摘要：以汽车ABS和TPMS为参考，研究了一种汽车爆胎辅助刹车系统。系统以MPX4250压力传感器、DS18B20温度传感器为数据采集模块，AT89C51单片机为处理模块，LM016L液晶显示屏为显示模块，LED和蜂鸣器等构成执行元件，能够有效监测胎压状态以减少爆胎概率，并在爆胎后能够安全稳定地停车，避免爆胎后汽车失控的情况发生，这对驾乘人员的安全具有重大意义。
关键词：汽车爆胎；辅助刹车系统；单片机控制
0引言
随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多。据公安部统计，国内高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的。在美国，因高速行驶中突然爆胎而导致的车毁人亡事故被列为高速公路意外事故榜首，占高速公路意外事故死亡人数的49.81%，受伤人数占63.94%。在高速行驶时，从爆胎到失控，司机的反应控制时间只有3秒钟左右，而且据科学分析，时速在160公里以上由于爆胎引起的交通事故的死亡率接近100%，由此可见，爆胎事故会造成生命和财产的重大损失，危害极大[1-2]。汽车爆胎的原因主要有三个：一是气压过高。因汽车高速行驶，气压升高，轮胎变形，胎体弹性降低，汽车所受到的动负荷也增大，如遇到冲击会产生内裂或爆胎。二是轮胎气压不足。当汽车高速行驶时（速度超过120km/h），轮胎气压不足容易造成胎体“谐振动”从而引发巨大的谐振作用力，如果轮胎不够结实或者已经有“伤”，就易爆胎[3]。三是轮胎的温度升高，轮胎材料的机械性能下降。试验得知，轮胎内部的温度与轮胎的速度和负荷成正比，速度越高，负荷越大，温度升高越快；在轮胎温度升高到一定程度，气压也随之升高到轮胎承受阈值，便会爆胎。根据轮胎爆胎的原因分析，设计一套汽车爆胎辅助刹车系统，可以实时监控轮胎情况，减少爆胎风险。且在汽车爆胎后，能够主动控制汽车减速和稳定车身，这将大幅减少安全事故的发生。
1系统整体框架设计
由于汽车爆胎时安全控制是一个复杂的、涉及驾驶人员安全的系统过程，研究其控制过程，不可能采用现场测试的方式[4]。因此，应当采用计算机和仿真技术模拟汽车爆胎时的现场环境。目前，在爆胎实际控制方面大多以监测轮胎压力为基础，对实际的爆胎情况进行监测[5]。本系统主要包括数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块，液压模拟执行模块四大部分组成；通过轮胎中的数据采集模块，把轮胎内的气压情况反馈到数据处理模块中，处理模块接收到轮胎胎压崩溃的信息后会迅速报警和调节制动液压泵，通过调节液压油的传送速度，以达到点刹逐渐使汽车稳定停车的效果。数据采集模块主要有气压传感器和温度传感器。气压传感器选用MPX4250气压传感器，MPX4250系列压阻传感器是最先进的单片硅压力传感器之一，专为广泛的应用而设计，特别是那些采用带有A/D输入的微控制器或微处理器的应用。该传感器结合了先进的微加工技术、薄膜金属化和双极处理，以提供与施加压力成正比的准确、高水平的模拟输出信号。温度传感器选用DS18B20传感器，DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。数据处理模块使用AT89C51单片机作为整个系统的“大脑”，控制整个系统的运行。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。管脚说明：VCC：供电电压；GND：接地；P0口：8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流；P1口：内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，其缓冲器能接收、输出4TTL门电流；P2口：内部上拉电阻的8位双向I/O口，其缓冲器可接收、输出4个TTL门电流；P3口：8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收、输出4个TTL门电流。数据显示模块选用LM016L液晶显示屏，用来显示轮胎内气压、温度的相关测量数据。LM016L又被称为1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×02即32个字符。液压模拟执行模块主要使用LED灯和蜂鸣器进行声光报警，以及模拟液压增压减压过程，实现高频率的点刹动作。图1为系统整体框架示意图。
