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摘要：以汽車ABS和TPMS為參考，研究了一種汽車爆胎輔助剎車系統。系統以MPX4250壓力傳感器、DS18B20溫度傳感器為數據采集模塊，AT89C51單片機為處理模塊，LM016L液晶顯示屏為顯示模塊，LED和蜂鳴器等構成執行元件，能夠有效監測胎壓狀態以減少爆胎概率，并在爆胎后能夠安全穩定地停車，避免爆胎后汽車失控的情況發生，這對駕乘人員的安全具有重大意義。
關鍵詞：汽車爆胎；輔助剎車系統；單片機控制
0引言
隨著汽車工業的不斷發展，交通越來越便利，而隨之引發的交通事故也在不斷增多。據公安部統計，國內高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在美國，因高速行駛中突然爆胎而導致的車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的49.81%，受傷人數占63.94%。在高速行駛時，從爆胎到失控，司機的反應控制時間只有3秒鐘左右，而且據科學分析，時速在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，爆胎事故會造成生命和財產的重大損失，危害極大[1-2]。汽車爆胎的原因主要有三個：一是氣壓過高。因汽車高速行駛，氣壓升高，輪胎變形，胎體彈性降低，汽車所受到的動負荷也增大，如遇到沖擊會產生內裂或爆胎。二是輪胎氣壓不足。當汽車高速行駛時（速度超過120km/h），輪胎氣壓不足容易造成胎體“諧振動”從而引發巨大的諧振作用力，如果輪胎不夠結實或者已經有“傷”，就易爆胎[3]。三是輪胎的溫度升高，輪胎材料的機械性能下降。試驗得知，輪胎內部的溫度與輪胎的速度和負荷成正比，速度越高，負荷越大，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，便會爆胎。根據輪胎爆胎的原因分析，設計一套汽車爆胎輔助剎車系統，可以實時監控輪胎情況，減少爆胎風險。且在汽車爆胎后，能夠主動控制汽車減速和穩定車身，這將大幅減少安全事故的發生。
1系統整體框架設計
由于汽車爆胎時安全控制是一個復雜的、涉及駕駛人員安全的系統過程，研究其控制過程，不可能采用現場測試的方式[4]。因此，應當采用計算機和仿真技術模擬汽車爆胎時的現場環境。目前，在爆胎實際控制方面大多以監測輪胎壓力為基礎，對實際的爆胎情況進行監測[5]。本系統主要包括數據采集模塊，數據處理模塊，數據顯示模塊，液壓模擬執行模塊四大部分組成；通過輪胎中的數據采集模塊，把輪胎內的氣壓情況反饋到數據處理模塊中，處理模塊接收到輪胎胎壓崩潰的信息后會迅速報警和調節制動液壓泵，通過調節液壓油的傳送速度，以達到點剎逐漸使汽車穩定停車的效果。數據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的單片硅壓力傳感器之一，專為廣泛的應用而設計，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用。該傳感器結合了先進的微加工技術、薄膜金屬化和雙極處理，以提供與施加壓力成正比的準確、高水平的模擬輸出信號。溫度傳感器選用DS18B20傳感器，DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。數據處理模塊使用AT89C51單片機作為整個系統的“大腦”，控制整個系統的運行。AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。管腳說明：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流；P1口：內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，其緩沖器能接收、輸出4TTL門電流；P2口：內部上拉電阻的8位雙向I/O口，其緩沖器可接收、輸出4個TTL門電流；P3口：8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收、輸出4個TTL門電流。