汽車輪胎絕緣電阻檢測儀的研究與設計

盧旭錦，吳樂堅

(汕頭職業技術學院機電工程系，廣東 汕頭 515078)

日常駕駛的車輛行駛過程中車身不斷積累靜電，這些靜電需要得到有效的釋放才能保證司乘人員及汽車周邊人員、財產的安全。在車身與路面之間隔著的便是汽車輪胎，汽車輪胎絕緣電阻的大小直接影響到車身靜電對大地的釋放。為了保證汽車行駛的安全，應對汽車輪胎的絕緣電阻提出一個最低要求。我國于2011年1月發布了GB/T 26277—2010《 輪胎電阻測量方法》[1]，其詳細闡明了汽車輪胎的絕緣電阻標準以及檢測方法，這對輪胎生產和日常維護具有指導性的作用。對于輪胎絕緣電阻的測量，傳統的絕緣電阻測量方式已滿足不了現代化輪胎生產模式和日常汽車輪胎檢測的需求。針對這一現狀，本文設計出一種基于STC單片機構成的智能化、高精度的汽車輪胎絕緣電阻檢測儀，該儀器具有測試穩定性高、操作方便、能自我校正等特點，可廣泛應用于自動化輪胎生產線實現對輪胎絕緣電阻的測量，也可以用于日常對汽車輪胎的絕緣性能進行監測[2]。

1 汽車輪胎絕緣電阻的測量標準及方法

汽車產生靜電的模型如圖1所示，靜電荷經過路面電阻R1、輪胎電阻R2、車身電阻R3對車身形成的電容C1進行充放電，R4為空氣電阻，一旦C1積累的靜電壓超過4 000V而不能得到安全有效的釋放[3]，則會在包含易燃氣體、水蒸氣、灰塵或粉末等的環境中放電[4]，從而導致電擊、爆燃等安全事故的發生。為了防止此類安全事故，必須在輪胎與路面之間建立一個可以安全釋放靜電的路徑。實驗研究表明，若輪胎阻值小于106Ω，則可為安全地釋放電荷創造條件[2]。為此有必要在輪胎生產、日常維護時對輪胎的絕緣電阻進行測量，以確認車輛的絕緣電阻值能小于106Ω。

圖1 汽車產生靜電的模型

GB/T 26277—2010《輪胎電阻測量方法》中規定：輪胎電阻是指放置于金屬承載板上的充氣輪胎輪輞總成在規定的測量負荷下測得的輪輞與金屬承載板之間的電阻值。

輪胎絕緣電阻的測量方法是：對輪胎每間隔1min施加1次負荷，共3次，第三次加載后便給輪胎施加1V測量電壓，經過3min后，讀取電阻值，并按上述過程對其余兩個測量點進行電阻測量，若電阻最大值超過104Ω，則按表1的規定，參照上述過程，給輪胎施加下一級電壓進行測量。輪胎最終的電阻值應是在沿圓周方向大致等距分布的所有測量點測得的電阻最大值。若輪胎阻值小于106Ω，則可判定為能夠安全地釋放電荷[2]。

表1 測量電壓及其對應的待測輪胎電阻范圍

2 輪胎絕緣電阻的測量原理分析

由表1中測量電壓及其對應的待測輪胎電阻范圍可知，只要測得輪胎電阻小于106Ω，即可判定為能夠安全地釋放電荷[3]。由于本測試儀不必精確測量輪胎電阻的精準值，只需要根據測量出來的輪胎阻值來判斷輪胎是否合格即可，因此可以采用比較測量法來對待測輪胎電阻進行測量。在整個電路系統中，設置了4個精密標準電阻，阻值分別為1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ。圖2所示為輪胎絕緣電阻范圍測量流程，當向輪胎施加1V的標準電壓前，先對標準精密電阻1kΩ施加1V的標準電壓進行測量，并記錄下測量值X1，測量完畢后將1V的標準電壓切換到輪胎進行測量，記錄下測量值Y1。若Y1≤X1，則說明被測輪胎電阻合格，結束測量；若Y1>X1時，則切換到標準電阻10kΩ，施加1V電壓后，記下測量出的標準值X2。若Y1≤X2，則說明被測輪胎電阻合格，結束測量；若Y1>X2，則標準電壓需切換到10V檔，進行下一個輪胎電阻范圍的測量，其測量方法與1V檔相同。

圖2 輪胎絕緣電阻范圍測量流程圖

3 系統總體設計方案和關鍵電路設計

3.1 輪胎絕緣電阻檢測儀設計方案

輪胎絕緣電阻檢測儀總體方案如圖3所示。

本檢測儀采用了STC15F2K60S2單片機作為主控單元。機械手接收來自單片機RS485通信口的控制信號，將輪胎送到指定位置放好，同時負責按要求對輪胎施加負荷。

圖3 輪胎絕緣檢測儀總體方案

單片機控制高低壓電路分別按程序設計要求施加1V、10V、100V、1 000V到被測輪胎，由采樣電阻采樣出回路中的泄漏電流，并進行前置放大，放大后的信號供給程控放大器作為輸入信號，單片機控制程控放大器以適當的倍數放大后，經低通濾波器濾除干擾信號，再送給A/D轉換器進行轉換，轉換完的數據交由單片機進行比較判斷，以決定汽車輪胎的絕緣電阻是否在合格范圍之內[5]。

