机动车辆轮胎气压监测远程报警系统*

龚张杰，于 卫，王 丹，邱生辉

(扬州大学，江苏 扬州 225127)

0 引言

轮胎气压状态直接影响着车辆的安全驾驶、燃油经济性以及轮胎寿命。我国高速公路每天平均有2000起轮胎事故，20%的事故是由于气压不足引起的[1]。随着车辆业的高速发展和交通道路的不断扩张，物流业的快速发展，车辆的使用越来越多，安全驾驶越来越受到人们的关注。车辆造成的交通事故每年也在逐渐上升，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为当代社会高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于不可控制性和无法预测性被人最为关心。轮胎气压过高容易产生车辆爆胎和方向打滑失控等安全事故；轮胎气压过低会增大摩擦使得燃料消耗增加，轮胎磨损增加和使用寿命降低，同时高低气压的不平衡也是造成交通事故的重要因素。据统计，在中国，如果维持在合适的车辆轮胎气压可以极大的减少用油量。每个轮胎可以增加10%的寿命，每年可以少生产5000万个轮胎，提高了社会和经济效应。轮胎气压检测系统因此而产生。目前市场上存在间接式与直接式检测这两种设计方案，但是仍然存在一些缺点：一是技术指标相对较低；二是产品并不一定可靠、安全和经济。本论文正是基于上述考虑，克服已有的间接或直接测量设计的缺陷，通过精心设计电路、精选器件和符合实际情况的调试，设计出通过调节内部电路电位器就适合于各类车辆使用的稳定可靠的新颖实用的轮胎气压监测系统，同时也增加了GSM短信通信自动报警功能。从多方面为安全驾驶提供了强有力的保障。

1 车辆轮胎气压监测无线报警系统的功能设计

1.1 能现场指示轮胎过欠压检测

通过气压传感器转化为电信号与设定值进行比较，通过12个LED灯分别指示4个轮胎的气压状况，每个轮胎分配红、黄、绿三种LED灯，红灯表示过压，绿灯表示正常，黄灯表示欠压。

1.2 出现过欠压LED灯指示报警

当其中某个轮胎出现过欠压情况时，会通过无线发送电路传送到驾驶室的接收电路，接收电路中装有4个LED灯，根据哪一只LED灯亮来判断哪个轮胎出现问题，再进行具体判别过欠压。

1.3 能实现GSM自动短信通信报警

当检测到任何一个轮胎气压过压或欠压时，即发出报警电平信号给单片机。对单片机事先编程，将发送的报警信息内容和绑定的电话号码、发射次数和发射时间间隔等内容通过C语言事先编程到单片机里，通过单片机和GSM短信通信模块的通信，实现由单片机来控制GSM短信通信模块，向绑定的电话号码自动发送短信信息，还可以群发。在手机上报警还可以分别体现过压情况和欠压情况报警。

2 车辆轮胎气压监测无线报警系统的电路设计

2.1 系统总体方案设计[2]

气压传感器装在轮胎气门上，顶住气门，使轮胎内气体流动到气压传感器内，传感器得到一个微小的电信号，再经过信号处理电路转化为两位输出的TTL电平信号，通过其中的窗口电压比较电路，当高于或低于设定值时，立即发出反映过欠压的低电平信号：一方面激发无线发射电路工作，无线接收电路接收到信号即发出过欠压指示报警信号；另一方面启动单片机和GSM短信通信系统工作，使GSM短信通信模块自动向主人手机发送短信报警信号。

根据设计要求，由气压传感器、信号处理电路、无线发送与接收电路、单片机最小系统、GSM短信通信模块、过欠压报警器等组成。总体方案图见图1所示。

图1 系统总体方案图

2.2 气压传感器[3]

轮胎气压采用直接气压测量、桥路输出的气压传感器，装在轮胎气门上，顶住气门，使轮胎内气体流动到气压传感器内，气压传感器接通电源后，即将气压转换为电信号输出。

2.3 信号处理电路

图2 微弱信号放大电路

窗口电压比较电路见图3,图中输入Vi接放大电路的输出，运放U1、U2为精密度高的OP07，U3为反相器，U4为异或门，U5为或门，DW1、DW2为5 V的稳压管，LED1、LED2为发光二极管。