數據顯示模塊選用LM016L液晶顯示屏，用來顯示輪胎內氣壓、溫度的相關測量數據。LM016L又被稱為1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×02即32個字符。液壓模擬執行模塊主要使用LED燈和蜂鳴器進行聲光報警，以及模擬液壓增壓減壓過程，實現高頻率的點剎動作。圖1為系統整體框架示意圖。
2系統電路仿真設計
Proteus軟件是是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機。因為MPX4250氣壓傳感器無法直接輸出數字信號，所以在氣壓傳感器和單片機之間還需要加入A/D轉換，實現模擬信號到數字信號的轉換。單片機的P1口接入ADC0804芯片DB端，Vin端與MPX4250傳感器相連。MPX4250傳感器檢測胎壓值，1端輸出轉換后模擬電壓值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，因為51單片機P0口內部是漏極開路型（作I/O口用時），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預警和蜂鳴器報警模塊，實現在壓力和溫度超過閾值后的聲光報警。P3.6連接電機驅動模塊，電機經過繼電器驅動液壓的增壓和減壓。P3.3、P3.7接入剎車增壓模擬LED和助力轉向模擬LED模塊。
3系統軟件設計
KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。使用Keil作為系統設計軟件是一個非常合適的選擇。系統采用AT89C51單片機進行設計，程序首先對A/D轉換、LCD顯示、聲光報警、LED閃爍模擬點剎等模塊進行初始化，DS18B20溫度傳感器檢測溫度是否達到爆胎溫度上限值，MPX4250傳感器檢測汽車胎壓模擬值，單片機控制ADC0804進行A/D轉換，輸出數字量經過數據處理，送入LCD顯示其胎壓值，同時單片機檢測胎壓是否超出閾值，超出閾值進行燈光報警，嚴重超出閾值后進行聲光報警和點剎增壓的制動器工作模擬。軟件程序主要包含：主程序、數據采集程序、數據顯示程序、聲光報警及增壓減壓程序等。數據采集程序設置：數據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氣壓和溫度。溫度傳感器輸出數字信號，LCD可以經過單片機直接讀取溫度。氣壓傳感器輸出模擬電壓信號，需要經過A/D轉換方能成為數字信號并顯示在LCD中。A/D轉換流程為：首先，主程序初始化完畢；其次，獲取模擬信號并轉換成數字信號；最后，將數字信號輸入到單片機。胎壓值的計算：首先，被測氣壓經過氣壓傳感器MPX4250轉換成電壓輸出，根據MPX4250的芯片資料可知，輸出電壓Vout和氣壓P的關系如下：Vout=Vs*(0.004P-0.04)+/-ErrorVs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，經過A/D轉換成相對應的數字量，由ADC0804芯片轉換公式，輸入電壓Vin和輸出數字量Data的對應關系為：Vin/5=Data/256其中，Vs、Vin的單位為V,P的單位為kPa。根據上述公式編程計算得到氣壓值P。Voltage-Data*5*1000/256P=(Voltage/5.1+40)/4設定MPX4250輸出電壓Voltage擴大1000倍。從相關數據來看，輪胎的氣壓比正常值低30%，發動機需要更大的動力來提供相同的速度，汽油的消耗量將變為原來的110%[6]，輪胎溫度迅速升高，當汽車輪胎胎壓低于標準胎壓40%以上時，輪胎極易出現爆胎的情況。