轮胎压力检测系统设计论文-自学考试毕业论文.doc

xx科技大学高等教育自学考试毕业论文 34轮胎压力检测系统设计摘要：随着汽车工业的发展和道路交通网络的扩大，同时由此而引起的安全问题在人们的生活中也是日益严重，随之引发的交通事故在不断增多。汽车轮胎压力监测系统(TPMS)由此应运而生，它是继 ABS、安全气囊后第 3 个重要的汽车安全电子产品，主要用于在汽车行驶过程中对轮胎气压、温度进行实时自动监测，并对出现的异常情况进行实时报警，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。本论文主要完成的工作分为以下几个过程：1）分析在各种车辆中经常出现的轮胎损耗、爆胎现象与轮胎气压和温度的关系；2）了解 TPMS 系统的发展历程、现状和趋势；3）对 TPMS 系统主机的结构进行创新性的改进，并分析新型结构与传统结构所具有的优势；4）完成 TPMS 系统主机模块的原理、结构、各种构成元件的硬件设计过程和选用器件的引脚配置等；5）确定基本的系统测试方法和测试过程,分析测试结果,得到研究设计结论。直接式 TPMS 是利用传感器实时测量每一个轮胎中的压力和温度,然后利用无线通信方式与 TPMS 主机进行通信，主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息,并且在轮胎气压过低、过高、有漏气或轮胎内温度异常时发出声音警报，提高了系统的稳定性和准确性。随着我国的汽车数量的增多和人们对汽车安全的注 ,TPMS 的需求必将会增大,TPMS 的相关研究也将会更加迫切和深入。本论文通过对无线收发系统方面的改进，提高了 TPMS 在信息传递的准确率和可靠性，降低了系统功耗。关键词：轮胎；压力；传感器；无线收发系统Tire Pressure Monitoring System DesignAbstract：With the development of the automobile industry and the expansion of the road transport network, and the resulting security problems in peoples lives is becoming increasingly erious, followed by traffic accidents caused on the rise.Tire Pressure Monitoring System(TPMS) which came into being, it is Following the ABS, airbags, three important automotive safety electronic products, mainly for real-time automatic monitoring of tire pressure,temperature in the vehicle wasexception and real-time alarm, motorists and bus personnel life safety and security early warning systems.The work completed by this thesis is divided into the following process: 1) analysis in various types of vehicles often tire wear and tear,puncture the relationship between the phenomenon and tire pressure and temperature; 2) to understand the development process, the status and trends of TPMS system; 3) the structure of the TPMS system host of innovative improvements, and to analyze the advantages of the new structure and the traditional structure; 4) completion of the principle of the TPMS system host module, the structure, the various elements of the components of the hardware design process and selection of devicesthe pin configuration; 5) determine the basic system test methods and test procedures, analysis of test results, the study design conclusions. Direct TPMS sensor real-time measurement of each tires pressure and temperature, and then use the wireless communication with the TPMS to communicate with hosts, the host can display the individual tire pressure and temperature information, and the tire pressure is too low, too high,leakage or abnormal temperature inside the tire, sound alerts, improve system stability and accuracy. With the increase in the number of Chinas