图3 窗口电压比较电路

图中V1,V2通过可调电阻分压而得，通过调节RW1、RW2就可调整V1和V2。它们分别对应于轮胎气压下限值和轮胎气压上限值。当输入信号ViV1(可以看成轮胎气压高于上限情况)，U1比较器均输出1电平，U2比较器输出0电平，此时P11P10=11为过压报警，LED1红灯亮表示过压。

当V1

实际调试时，先确定合理的轮胎气压上下限值P1～P2，P1表示下限，P2表示上限，再根据P1、P2的数值通过传感和放大电路分别确定V1和V2的数值。在气压略大于P1时，调节RW1、RW2，使之正好处于临界状态(U2输出刚好从“1”电平转为“0”电平)，此时的V1值对应于P1值；在气压略小于P2时，调节RW1、RW2，使之正好处于临界状态(U1输出刚好从“1”电平转为“0”电平)，此时的V2值对应于P2值；进行反复的调试，找到合适于P1,P2的值。小于P1为欠压，大于P2为过压，发出高电平信号报警；在P1～P2之间，为正常气压，发出低电平信号不报警。如轮胎中心气压为0.2MPa,以+/-20%范围为正常范围,即0.16MPa-0.24MPa为正常气压范围,这里P1=0.16 MPa，P2=0.24 MPa。

2.4 无线发射与接收电路

无线报警系统由无线报警发射器和无线报警接收器组成。每个轮胎处配一个无线报警发射器，当其输入端接收到低电平报警信号时，发射器即发出报警信号，安装在驾驶室的无线接收器接收到信号，即发出报警信息，同时就可知道具体位置。

◆ 无线发射电路：对无线遥控距离要求：能够绕过障碍物发射。如图4，当编码器(MC145026)的接收到来自窗口比较电路的低电平报警信号时， 编码器将其地址码(A1～A5)和数据码(D6～D9)作脉冲数码调制，送入发射模块，通过发射天线向外发射无线电波。当接收器(解码器) 的地址码和发射器(编码器)的地址码一致时，接收器接收发射器发射过来的数据码报警，不同的轮胎发送不同的数据码(D6、D7、D8、D9分别为高电平)。

图4 无线发射电路

◆ 无线接收电路：如图5，为装在值班室的无线遥控接收电路。接收电路在收到无线电波并解调后，经接收模块U12输出串行码给解码器MC145027)的数据输入端DI，当编码与解码的地址码一致时，此时编码器中的 数据从解码器中的D6～D9数据端对应输出，并一直保持到新数据到来。编码器和解码器的工作频率一致。根据发光管是否点亮判断是否有报警信号，根据哪一个发光管亮判断报警位置。

2.5 单片机最小系统和GSM短信通信电路

GSM是当前应用最为广泛的通信模块。图6为 GSM 自动短信通信系统示意图，分单片机和GSM模块两部分。对单片机最小应用系统编程，实现单片机控制GSM短信通信模块工作，在单片机最小应用系统的P11P10口接收到 “01”或“11”电平报警信号时，即控制GSM模块电路自动向用户手机发出短信报警信号。GSM模块在应用时，要插入待发送短信经过注册的电话号码卡[4]。

图5 无线接收电路

本专利使用单片机型号：STC12C5A60S2，GSM模块型号：SIM808。

图6 GSM自动短信通信系统示意图

功能由对单片机编程决定，所用编程软件是Keil uVision5，编程语言是C语言，在C语言里修改发送的信息内容和接收的电话号码(可以群发)，信息内容和电话号码要经过汉字到Unicode转换后再复制输入到C语言程序里(可修改内容、增减电话号码)。根据过欠压情况，短信内容分别是：胎压过高，请注意；胎压过低，请注意！编程时，要将信息内容和手机号码转换成Unicode代码才能编写到C语言程序里。

3 结语

根据系统功能要求，经过硬件和软件部分的精心设计，各方面功能完全实现。该系统灵敏度高，准确度高，可靠性好；能随时指示过欠压情况；能实现GSM远程自动短信报警，报警内容次数可进行人为修改；精心设计产品质量好；通过微调电路参数，可用于检测不同的过欠压范围；具有良好的市场发展前途。该系统设计的重要意义极大程度上地保障了行车者的安全，具有很高的社会价值。