STC15F2K60S2單片機具有雙串口，可實現單片機與PC機、可編程邏輯控制器(PLC)的通信。本系統采用了RS232通信模式與PC機進行通信，單片機可向PC機發送測量到的相關數據，PC機可對單片機發出測量和停止工作的命令。單片機與PLC通過RS232轉RS485進行通信，這樣單片機就可發送命令給PLC，讓其指揮機械手將流水線上的輪胎進行固定或施加負荷并等待測量，測量完畢后單片機又可發出命令，將輪胎移開。PLC系統及機械手部分，可應用于輪胎生產線對輪胎進行測量，若用于普通檢測，該部分可以省略。

3.2 直流高壓電路的設計

根據GB/T 26277—2010《輪胎電阻測量方法》規定，測試儀必須具備1V、10V、100V、1 000V的高穩定性直流測量電壓，電壓跨度范圍較大，實現較為困難。另外，由于需要根據情況進行高低壓切換，而在切換的過程中會產生電磁干擾，故系統電源、低壓電源與高壓電源之間必須隔離開。系統提供了12V的工作電源，經電阻降壓和穩壓管穩壓后，可得到1V和10V的低壓直流電源，100V直流電源電路則經集成開關電源控制芯片MC34063對12V直流電壓進行升壓得到，其電路如圖4所示，圖中C11為濾波電容，C2為儲能電容，C2與輸出電壓UO的紋波電壓大小有關系，L1，D1和C3對電路起著決定性作用，整個電路的工作原理與升壓型開關穩壓電源電路相似，C3是MC34063外接的時間適配電容，根據輸入電壓UI和L1的值，可計算出其電容值為3 500pF，這時只要電路工作，輸出電壓UO端便能輸出100V直流電壓[6]。

圖4 12V直流電壓轉100V直流電壓電路

1 000V直流高壓電源電路如圖5所示，主要作用是將系統提供的12V直流電壓轉換為1 000V的直流高壓。該電路使用PWM控制集成塊SG3524 為兩個功率管提供PWM控制信號，推動兩個功率管輪流導通，經高頻升壓變壓器轉化為高壓脈沖，再由二倍壓整流電路將高壓脈沖整流成直流高壓1 000V。直流高壓的產生受控于單片機的P1.0引腳，只有當它發出啟動信號時，SG3524的第10引腳(SD)接收到控制信號，就會在第11和第14引腳產生PWM信號，PWM信號的占空比由電阻R7和電容C2的值來確定，另外為了得到穩定的輸出電壓，由電阻R1和R2組成的電壓反饋取樣電路采集來自輸出端的信號，并與第2引腳提供的參考電壓進行比較后，將誤差反饋送給SG3524內部的誤差放大器進行放大輸出，以調整PWM的占空比，進而使輸出電壓保持穩定[7]。

為使SG3524的開關頻率f設置在43.3kHz，這里R7的阻值選用1.5kΩ，C2的容量選用0.02μF，則：

式中：RT為SG3524的外接電阻R7；CT為SG3524的外接電容C2。

圖5 1 000V直流高壓電源電路

3.3 汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路

圖6為汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路的部分電路圖，比較用的標準精密電阻共有4個，分別為1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ，這里只畫出1kΩ電阻電路加以說明，如圖6所示，當K15打到1端時，輸入電壓HV加到1kΩ標準精密電阻上，由單片機檢測出標準電壓值X;當K15和K1打到2端時，輸入電壓HV加到輪胎上，對輪胎上的定點進行絕緣電阻檢測，測得的結果取平均值得到檢測值Y，然后再用X值與Y值進行比較，如果Y>X,則進行下一個標準電阻電路的檢測，否則檢測結束。

3.4 A/D轉換電路的設計

本測試儀要求的轉換精度較高，故采用16位Σ-△轉換器AD7705集成塊，它內部包含增益可編程放大器、編程數字濾波器、緩沖器等部件，能對微弱電信號進行放大和A/D轉換。AD7705集成塊具有自校準、寬動態、高分辨率、抗干擾能力強等特點，比較適合本測試儀的需求。

圖6 汽車輪胎絕緣電阻比較切換電路

AD7705集成塊采用SPI三線串行接口，可與單片機直接連接，如圖7所示，采用二線連接收發數據，AD7705的第14腳接到單片機的P3.4引腳，用于接收輸入數據，第13引腳接到單片機的P3.5引腳，用于發送、輸出數據，第1引腳連到單片機的P3.7引腳,用于接收時鐘信號，第12引腳連接到單片機的P3.6引腳,用于接收控制信號。AD7705的第4引腳(CS)接低電平使芯片有效[8-9]。AD7705集成塊內部集成程控放大器，可對輸入的信號進行增益調控，以適應A/D轉換的需要。

