轮胎红外测温防爆预警系统设计研究

杨 瑞，张海龙

(东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)

汽车轮胎在高速滚动时，其应力、应变及轮胎材料的粘弹性滞后特性，会使轮胎生热而温度升高，导致轮胎材料的强度、粘合力等使用参数大幅下降，极易发生汽车爆胎，这就给行车带来了很大的安全隐患。同时轮胎温度过高对车辆的行驶性能也有不良影响，如操纵稳定性变差、耐磨性降低等。为此提出轮胎生热、爆裂机理、红外测温原理，完成轮胎红外测温防爆预警系统的设计，帮助驾驶员合理使用轮胎，实现轮胎防爆预警功能，避免因此而造成人员和财产损失，为车辆安全行驶，避免重大交通安全事故具有很大的社会和经济意义［1］。

1 轮胎生热、爆裂机理

轮胎生热及温升是由于受到周期性应力的作用，橡胶及橡胶基复合材料的粘弹性滞后特性，引起能量的损失［2］。损失的能量一部分转化为热量使轮胎温度升高，高速行驶下轮胎最高温度可达100℃以上，甚至可以达到轮胎的使用的临界温度125℃［3］。高速滚动轮胎破坏性试验表明，轮胎胎冠鼓包时的温度达到了99.8℃，轮胎的内部橡胶呈融乳状。这种高的温度对轮胎是有负面作用的，温度过高会使轮胎橡胶材料的弹性模量、断裂强度和粘合力等参数降低，这样会使轮胎材料内部开始产生裂纹，裂纹再进一步吸收能量进行扩展［4］，同时，高温下轮胎内气体压力增加，使裂纹继续扩大，最后引起轮胎的脱层和爆裂。

综上所述，轮胎爆裂的主要原因是轮胎在运行过程中内部温升过高，同时造成轮胎内气压过高等综合作用引起的。

2 红外测温原理

非绝对零度的物体都会向他的周围辐射热量。这是因为物体的带电粒子受到温度激发后将热能以电磁波的方式辐射到外界。电磁波的强度与物体的温度相关，温度越高，所发出的电磁波能量越大，由于物体内带电粒子运动频率存在差异，这样形成的电磁波的波普随之不相同［5］。

普朗克黑体辐射定律是红外测温法的理论根据，普朗克黑体辐射定律可以定量确定不同温度的黑体在各个波长下的电磁辐射能量的大小［6］。各种物质产生热辐射能力的高低与温度和其波长λ有关。某一波段λ1—λ2的红外辐射线实际就是红外辐射测温所接受的红外辐射线，在这一波段内辐射能力可用普朗克公式积分求取［5］。

在实际的红外测温测对象，基本上都不是黑体。此外，对象在到达检测器的过程中发出的辐射能量，也会由于各种因素而造成损失［7］。温度测量设备，测得的温度不是物体表面的真实温度，其与真实温度T之间有一定误差。目前红外测温仪测得真实温度，仍然有很多困难，所测得温度主要是亮温度和色温度［8－9］。

3 轮胎防爆预警系统结构与组成

轮胎防爆预警系统研制的基本思路为:一是通过红外探测器测得轮胎表面某点温度。然后根据轮胎表面温度与内部温度的关系，来进行计算、分析和判断，实现报警功能;二是通过压力传感器测出轮胎内部气压，然后根据轮胎内部最高温度与胎内气压的关系，计算出轮胎内部最高温度值，从而实现报警。由此可知轮胎内部的最高温度很难直接测出，而轮胎表面的温度变化很容易使用红外测温仪测出。因此，可根据轮胎表面温度和最高温度的关系，运用预测模型，建立轮胎表面温度与轮胎参数的关系式。然后利用数据转换与显示技术，告诉驾驶员轮胎的实时热状况，实现轮胎防爆预警功能。

3.1 轮胎防爆预警系统基本工作原理

将4个 (或8个)红外测温传感器安装到车辆挡泥板下，对轮胎进行温度采集，采集信号经过模数转换进入单片机处理，报警装置与单片机相连引入驾驶室内实现温度显示，并通过蜂鸣器进行报警。当采用8个传感器时，即每个轮子两个，这样可以实时监测同一轮胎的不同位置，能通过同一轮胎不同部位温度的显示，为驾驶员提供轮胎定位参数等更多信息。

3.2 轮胎防爆预警系统硬件结构

该装置根据单片机原理、扩展芯片、A/D转换器芯片、液晶显示屏与单片机接口技术、各芯片和液晶显示屏与单片机的通讯协议等理论知识为依据，设计完整的系统原理图。根据系统原理图，将硬件系统焊接成PCB板。其中红外传感器选择的是台湾贝克莱斯IR816A红外线测温探头，用于检测轮胎温度，测温范围是0～500℃，精度±2%，视场D∶S为10∶1;A/D转换器采用的是AD0804芯片，该芯片可以把测得的轮胎温度模拟信号转换为数字信号，供单片机处理，该芯片为20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间是100μs，输入电压为0～5v;扩展芯片选择的是8 255A，该芯片属于Intel系列8位并行接口芯片，通用性强、使用灵活，可用程序设置和改变芯片的工作方式，是一种典型的可编程并行接口芯片，40个引脚，双列直插式;该装置采用的是AT89C52单片机，他是一种低电压、高性能COMS8位单片机，存储器8k的只读程序存储器和256为的随机存取数据存储器 (ROM);装置采用的液晶显示模块式128×64点阵显示屏，可显示汉字及图形，内置8192个中汉字 (16×16点阵)、128个字符 (8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。图1为系统硬件结构图。

图1 轮胎防爆预警系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure of the tire explosion early warning system

3.3 轮胎防爆预警系统主程序

为保证该系统高效稳定运行，根据系统功能选择C语言设计编写固件程序，下载后进行调试，实验板在单片机控制下能单独工作后，在和上位机进行联机调试，这是运用USB接口来实现与上位机的相互通信。图2为系统主程序图。

图2 轮胎防爆预警系统主程序图Fig.2 The main program of the tire explosion-proof warning system

4 结论

本文通过对“轮胎防爆预警系统”的研究，设计出一套通用的基于红外测温技术轮胎动态温度检测装置，可以实时监测轮胎表面温度分布情况，保证驾驶员对轮胎的合理使用，防止因超速驾驶、超载而造成的财产、人员损失。该系统的实现为防止汽车爆胎提供了一条有效途径。

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