基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉奇元++肖雨++許鵬

摘 要

本文針對(duì)目前輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)中電池容量有限、易污染環(huán)境、受溫度影響等問題，提出了用壓電陶瓷為輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)提供能源的方法。制作了一種微型的壓電陶瓷發(fā)電裝置，設(shè)計(jì)了基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射與接收模塊電路，發(fā)射模塊能源由壓電陶瓷發(fā)電裝置提供，接收模塊能源由車載直流電源提供。該發(fā)電裝置體積小重量輕，無(wú)需經(jīng)常更換電池，完全能滿足輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射模塊的能源要求。

【關(guān)鍵詞】輪胎 壓力 壓電陶瓷 發(fā)電 發(fā)射

汽車輪胎的壓力直接關(guān)系到汽車的安全與舒適性能，關(guān)系到駕乘人員的人身安全。胎壓不足而爆胎引發(fā)的安全事故時(shí)常見諸報(bào)端，特別是高速公路上，據(jù)統(tǒng)計(jì)由爆胎引發(fā)的交通事故占高速公路事故總數(shù)的70%。避免爆胎最關(guān)鍵也是最有效的措施就是及時(shí)監(jiān)測(cè)胎壓，時(shí)刻保持在標(biāo)準(zhǔn)胎壓的范圍內(nèi)行駛。汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)目的就是實(shí)時(shí)地對(duì)胎壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)胎壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)及時(shí)報(bào)警，提醒駕駛員采取對(duì)應(yīng)措施，保障行車安全。

汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)主要有兩種類型：一種是間接式汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)，一種是直接式汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)。間接式汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)依賴于汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)中的輪速傳感器，根據(jù)不同輪胎中輪速傳感器傳遞過來的轉(zhuǎn)速信息來比較不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，當(dāng)不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差大于一定值時(shí)，說明其中某一個(gè)輪胎胎壓不足，以此來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎胎壓情況。這種間接式汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)基于汽車現(xiàn)成的輪速傳感器，簡(jiǎn)單方便，但這種依賴于兩個(gè)輪速差的方法在某些情況可能失效，如同軸的兩個(gè)輪胎同時(shí)胎壓不足，或行駛在彎道時(shí)輪速差可能引起的誤報(bào)。直接式汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)基于每個(gè)輪胎中的胎壓傳感器直接檢測(cè)，可以監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的實(shí)時(shí)胎壓，避免誤判。這種系統(tǒng)需要為輪胎中的發(fā)射模塊提供能源，目前一般使用鋰電池提供，而鋰電池電池容量有限需更換，其中的化學(xué)物質(zhì)易污染環(huán)境，而且鋰電池容量受溫度影響大。所以在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)及高溫等惡劣環(huán)境下工作的輪胎中，不使用鋰電池而又能獲得能源，成了人們的研究熱點(diǎn)。

1 壓電陶瓷材料

壓電陶瓷材料屬于一種智能材料，工作原理基于壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電陶瓷端面受到外力作用時(shí)，兩端面會(huì)集聚電荷，產(chǎn)生電能。在不受外力作用時(shí)，壓電陶瓷內(nèi)部晶體的正負(fù)電荷中心相互重合，總電矩為零，晶體對(duì)外不顯極性。當(dāng)沿某一方向施加作用力時(shí)，由于變形，晶體中的正、負(fù)電荷重心分離，晶體總電矩不再為零，對(duì)外呈現(xiàn)極性，產(chǎn)生電荷。對(duì)于鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷而言，一小塊的壓電陶瓷片即可產(chǎn)生大量的電荷。如圖1所示的壓電發(fā)電裝置，高壓生成部分由幾塊直徑為1cm、高0.4cm的壓電陶瓷組成。持續(xù)旋轉(zhuǎn)的偏心輪機(jī)構(gòu)持續(xù)為壓電陶瓷提供外力。基于壓電效應(yīng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蓧弘娞沾刹⒙?lián)輸出端輸出，輸出端經(jīng)變壓器后點(diǎn)亮一個(gè)40W的燈泡。持續(xù)點(diǎn)亮燈泡30min后，輸出功率并無(wú)明顯的變化。近幾年，隨著壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，利用壓電陶瓷制作的壓電發(fā)電裝置也越來越多，這些裝置大都具有無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱等特點(diǎn)，將壓電陶瓷這些特征應(yīng)用于在惡劣環(huán)境工作的輪胎中，不僅可以實(shí)現(xiàn)裝置的微小化與集成化，而且可以替換鋰電池，滿足輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的能源需求。

2 壓電發(fā)電裝置及電路設(shè)計(jì)

