據(jù)顯示模塊：數(shù)據(jù)顯示使用一塊LCD1602顯示屏，LCD1602模塊內(nèi)部包含了一個(gè)DDRAM、CGRAM及CGROM，還包含了一個(gè)指令寄存器和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。程序初始化完成，對(duì)DB0-DB7賦值，進(jìn)行輪胎氣壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的傳輸，并顯示氣壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。

聲光報(bào)警及增壓減壓程序設(shè)定：當(dāng)LED和蜂鳴器接收到單片機(jī)傳來(lái)的中斷信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的中斷信號(hào)顯示不同的工作狀態(tài)，以此模擬聲光報(bào)警和增壓減壓的制動(dòng)器工作。當(dāng)溫度和氣壓處于正常范圍內(nèi)，電機(jī)不驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器工作;當(dāng)溫度和氣壓超過(guò)閾值，電機(jī)驅(qū)動(dòng)P3.2口、P3.5口的LED電路，使其閃爍進(jìn)行燈光報(bào)警;當(dāng)溫度和氣壓嚴(yán)重超過(guò)閾值，P3.3口、P3.5口、P3.7口的制動(dòng)液壓LED、蜂鳴器、轉(zhuǎn)向液壓LED進(jìn)行工作。制動(dòng)液壓LED將進(jìn)行每秒60-120次閃爍，模擬點(diǎn)剎過(guò)程。轉(zhuǎn)向液壓LED閃爍控制液壓流量幫助駕駛?cè)丝刂破?chē)方向。

主程序：主程序是采集氣壓信號(hào)，溫度信號(hào)，并使用A/D轉(zhuǎn)換將氣壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將氣壓和溫度以字符形式輸出到LCD顯示屏中。單片機(jī)利用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，判斷胎壓和胎溫是否超過(guò)爆胎臨界值，進(jìn)行中斷，驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)胎壓下的不同工作狀態(tài)。首先定義IO口，設(shè)定定時(shí)器0為方式1，設(shè)定定時(shí)器初值，設(shè)定允許定時(shí)器計(jì)數(shù)器中斷;采集溫度并乘以10倍，計(jì)算實(shí)際溫度;采集氣壓并利用公式計(jì)算實(shí)際顯示氣壓;轉(zhuǎn)換成字符串，1602顯示溫度和氣壓;設(shè)定中斷，LED和蜂鳴器執(zhí)行操作。主程序流程如圖2所示。

4 ?系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證

首先，將溫度和氣壓分別調(diào)至80℃和225kPa，此溫度和氣壓屬于正常范圍，此時(shí)LED燈不閃爍，蜂鳴器不工作，系統(tǒng)執(zhí)行正確;

其次，將溫度和氣壓分別調(diào)至80℃和235kPa，此溫度屬于正常范圍，但氣壓超過(guò)閾值，此時(shí)報(bào)警LED燈閃爍，蜂鳴器不工作，液壓執(zhí)行LED不工作，系統(tǒng)執(zhí)行正確;

再次，將溫度和氣壓分別調(diào)至94℃和245kPa，此溫度和氣壓嚴(yán)重超過(guò)閾值，視為爆胎狀態(tài)，此時(shí)LED燈閃爍，蜂鳴器工作，即聲光報(bào)警工作，液壓執(zhí)行LED工作，進(jìn)行點(diǎn)剎減速和穩(wěn)定車(chē)身的操作，系統(tǒng)執(zhí)行正確;

再將溫度和氣壓分別調(diào)至90℃和190kPa，此溫度正常，但氣壓低于正常值，此時(shí)報(bào)警LED燈閃爍，蜂鳴器不工作，液壓執(zhí)行LED不工作，系統(tǒng)執(zhí)行正確;

最后，將溫度和氣壓分別調(diào)至94℃和135kPa，此溫度超過(guò)輪胎溫度承受臨界值，氣壓嚴(yán)重低于正常值，視為爆胎狀態(tài)，此時(shí)LED燈閃爍，蜂鳴器工作，即聲光報(bào)警工作，液壓執(zhí)行LED工作，進(jìn)行點(diǎn)剎減速和穩(wěn)定車(chē)身的操作，系統(tǒng)執(zhí)行正確。

結(jié)果分析：由上述的仿真結(jié)果分析可知，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的胎壓和氣溫狀態(tài)，判斷輪胎的具體情況，并做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警和在爆胎后穩(wěn)定減速以保護(hù)駕乘人員的目的，能夠有效減少因輪胎爆胎所發(fā)生的事故。爆胎狀態(tài)下系統(tǒng)仿真執(zhí)行圖如圖3所示。

5 ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)大多數(shù)駕乘人員來(lái)說(shuō)，安全行駛的首要問(wèn)題就是避免爆胎事故的發(fā)生。盡管在汽車(chē)行業(yè)中已經(jīng)有了各種安全系統(tǒng)，比如ABS和TESD，甚至已經(jīng)有了防爆胎的出現(xiàn)，但因輪胎爆胎發(fā)生的車(chē)禍死亡率卻只增不減，這說(shuō)明爆胎后如何安全的停下來(lái)，依然是一個(gè)行業(yè)性的問(wèn)題。本文研究的輔助剎車(chē)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有安全系統(tǒng)的部分缺陷，幫助駕駛員更好控制汽車(chē)。該系統(tǒng)能夠?yàn)槲磥?lái)國(guó)內(nèi)外的爆胎輪胎試驗(yàn)與相關(guān)補(bǔ)充試驗(yàn)提供參考，幫助更多人研究并建立爆胎輪胎模型，進(jìn)而分析爆胎車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，為后續(xù)的相關(guān)研究提供部分基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳春岐.新編交通事故糾紛處理法律依據(jù)與案例評(píng)析法律[M].北京：法律出版社，2011.

[2]謝樂(lè)天，李昶亮，于貝.智能檢測(cè)輪胎爆胎預(yù)警與降溫處理裝置[J].時(shí)代汽車(chē)，2018（01）：125-126.

[3]任文年.汽車(chē)爆胎原因及TPMS胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析[J].企業(yè)研究，2012（16）：153.

[4]張立霞，賈佳.汽車(chē)爆胎時(shí)主動(dòng)安全控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020（06）：79-82.

[5]Martin J L， Laumon B. Tire blow-outs and motorway accidents[J]. Traffic Injury Prevention，2005，6（1）：53.

[6]陳琦.讓胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為車(chē)輛輪胎的“守護(hù)者”[J].汽車(chē)與配件，2020（08）：66-67.