automobile and vehicle safety concerns,TPMS demand will certainly increase, TPMS-related research will also be more urgent and in-depth.In this thesis, through the wireless transceiver system improvements to enhance the accuracy and reliability of the TPMS in the transmission of information, reduce system power consumption.Keywords：tires; pressure; sensor; wireless transceiver system引 言IV第1章 绪论51.1 课题产生背景51.2 课题研究的目的及意义51.2.1 轮胎压力与行车安全51.2.2 轮胎压力与使用寿命61.3 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势71.3.1 TPMS 的应用现状71.3.2 当前国内外相关技术的发展趋势8第2章 TPMS 的种类、工作原理及各自的优缺点102.1 TPMS 的种类102.1.1 直接式 TPMS102.1.2 间接式 TPMS122.1.3 基于 SAW 的无源 TPMS132.2 各种 TPMS 的优缺点14第3章 汽车轮胎气压监测系统工作原理及方案设计153.1 系统工作原理153.1.1 轮胎爆胎机理153.1.2 轮胎气压实时监测算法173.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计183.2.1 系统方案论证183.2.2 系统设计要求193.2.3 系统方案总体设计213.2.4 监测模块的硬件总体设计213.2.5 主机控制模块的硬件总体设计21第4章 元器件选型234.1 传感器234.2 发射处理芯片244.3 TPMS 接收芯片与接收控制器254.4 电池264.5 天线274.6 结论27第5章 汽车轮胎压力检测系统的硬件设计285.1 系统硬件总体设计285.2 轮胎监视摸块硬件设计285.3 主机控制模块硬件设计30第6章 结论与展望316.1 工作总结316.2 不足与展望31致 谢33参考文献34引 言每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。随着人们对生命安全重视程度的提高，监测汽车轮胎压力就成为汽车安全的一个重要课题。轮胎压力监测系统（TPMS）就是在这个背景下应运而生。当前市场上的 TPMS 产品主要有二类：直接式 TPMS 和间接式 TPMS。间接式 TPMS没有压力传感器，它依靠 ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的变化。而直接式 TPMS 是依靠安装在轮胎内的压力和温度传感器将轮胎内的压力、温度数据以无线电波方式传送到接收器上，使驾车者能随时知晓轮胎的压力和温度的变化情况。本文介绍的是直接式 TPMS，在这种方式中，轮胎内轮胎模块一旦装上，电池就不断地工作，因此轮胎和车轮模块低功耗、高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制就成为系统设计的关键问题。在此原则之下，选用收发灵敏度高、准确率高、功耗低的芯片作为信号收发芯片。这样通过依靠安装在轮胎内的压力和温度传感器将轮胎内的压力、温度数据以无线电波方式传送到接收器上，使驾车者能随时知晓轮胎的压力和温度的变化情况，降低了交通事故的发生。34第1章 绪论1.1 课题产生背景随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有 70是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达 80。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统（Tire Pressure MonitoringSystem，简称 TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统（TPMS）以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。1.2 课题研究的目的及意义1.2.1 轮胎压力与行车安全轮胎压力对于汽车安全行驶的重要性众所周知，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性，通过性，平顺性，稳定性，安全性和舒适性等。在引起交通事故的原因中，轮胎问题排在第三位。轮胎气压不足，将加大胎侧的弯曲变形，易导致胎内内壁帘线松散断裂。当气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂。又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路而间的动载荷，汽车的平顺性变坏。轮胎的回正力矩减小，促使汽车操纵性能降低。行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎使用寿命的缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，也意味着轮胎与路面之间的最小正压力增大，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。当汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，这会削弱轮胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，易造成行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，易造成局部超载而加剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损。因此，轮胎压力过高和过低都会对行车安全造成不利影响。1.2.2 轮胎压力与使用寿命统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少 25；当轮胎压力高于标准值 25时，其寿命将会降低 1520；对于轿车，其轮胎内压每下降 0.05MPa，其承载力就减少 l00N。从表 1-1 可以看出，随着气压的减少，轮胎的行驶里程逐渐缩短，使用寿命降低。气 压（%）行驶里程（%）气 压（%）行驶里程（%）1001007050959765409088603385805530807050277560表11 不同气压下的行驶里程表（注：标准气压和标准气压下的行驶里程为 100%）在使用过程中，能够按轮胎的标准气压充气，轮胎在行驶过程中就会均匀的磨损；保持了轮胎的最佳承载状态和良好的弹性，大大地延长轮胎的行驶里程。可见气压的大小对轮胎的使用性能有直接影响。气压对行驶里程的影响见图 1-1 标准内压%图11 气压对轮胎行驶历程的影响的曲线图综上，气压是轮胎环境的重要因素，它控制着轮胎的使用寿命和各种特性。汽车轮胎压力检测系统能够时刻监视轮胎压力状况，保持行驶中车辆每个轮胎压力足够，防止轮胎爆胎以便行车安全，并且还可节省燃油以及延长轮胎寿命。1.3 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势轮胎压力监测系统（TPMS）技术早在上世纪 80 年代就已提出，但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境，而仅停留在设想层面上。随着近几年来汽车工业和交通事业的发展，汽车的速度越来越高，拥有汽车的家庭越来越多，由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。结合新的无线射频应用技术和集成电路工艺，研制 TPMS 已经提到日程上来。1.3.1 TPMS 的应用现状在 TPMS 及相关技术的研究发面，西方汽车工业发达国家在近几年都取得了相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的Mark型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。2002 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程（AE1）评为当年 20 个最有价值的汽车产品之首。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子 VDO 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵（Tire Guard）监测装置，英国 A.I.R 汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神（Tire Shield）监测装置；法国米其林集团公司与威柏可（Wabco）公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置；德国 BEAU 公司与美国 Lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了 TPMS。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力监测技术产品来看，通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的新发展方向，也揭示了一种新的行车安全防范理念。美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早，而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品，要么系统工作寿命极短，要么系统在低温或高温环境下失效，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理，如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严”，但价格高昂。因此，研制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。1.3.2 当前国内外相关技术的发展趋势当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置。直接轮胎压力监测装置，要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。间接轮胎压力监测装置，要求使用车辆防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力变化。ABS 是通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。对于在 4 个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，轮胎压力变低也会导致车速发生变化，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，因为当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于轮胎压力判别，并触发警报系统来向司机发出警告。