汽車輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)特征類似于如圖1壓電發(fā)電裝置中偏心輪的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪通過活塞給壓電陶瓷持續(xù)不斷的壓力類似于汽車輪胎中的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。汽車行進(jìn)過程也是對(duì)壓電陶瓷不斷擠壓的過程，這樣壓電陶瓷可以源源不斷地發(fā)電，安裝于輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)中，可以持續(xù)不斷地為壓力檢測(cè)模塊提供能源，保證輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)刻正常工作。利用壓電陶瓷的特性和輪胎的運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中的接觸體與輪胎的承壓面接觸，輪胎在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中持續(xù)不斷地?cái)D壓接觸體，進(jìn)而給壓電陶瓷片以持續(xù)的脈沖式壓力，這種壓力產(chǎn)生的電荷是瞬態(tài)的，無(wú)法直接轉(zhuǎn)換成可用的電能，需要有儲(chǔ)能電路對(duì)該電能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，儲(chǔ)能電路如圖3所示，脈沖式壓力產(chǎn)生的電荷經(jīng)二極管流向充電電容，利用充電電容給發(fā)射模塊提供能量。

輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射模塊如圖4所示。胎壓信號(hào)經(jīng)由輪胎中的壓力傳感器檢測(cè)后，經(jīng)相關(guān)的除噪濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微處理器MCU進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中采用MC68HC908RF2作為發(fā)射模塊處理芯片，模塊處理芯片對(duì)檢測(cè)的溫度壓力信號(hào)進(jìn)行編碼后經(jīng)由RF發(fā)射進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射頻率采用433MHz。壓電發(fā)電裝置提供發(fā)射模塊中的所有能源。

輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的接收模塊如圖5所示。接收芯片選用MC33594，控制器選用MC68HC908GT8。RF接收器MC33594接收輪胎發(fā)射模塊發(fā)射來的溫度壓力信號(hào)，經(jīng)MC68HC908GT8微處理器處理后系統(tǒng)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)胎壓值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)的胎壓值出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，駕駛員根據(jù)報(bào)警信息采取對(duì)應(yīng)措施。車載直流電源提供接收模塊的能源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)功耗，軟件設(shè)計(jì)過程中通過優(yōu)化算法達(dá)到降低功耗的目的。TPMS系統(tǒng)最大的功耗在于無(wú)線發(fā)射的過程，本設(shè)計(jì)中采用斷續(xù)發(fā)射方式，斷續(xù)發(fā)射方式比連續(xù)發(fā)射方式更節(jié)省能耗。

MC68HC908RF2芯片檢測(cè)傳感器傳送過來的溫度壓力信號(hào)，正常范圍內(nèi)每隔30秒發(fā)送一次，若超出設(shè)定值，啟動(dòng)快速發(fā)射模式，每隔1秒發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。發(fā)射程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)可有效地檢測(cè)胎壓，有效地避免爆胎給駕乘人員帶來傷害。但目前的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)大都需要電池為發(fā)射模塊提供能源，為解決電池容量有限需要經(jīng)常更換、受溫度影響等問題，設(shè)計(jì)了一種基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)。硬件方面設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的發(fā)射與接收模塊電路，發(fā)射模塊能源由壓電陶瓷發(fā)電裝置提供，接收模塊能源由車載直流電源提供。軟件設(shè)計(jì)方面采用斷續(xù)發(fā)射方式替換以往的連續(xù)發(fā)射模式以節(jié)省能耗。基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)體積小、發(fā)電量大、無(wú)需經(jīng)常更換電池、更不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題，完全能滿足輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射模塊的能源要求。

參考文獻(xiàn)

[1]顏重光.汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)及其發(fā)展[J].汽車與配件，2007，14（07）：39-41.

[2]閆世偉，楊志剛，羅洪波，等.TPMS用壓電發(fā)電裝置研究[J].壓電與聲光，2010，32（05）：774-777，781.

[3]黃友，張向文.基于SP37的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，32（05）：144-147.

[4]李天利，賈喜國(guó)，胡泓，等.無(wú)源TPMS中SAW傳感器RF信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2012（04）：44-47.

[5]李威，尹術(shù)飛.TPMS無(wú)源化發(fā)展方向研究[J].上海汽車，2006（02）：39-42.

[6]韓宗奇，鞠學(xué)坤，王立強(qiáng)，等.轉(zhuǎn)彎工況下汽車間接式TPMS監(jiān)測(cè)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（06）：143-149.

[7]毛福斌，代超，潘浩，等.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備及發(fā)電系統(tǒng)的研制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，36（11）：1309-1312，1396.

[8]劉奇元，車曉毅，何哲明.基于無(wú)線技術(shù)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2010，22（06）：808-812.

作者簡(jiǎn)介

劉奇元（1980-），男，湖南省祁東縣人，在讀博士。現(xiàn)為湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)闄C(jī)電控制系統(tǒng)與檢測(cè)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、圖像處理。主持教育廳項(xiàng)目1項(xiàng)，校級(jí)科研教改項(xiàng)目4項(xiàng)，參與完成國(guó)家重大科技專項(xiàng)1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，省級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，發(fā)表論文13篇，其中EI收錄5篇。

作者單位

湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 湖南省常德市 415000