由于MPX4250氣壓傳感器最高測量氣壓值為260kPa，且在系統中只是進行仿真驗證，所以在此處設置氣壓正常范圍為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℃以內或更低些溫度。目前大多數汽車采用子午線輪胎，所以設置93.3℃為爆胎溫度臨界值。程序設定為：MPX4250循環檢測車輪胎壓P輸出模擬電壓值Vin，ADC0804芯片進行A/D轉換輸出數字量，單片機數據處理后，判斷胎壓值P是否在200kPa-230kPa限定值范圍內，并送入LCD液晶顯示屏顯示胎壓。同時檢測溫度送入LCD液晶顯示屏顯示溫度。數據顯示模塊：數據顯示使用一塊LCD1602顯示屏，LCD1602模塊內部包含了一個DDRAM、CGRAM及CGROM，還包含了一個指令寄存器和一個數據寄存器。程序初始化完成，對DB0-DB7賦值，進行輪胎氣壓數據和溫度數據的傳輸，并顯示氣壓數據和溫度數據。聲光報警及增壓減壓程序設定：當LED和蜂鳴器接收到單片機傳來的中斷信號時，會根據不同的中斷信號顯示不同的工作狀態，以此模擬聲光報警和增壓減壓的制動器工作。當溫度和氣壓處于正常范圍內，電機不驅動LED和蜂鳴器工作；當溫度和氣壓超過閾值，電機驅動P3.2口、P3.5口的LED電路，使其閃爍進行燈光報警；當溫度和氣壓嚴重超過閾值，P3.3口、P3.5口、P3.7口的制動液壓LED、蜂鳴器、轉向液壓LED進行工作。制動液壓LED將進行每秒60-120次閃爍，模擬點剎過程。轉向液壓LED閃爍控制液壓流量幫助駕駛人控制汽車方向。主程序：主程序是采集氣壓信號，溫度信號，并使用A/D轉換將氣壓模擬信號轉換成數字信號，將氣壓和溫度以字符形式輸出到LCD顯示屏中。單片機利用定時器和計數器，判斷胎壓和胎溫是否超過爆胎臨界值，進行中斷，驅動LED和蜂鳴器實現不同狀態胎壓下的不同工作狀態。首先定義IO口，設定定時器0為方式1，設定定時器初值，設定允許定時器計數器中斷；采集溫度并乘以10倍，計算實際溫度；采集氣壓并利用公式計算實際顯示氣壓；轉換成字符串，1602顯示溫度和氣壓；設定中斷，LED和蜂鳴器執行操作。主程序流程如圖2所示。
4系統調試與驗證
首先，將溫度和氣壓分別調至80℃和225kPa，此溫度和氣壓屬于正常范圍，此時LED燈不閃爍，蜂鳴器不工作，系統執行正確；其次，將溫度和氣壓分別調至80℃和235kPa，此溫度屬于正常范圍，但氣壓超過閾值，此時報警LED燈閃爍，蜂鳴器不工作，液壓執行LED不工作，系統執行正確；再次，將溫度和氣壓分別調至94℃和245kPa，此溫度和氣壓嚴重超過閾值，視為爆胎狀態，此時LED燈閃爍，蜂鳴器工作，即聲光報警工作，液壓執行LED工作，進行點剎減速和穩定車身的操作，系統執行正確；再將溫度和氣壓分別調至90℃和190kPa，此溫度正常，但氣壓低于正常值，此時報警LED燈閃爍，蜂鳴器不工作，液壓執行LED不工作，系統執行正確；最后，將溫度和氣壓分別調至94℃和135kPa，此溫度超過輪胎溫度承受臨界值，氣壓嚴重低于正常值，視為爆胎狀態，此時LED燈閃爍，蜂鳴器工作，即聲光報警工作，液壓執行LED工作，進行點剎減速和穩定車身的操作，系統執行正確。結果分析：由上述的仿真結果分析可知，系統能夠根據不同的胎壓和氣溫狀態，判斷輪胎的具體情況，并做出相應的執行動作，實現了預警和在爆胎后穩定減速以保護駕乘人員的目的，能夠有效減少因輪胎爆胎所發生的事故。爆胎狀態下系統仿真執行圖如圖3所示。
5結語
對大多數駕乘人員來說，安全行駛的首要問題就是避免爆胎事故的發生。盡管在汽車行業中已經有了各種安全系統，比如ABS和TESD，甚至已經有了防爆胎的出現，但因輪胎爆胎發生的車禍死亡率卻只增不減，這說明爆胎后如何安全的停下來，依然是一個行業性的問題。本文研究的輔助剎車系統，可以彌補現有安全系統的部分缺陷，幫助駕駛員更好控制汽車。該系統能夠為未來國內外的爆胎輪胎試驗與相關補充試驗提供參考，幫助更多人研究并建立爆胎輪胎模型，進而分析爆胎車輛運動狀態的變化，為后續的相關研究提供部分基礎。
作者：楊仕澤 孫文福 單位：三亞學院