每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了 4 轮 ABS（每个轮胎装备 1 个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级就可以监测车速的变化，从而间接的测量轮胎压力。根据美国交通部门的统计，在 2000年时，安装了 ABS 系统的车辆已占总车辆数的 67%。但是，目前这种系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的 2 个轮胎气压都低。第2章 TPMS 的种类、工作原理及各自的优缺点目前 TPMS 主要分为两种类型：直接式 TPMS（PressureSensor Based TPMS）和间接式 TPMS（Wheel-Speed Based TPMS）。2.1 TPMS 的种类2.1.1 直接式 TPMS直接式 TPMS 的工作原理本质上是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接控制并测量轮胎压力和温度，并对各轮胎气压进行实时的显示与监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向车载无线接收报警器报警，有效防止爆胎，可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求；缺点在于无线电波容易受到外界干扰，感应模块的电池存在使用寿命问题。目前直接式 TPMS 主要是直接主动式 TPMS 和机械式 TPMS，它们的区别在于传感器的类型。直接式 TPMS 的温度压力传感器一般是植入轮胎内部，而机械式 TPMS的温度压力传感器一般是安装在轮胎的气门芯上的。直接式 TPMS 的工作原理图如图2-1 所示。图21 直接式 TPMS 的原理图直接机械式 TPMS:机械式直接 TPMS 将系统分为轮胎模块和中央接收模块两部分。其中轮胎模块由压力传感器，控制器和发射器组成；中央接收模块由接收机，控制器和显示报警部分组成。机械式的 TPMS 与其它的 TPMS 的主要区别在于其压力传感器部分使用的是机械式压力传感器。直接主动式 TPMS:目前大多数厂家所研制和汽车所使用的都是直接主动式 TPMS，其原理框图如图 2-2所示。TPMS 系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块（采样端）和安装在汽车驾驶台上的接收和显示模块（监测端）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（RF）发射出去。一个 TPMS 系统有 4 个或 5 个（包括备用胎）TPMS 监测模块。接收模块接收 TPMS 监测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。a) 轮胎监视模块的结构图b) 主机控制模块的结构图图22 直接主动 TPMS 的结构图直接式 TPMS 还可以分为单向通信系统 TPMS 和双向通信系统 TPMS。目前大多数直接式 TPMS 都是单向通信系统，即只存在从轮胎电子模块到接收机的单向信息通路，轮胎模块工作在完全自主的模式下。双向通信是指系统的遥感传感器及射频收发模块响应车体内射频收发和信息处理模块发来的状态报告要求，立即向内射频收发和信息处理模块报告轮胎目前的工作状况，遥感传感器及射频收发模块具备无线射频收发功能，永远处于待机状态，无条件的接收车体内射频收发和信息处理模块的指挥。轮胎模块监测到胎压/温度的变化或出现异常时，就发信息给接收机，但它无法确保接收机能够正确接收到此信息。由于汽车在实际行驶过程中，轮胎气压总是在一定范围内波动变化的，为了检测到轮胎气压的标准状态，程序设计成在 200 次的连续采样次数内，若有连续 20次采得的气压值都属于同一个胎压状态，则认为气压状态是稳定的；若在 200 次的连续采样次数内，没有连续 20 次采得的气压值都属于同一个胎压状态的气压状态，则说明此时气压还不稳定，就必须重新开始新一轮的连续 200 次采样。目前还有学者提出一种三度 EM 的模拟方法，使得设计开发人员能够在初期的设计和研发阶段评估在不同测试环境下 TPMS 的性能。还可以根据传感器的不同将 TPMS 分为内置式 TPMS 和外置式TPMS，内置式 TPMS 是将压力传感器和信号发射部分直接固定在车轮钢圈上，主要用于真空轮胎，一般为汽车生产厂或轮胎生产厂选用，需根据各厂商的不同车型或者轮胎压的要求进行定制，可解决汽车厂商的一体化要求，而外置式 TPMS 安装比较简单，适合用于各种轮胎，但安装后需要对轮胎的平衡性等指标进行调校，以达到安全目的。2.1.2 间接式 TPMS间接式 TPMS 工作原理的本质在于在压力监测的过程中压力信号由轮胎至车体是非接触性传输或者气压值并非有传感器直接给出。目前常见的间接式 TPMS 有间接计算式 TPMS 和间接磁敏式 TPMS。间接计算式 TPMS：间接计算式 TPMS 是通过汽车系统的速度传感器比较轮胎之间的转速差别，来监测两轮胎压力的相对变化以达到监控胎压的目的。它的优点是耐用性强、可靠性高，不需要电池，也不存在受到无线电波的干扰的问题，不需要对汽车轮胎改装，成本比较低；它的缺点是无法对两个以上轮胎同步变化的状态和速度超过 100 公里/小时的情况进行判断。在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化。利用 4 个车轮上安装的 ABS 车轮传感器产生的波形信号并经过 VSC（Vehicle Stability Control System）处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，在根据轮胎气压和弹簧常数成严格正比关系，最后求出轮胎气压，控制流程如图 2-3 所示。图23 计算式间接 TPMS 的工作原理图间接磁敏式 TPMS：图 2-4 为磁敏式间接轮胎气压监视系统组成框图。