基于压电陶瓷的轮胎压力检测系统设计

摘 要

本文针对目前轮胎压力检测系统中电池容量有限、易污染环境、受温度影响等问题，提出了用压电陶瓷为轮胎压力检测系统提供能源的方法。制作了一种微型的压电陶瓷发电装置，设计了基于压电陶瓷的轮胎压力检测系统的发射与接收模块电路，发射模块能源由压电陶瓷发电装置提供，接收模块能源由车载直流电源提供。该发电装置体积小重量轻，无需经常更换电池，完全能满足轮胎压力检测系统的发射模块的能源要求。

【关键词】轮胎 压力 压电陶瓷 发电 发射

汽车轮胎的压力直接关系到汽车的安全与舒适性能，关系到驾乘人员的人身安全。胎压不足而爆胎引发的安全事故时常见诸报端，特别是高速公路上，据统计由爆胎引发的交通事故占高速公路事故总数的70%。避免爆胎最关键也是最有效的措施就是及时监测胎压，时刻保持在标准胎压的范围内行驶。汽车轮胎压力检测系统目的就是实时地对胎压进行自动监测，当胎压低于标准气压时及时报警，提醒驾驶员采取对应措施，保障行车安全。

汽车轮胎压力检测系统主要有两种类型：一种是间接式汽车轮胎压力检测系统，一种是直接式汽车轮胎压力检测系统。间接式汽车轮胎压力检测系统依赖于汽车制动防抱死系统中的轮速传感器，根据不同轮胎中轮速传感器传递过来的转速信息来比较不同轮胎之间的转速差别，当不同轮胎之间的转速差大于一定值时，说明其中某一个轮胎胎压不足，以此来实时监测轮胎胎压情况。这种间接式汽车轮胎压力检测系统基于汽车现成的轮速传感器，简单方便，但这种依赖于两个轮速差的方法在某些情况可能失效，如同轴的两个轮胎同时胎压不足，或行驶在弯道时轮速差可能引起的误报。直接式汽车轮胎压力检测系统基于每个轮胎中的胎压传感器直接检测，可以监测每个轮胎的实时胎压，避免误判。这种系统需要为轮胎中的发射模块提供能源，目前一般使用锂电池提供，而锂电池电池容量有限需更换，其中的化学物质易污染环境，而且锂电池容量受温度影响大。所以在持续长时间运动及高温等恶劣环境下工作的轮胎中，不使用锂电池而又能获得能源，成了人们的研究热点。

1 压电陶瓷材料

压电陶瓷材料属于一种智能材料，工作原理基于压电效应，当压电陶瓷端面受到外力作用时，两端面会集聚电荷，产生电能。在不受外力作用时，压电陶瓷内部晶体的正负电荷中心相互重合，总电矩为零，晶体对外不显极性。当沿某一方向施加作用力时，由于变形，晶体中的正、负电荷重心分离，晶体总电矩不再为零，对外呈现极性，产生电荷。对于锆钛酸铅型压电陶瓷而言，一小块的压电陶瓷片即可产生大量的电荷。如图1所示的压电发电装置，高压生成部分由几块直径为1cm、高0.4cm的压电陶瓷组成。持续旋转的偏心轮机构持续为压电陶瓷提供外力。基于压电效应，机械能转变为电能，由压电陶瓷并联输出端输出，输出端经变压器后点亮一个40W的灯泡。持续点亮灯泡30min后，输出功率并无明显的变化。近几年，随着压电陶瓷技术的发展，利用压电陶瓷制作的压电发电装置也越来越多，这些装置大都具有无污染、结构简单、不发热等特点，将压电陶瓷这些特征应用于在恶劣环境工作的轮胎中，不仅可以实现装置的微小化与集成化，而且可以替换锂电池，满足轮胎压力检测系统中的能源需求。

2 压电发电装置及电路设计

汽车轮胎的转动特征类似于如图1压电发电装置中偏心轮的持续转动，偏心轮通过活塞给压电陶瓷持续不断的压力类似于汽车轮胎中的持续转动。汽车行进过程也是对压电陶瓷不断挤压的过程，这样压电陶瓷可以源源不断地发电，安装于轮胎压力检测系统中，可以持续不断地为压力检测模块提供能源，保证轮胎压力检测系统时刻正常工作。利用压电陶瓷的特性和轮胎的运动特征，设计了一种应用于轮胎压力检测系统中的发电装置，其结构图如图2所示。

图2中的接触体与轮胎的承压面接触，轮胎在高速转动过程中持续不断地挤压接触体，进而给压电陶瓷片以持续的脉冲式压力，这种压力产生的电荷是瞬态的，无法直接转换成可用的电能，需要有储能电路对该电能进行能量存储，储能电路如图3所示，脉冲式压力产生的电荷经二极管流向充电电容，利用充电电容给发射模块提供能量。

轮胎压力检测系统的发射模块如图4所示。胎压信号经由轮胎中的压力传感器检测后，经相关的除噪滤波模数转换后进入微处理器MCU进行处理。设计中采用MC68HC908RF2作为发射模块处理芯片，模块处理芯片对检测的温度压力信号进行编码后经由RF发射进行发射。发射频率采用433MHz。压电发电装置提供发射模块中的所有能源。

轮胎压力检测系统的接收模块如图5所示。接收芯片选用MC33594，控制器选用MC68HC908GT8。RF接收器MC33594接收轮胎发射模块发射来的温度压力信号，经MC68HC908GT8微处理器处理后系统与设定的标准胎压值进行比较，当检测的胎压值出现异常时，系统自动报警，驾驶员根据报警信息采取对应措施。车载直流电源提供接收模块的能源。

3 系统软件设计

为降低系统功耗，软件设计过程中通过优化算法达到降低功耗的目的。TPMS系统最大的功耗在于无线发射的过程，本设计中采用断续发射方式，断续发射方式比连续发射方式更节省能耗。

MC68HC908RF2芯片检测传感器传送过来的温度压力信号，正常范围内每隔30秒发送一次，若超出设定值，启动快速发射模式，每隔1秒发送数据，同时启动报警系统。发射程序流程图如图6所示。

4 结论

轮胎压力检测系统可有效地检测胎压，有效地避免爆胎给驾乘人员带来伤害。但目前的轮胎压力检测系统大都需要电池为发射模块提供能源，为解决电池容量有限需要经常更换、受温度影响等问题，设计了一种基于压电陶瓷的轮胎压力检测系统。硬件方面设计了系统的发射与接收模块电路，发射模块能源由压电陶瓷发电b置提供，接收模块能源由车载直流电源提供。软件设计方面采用断续发射方式替换以往的连续发射模式以节省能耗。基于压电陶瓷的轮胎压力检测系统体积小、发电量大、无需经常更换电池、更不会导致环境问题，完全能满足轮胎压力检测系统的发射模块的能源要求。

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作者简介

刘奇元（1980-），男，湖南省祁东县人，在读博士。现为湖南文理学院机械工程学院讲师。研究方向为机电控制系统与检测、机械运动学仿真、图像处理。主持教育厅项目1项，校级科研教改项目4项，参与完成国家重大科技专项1项，国家自然科学基金2项，省级项目6项，13篇，其中EI收录5篇。

作者单位

湖南文理学院机械工程学院 湖南省常德市 415000