信號采集電路采用運放CA3140A組成一個電壓跟隨器，CA3140A具有高輸入阻抗、小功耗、低噪聲、溫漂小的特點。通過該電路采集HV端電壓值，送到AD7705集成塊的模擬輸入AIN1(+)端，并經程控放大和A/D轉換后傳送給單片機，圖7中AD7705集成塊的基準參考電壓由R30和R31分壓供給[10]。

圖7 A/D轉換電路

4 系統軟件設計

本檢測儀采用模塊編程法，配合硬件電路來實現電路的功能。主要程序模塊包括鍵盤顯示模塊、A/D轉換模塊、對比選擇模塊、數據處理模塊等。整個軟件的主程序流程圖如圖8所示，程序在初始化之后，由單片機發信息控制機械手將輪胎進行定位，然后加負荷，接著單片機先測試第一個標準電阻的值，然后再與輪胎的絕緣值比較，如果輪胎電阻大于標準電阻，則轉到下一個標準電阻進行測試比較，若標準電阻已到最后一個時，輪胎電阻仍然大于標準電阻值，那么這個輪胎可判定為不合格輪胎。只要輪胎電阻在某一次的比較中小于標準電阻，則可判定該輪胎合格。

在各個程序模塊中最關鍵的部分在于數據的A/D轉換及數據處理部分，特別是測試輪胎的電阻值時，為了測試準確，程序需要對輪胎上3個定點各采樣3次，合計采樣9次，然后采用中位值濾波法加算術平均濾波法求平均值，即對輪胎連續采樣9個數據，通過比較去除兩個最小值和兩個最大值，然后對余下的5個數值求算術平均值，這個算術平均值就作為在當前測試電壓下的輪胎電阻值。對輪胎絕緣電阻的數據采集采用中位值濾波法加算術平均濾波法可克服由輪胎表面厚度、灰塵等因素引起的誤差，對輪胎電阻值的測試具有良好的濾波效果。

圖8 主程序流程圖

使用 AD7705集成塊進行A/D轉換之前,必須先設置它的內部命令寄存器，才能進行A/D轉換。在本測試儀中，選用了通道 1雙極性模擬輸入模式、增益為8、數據刷新率為250Hz對 AD7705芯片進行配置。其初始化函數如下：

Void ADCInit()

{

SCLK=1;DIN=1;

for(i=0;i<40;i++)

{SCLK=0;SCLK=1;} //寄存器進入寫狀態

Write(0x20); //選擇通道1，寫時鐘寄存器

Write(0x06); //刷新速率250Hz

Write(0x10); //選擇通道1，寫設置寄存器

Write(0x5C); //增益為8，自校準

}

對AD7705集成塊進行初始化以后,單片機就可以控制它進行A/D轉換，并將轉換完的數據從寄存器中讀取出來，讀取數據的頻率要保證小于數據寄存器的刷新率, 這樣才能保證在讀取數據時不會出錯。其讀取數據的C語言函數如下：

Unsigned Int Read ()

{

Unsigned Int ADdata , Token;

char i;

Write (0x38); // 設置數據通道

while(DRDY ==1){;} //等待A/D轉換完畢

SCLK =1;

ADdata =0x00;

for(i=0;i<16;i++)

{

ADdata =ADdata<<1;

SCLK =0;

if(DOUT ==1)ADdata=ADdata|0x01;//讀取A/D轉換結果

SCLK =1;

}

SCLK =1;DIN=1 ;

return(ADdata);

}

5 系統應用及實驗分析

汽車輪胎絕緣電阻檢測儀為適應汽車輪胎生產和作為汽車輪胎日常保養檢測之用，必須考慮其應用的靈活性、安全性及方便性。作為日常汽車輪胎檢測設備，可嚴格按標準規定的程序編寫并固化，使檢測儀能自動對汽車輪胎進行檢測。另外，該檢測儀也可嵌入到汽車輪胎的生產和檢測平臺，并在PC機端配備控件軟件以實現生產管理一體化。

本檢測儀在完成設計、組裝形成成品后，為了檢測的可靠性、有效性、準確性，需要依次對檢測儀中的標準精密電阻進行標定和修正，其方法是依次對每個標準電阻加上相應的直流電壓，并以1 000Ω的采樣電阻進行采樣，以獲取它的采樣電壓值，若偏差較大，則可在程序中加以修正。下面以一臺汽車輪胎絕緣電阻檢測儀為例，采用標準毫伏表對每個標準電阻的采樣電壓進行10次測量，得到其采樣平均值見表2。

表2 樣機標準電阻采樣平均值

為了使編程方便，在進行程序設計的時候，可對采樣值進行整數修正，使其易于編程和計算，也便于跟汽車輪胎的測量值進行比較。利用修正的樣機檢測100個合格輪胎和100個不合格的輪胎，檢測準確率均達到100%。

6 結束語

汽車輪胎絕緣電阻檢測儀充分利用STC15F2K60S2單片機內部資源，設計出的電路具有功耗低、體積小、精度高、穩定性好等特點。該裝置能很好地適應汽車輪胎廠對出廠輪胎絕緣性能檢測的要求，試驗結果表明，該儀器具有準確、易讀、方便、可靠等特點，可以推廣到汽車維修店用于日常對汽車輪胎的檢測，具有很高的實用價值。