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮毂上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化（由此可见，虽然这里采用了气压传感器，气压值并非有传感器直接给出，故将其归为间接式），从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元由单片机和外围接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送人存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎气压值及其状态，通过接口芯片和驱动器，驱动显示报警装置在面板显示轮胎气压或在压力异常时进行声光报警。图2 4 磁敏式间接 TPMS 的工作原理图2.1.3 基于 SAW 的无源 TPMS基于 SAW 的无源 TPMS 仍然属于主动式 TPMS，但是它与一般的直接式 TPMS 的区别在于该系统在采样端不需要电池，因此将它作为一种特殊的关系列出来进行介绍。表面声波（Surface Acoutic Wave , SAW）是由英国物理学家瑞利在 1885 年发现的。他发现在弹性晶体的表面上上存在一种形式的波动，成为表面声波。并以波动数学理论证明其现象，故此表面成为瑞利波。只是当时他的研究结果，并没有引起任何在实务发展的回响。直到 1965 年，加州大学柏克莱分校的 R . M . White 和 F .M . Voltmer 两位教授，将指状电极（Interdigital Transducers；IDT）结构制作在压晶体管的表面，并成功的产生了表面声波讯号后才正式开启了表面声波组件的应用。由于 SAW 组件可藉有不同的电极结构设计来产生不同的频率响应，故此后的 30 年，SAW 组件被广泛的要运用在各类通讯领域的振荡器、谐振器及滤波器等电路中。另一方面，SAW 在感测技术发展上，也具有相当大的潜力，因为 SAW 组件的灵敏度高，当晶体受到扰动影响，所产生的频率漂移都在数百 KH 间，利用目前的测量仪器，可精确侦测到 1Hz 的微小变化量。采用 SAW 传感器的无源 TPMS 主要由无线查询单元、中央处理单元以及 SAW 传感器 3 部分组成，前两部分可合称为中央收发处理单元。工作时，中央收发处理单元通过天线发出 RF 脉冲信号，SAW 传感器通过天线接收射频脉冲信号并转换为声表面波；声表面波在传感器里传播时收集有关数据。随后声表面波再次被转换为射频信号并通过天线发射出去，中央收发处理单元接收信号并对所接收的内容进行判断处理。2.2 各种 TPMS 的优缺点目前间接式 TPMS 有着明显的缺陷， 这主要表现在：1) 当前间接式的 TPMS 系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前后两车轮的速度。2) 当 4 个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两轮同样胎压不足时，系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过 100 km /h 的情况时，系统就不能够正常工作了；只有在单个轮胎或对角线上的两个轮胎以及 3 个轮胎的压力低于其他轮胎压力的 30%以上，才能监测到低压现象；NHTSA 在调查中发现，使用目前间接型 TPMS 的轮胎，在处于明显低压状态时只有占调查总数的 50%发生了报警， 而直接型 TPMS 都能发出报警。相比于间接式 TPMS，直接式 TPMS 有着很多优点：能在任意瞬时监测到 4 个轮胎内的温度和压力大小，测量精度和准确度都要比间接式的要高，但它有不可避免的存在着一些弊端，比如，安装在 4 个轮胎内压力、温度传感器，信号处理和发射模块会打破原先的动平衡，在恶劣潮湿的环境下，轮胎内的电池会出现漏电现象，使得系统使用年限缩短。基于 SAW 的无源 TPMS 优点：可以测量轮胎温度、压力和轮胎道路摩擦力，不需要在轮胎内使用电源，实现了无源化，维护简单，减轻了传感器重量，降低了轮胎的动态负载，能够适用轮胎的恶劣工作环境。第3章 汽车轮胎气压监测系统工作原理及方案设计轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、通过性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。在汽车高速行驶过程中，轮胎爆胎是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。因此，汽车轮胎气压实时监测系统的研制在提高行车安全、延长轮胎寿命等方面都有着重大的现实意义。本章主要来介绍汽车轮胎气压实时监测系统的工作原理。3.1 系统工作原理3.1.1 轮胎爆胎机理目前，国内由轮胎故障引起的突发交通事故的直接原因主要是轮胎充气压力的不足或过高。同时，国内的轮胎爆裂突发交通事故中也存在着其它人为因素影响。由于技术解决方案是有针对性地解决技术领域内的问题，所以，对汽车高速行驶状态下存在的轮胎结构选用不当、实际行驶速度高于轮胎规定速度、轮胎花纹过度磨耗、胎体意外损伤及违规超载等因素，这里不作讨论范围。（1） 充气压力对轮胎爆胎的影响 气压是轮胎的生命，掌握轮胎的标准充气压力，并按标准充气压力对轮胎充气是非常重要的。轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时，已确定了它的最大负荷和相应的标准充气压力，充气压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%20%。充气压力过低，轮胎胎体变形过大，会产生过度屈挠运动，使内层受到的压缩力与外层受到的伸张力远远超过允许屈挠极限，造成轮胎过度生热，从而导致橡胶老化加速和帘布层脱层，严重时甚至会致使帘线折断，轮胎瞬间爆破。同时充气压力过低，轮胎的接地面积增大，胎肩的磨损加剧。如果双胎并装中有一条轮胎气压不足，行驶中大部分负荷将集中到另一条轮胎上，常常会造成这条轮胎严重超载。就车辆来说，轮胎充气压力过低，会造成轮胎侧偏刚度下降，拖矩增大，车辆的制动性能变坏，在高速行驶的条件下遇到紧急情况会非常危险。气压过高，轮胎帘线受到过度的伸张变形，胎体弹性降低，车辆高速行驶时受到的动载荷（震动、应力来不及分散）增大，如再受到冲击，轮胎会产生内裂或爆破。气压过高，轮胎的接地面积还会相对减小，以致胎冠中部在加快磨损的同时温度急剧上升，使胎冠容易爆破。气压过高还会致使轮胎减震性能变劣，导致车辆底盘部件损坏，使轮胎接地附着力下降，车辆的制动效果降低，成为高速行车的安全隐患。在汽车高速行驶过程中，轮胎气压低于标准值时，将加大胎侧的弯曲变形，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，导致轮胎内壁帘线的松散断裂，最后导致轮胎的漏气或爆胎；轮胎气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增大，使轮胎磨损加剧，形成花纹底部开裂。又由于此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，使汽车的平顺性变差，导致汽车操纵性能降低。另外，如果汽车前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果汽车后轮左右轮胎的气压不同，会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。保持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命，减少不必要的燃油消耗，更对汽车的安全行驶起着关键作用。（2） 温度对轮胎爆胎的影响轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外，还会导致帘线强力降低。当轮胎温度从 0升高到 100时，对尼龙轮胎来说，帘线强力会降低 20%左右，橡胶强度则下降 50%左右；轮胎温度高于临界温度（100以内是正常温度，100121是临界温度，121以上是危险温度）时，橡胶强度和帘线强力降低更多，因此轮胎的温升对其使用寿命的影响很大。汽车在行驶过程中，特别是在高速公路上高速行驶时，驾驶员即使没有操作失误，轮胎也会突然爆破。究其原因，主要是与轮胎温升的影响有关，即轮胎会由于超过正常温度而爆破，而在轮胎爆破以前，其受热破坏的情况通常不易控制和掌握。当胎内温度超过 120时，轮胎结构层的强度将明显下降；当轮胎温度超过硫化点（140）时，轮胎的各组成部分将被破坏，失去承载能力。由此可见，轮胎温升对轮胎使用寿命长短以及高速行驶状态下的爆胎发生率的影响很大。（3） 其它因素对轮胎爆胎的影响一般来说，行驶速度越高，轮胎在单位时间内与地面的接触次数越多，摩擦越频繁，变形频率越大；同时由于胎体的振动，周向和侧向产生的扭曲变形增大。当轮胎的转速达到临界转速时，胎冠表面的振动呈波浪形，即形成所谓的“驻波”，也叫静止波。静止波的滞后损失（轮胎的弹性变形来不及恢复造成）使轮胎压力与温度急剧上升，有可能在几分钟内就导致轮胎爆破。显然，速度越高，振动频率越大，变形恢复越少（大部分变形转变为热能），轮胎温升越高，再加之内压增大，其后果必然是帘布胶的老化加速和帘布的耐疲劳性能降低，轮胎出现早期脱层或爆破现象。因此，轮胎的使用寿命与行驶速度成反比关系，即行驶速度越高，轮胎的生热越大，温升越高，受到的冲击力也就越大。在这种高速高温情况下，轮胎的胎面磨损加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情况会随时发生。车辆装载时，必须按轮胎的额定负荷装载客货。这是因为各类轮胎的额定负荷是根据轮胎的结构、帘布层数、强度以及标准气压和行车速度等设计的。如果轮胎在超负荷下运行，就会使其变形，特别是胎侧的弯曲变形增大，使胎肩部位的磨损加重。同时，胎体材料的分子摩擦及部件的机械摩擦也会导致轮胎内部温度升高和胎体帘布层脱层，从而加速轮胎的损坏。总之，车辆超载越多，胎体的屈挠伸张越大，轮胎的升温速度越快，在高速公路上高速行驶时爆破的可能性就越大。此外，还有轮胎质量以及轮辋尺寸等影响轮胎气压实时监测的因素。从以上轮胎爆胎的主要原因分析来看，要想在汽车行驶过程中防范气压监测重大误差的发生，除了加强交通运输规章管理、轮胎选型合理等人为措施以外，最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度状态进行实时监控。3.1.2 轮胎气压实时监测算法行车的安全以及高效率的运行要依赖于优良的轮胎性能，而对轮胎性能的实时掌握，必须要对轮胎的工作状态进行监控，根据轮胎状态参数的变化情况及时做出科学准确的判断，以预防危及行车安全的轮胎故障发生。在汽车由于轮胎而引发的事故的诱发因素中，分为不可避免因素和可避免因素两大类情况。其中，行车环境中变化的气温以及粗糙的路况等因素属于不可避免因素；适合的轮胎气压以及良好的驾驶习惯等因素属于可避免因素。对于不可避免因素，只能提高重视、加强警惕，将不可预测的偶然性因素造成的损失降到最小。而本文所讨论的技术问题，只有针对可避免因素中那些采取技术措施可以预防的环节，通过监测可控因素来达到对轮胎爆胎的预警，才是合理有效的技术解决途径。综合上一小节本文对轮胎爆胎机理及影响因素的分析， 轮胎充气过度会导致抓地力下降，影响到汽车的舒适性、保护功能和轮胎寿命；同时轮胎会对冲击或碰撞较敏感，刹车性能降低。充气不足可能会导致油耗增大、轮胎过热、车辆操控不良，安全性能下降；引起胎体疲劳导致轮胎工作不佳或者无法修复及翻新，形成爆胎的隐患。如发现轮胎压力低于标准气压 20% ，即使临时补气，也只是紧急情况下不得已的缓冲之计，无法从根本上解决问题。必须尽快到就近的轮胎店将轮胎拆下来，由专业人员进行检查，否则可能会导致严重伤亡事故。若认为轮腔内的气压过高或过低都不会直接导致轮胎爆胎，只有胎体强度的下降才是导致爆胎的真正原因，通过监控胎体的结构变化来预防爆胎，不但实现起来比较困难，而且只能在轮胎出现事故前很短时间内监测到