2系统电路仿真设计
Proteus软件是是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流单片机。因为MPX4250气压传感器无法直接输出数字信号，所以在气压传感器和单片机之间还需要加入A/D转换，实现模拟信号到数字信号的转换。单片机的P1口接入ADC0804芯片DB端，Vin端与MPX4250传感器相连。MPX4250传感器检测胎压值，1端输出转换后模拟电压值Vin，MPX4250传感器2、3端分别接入GND和VCC。温度传感器DS18B20则接入P2.3口。1602显示器D0-07接入P0.0-P0.7，因为51单片机P0口内部是漏极开路型（作I/O口用时），所以需要接入上拉电阻。RS、RW、E端分别接入P2.0、P2.1、P2.2。P3.2、P3.5分别接入LED预警和蜂鸣器报警模块，实现在压力和温度超过阈值后的声光报警。P3.6连接电机驱动模块，电机经过继电器驱动液压的增压和减压。P3.3、P3.7接入刹车增压模拟LED和助力转向模拟LED模块。
3系统软件设计
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。使用Keil作为系统设计软件是一个非常合适的选择。系统采用AT89C51单片机进行设计，程序首先对A/D转换、LCD显示、声光报警、LED闪烁模拟点刹等模块进行初始化，DS18B20温度传感器检测温度是否达到爆胎温度上限值，MPX4250传感器检测汽车胎压模拟值，单片机控制ADC0804进行A/D转换，输出数字量经过数据处理，送入LCD显示其胎压值，同时单片机检测胎压是否超出阈值，超出阈值进行灯光报警，严重超出阈值后进行声光报警和点刹增压的制动器工作模拟。软件程序主要包含：主程序、数据采集程序、数据显示程序、声光报警及增压减压程序等。数据采集程序设置：数据采集主要是分别利用MPX4250气压传感器和DS18B20温度传感器采集轮胎内气压和温度。温度传感器输出数字信号，LCD可以经过单片机直接读取温度。气压传感器输出模拟电压信号，需要经过A/D转换方能成为数字信号并显示在LCD中。A/D转换流程为：首先，主程序初始化完毕；其次，获取模拟信号并转换成数字信号；最后，将数字信号输入到单片机。胎压值的计算：首先，被测气压经过气压传感器MPX4250转换成电压输出，根据MPX4250的芯片资料可知，输出电压Vout和气压P的关系如下：Vout=Vs*(0.004P-0.04)+/-ErrorVs为MPX4250供电电压，供电电压一般为5.1，Error为误差，因此可得：Vout=5.1(0.004P-0.04)其次，MPX4250的输出电压Vout作为ADC0804输入电压Vin，经过A/D转换成相对应的数字量，由ADC0804芯片转换公式，输入电压Vin和输出数字量Data的对应关系为：Vin/5=Data/256其中，Vs、Vin的单位为V,P的单位为kPa。根据上述公式编程计算得到气压值P。Voltage-Data*5*1000/256P=(Voltage/5.1+40)/4设定MPX4250输出电压Voltage扩大1000倍。从相关数据来看，轮胎的气压比正常值低30%，发动机需要更大的动力来提供相同的速度，汽油的消耗量将变为原来的110%[6]，轮胎温度迅速升高，当汽车轮胎胎压低于标准胎压40%以上时，轮胎极易出现爆胎的情况。由于MPX4250气压传感器最高测量气压值为260kPa，且在系统中只是进行仿真验证，所以在此处设置气压正常范围为200-230kPa；140-200kPa、230-240kPa为低于或超出阈值范围；低于140kPa、高于240kPa为严重低于或超出阈值范围。斜交轮胎能正常工作并保证轮胎有足够耐久性的最高温度一般是121.1℃，子午线轮胎必须限制在93.3℃以内或更低些温度。目前大多数汽车采用子午线轮胎，所以设置93.3℃为爆胎温度临界值。程序设定为：MPX4250循环检测车轮胎压P输出模拟电压值Vin，ADC0804芯片进行A/D转换输出数字量，单片机数据处理后，判断胎压值P是否在200kPa-230kPa限定值范围内，并送入LCD液晶显示屏显示胎压。同时检测温度送入LCD液晶显示屏显示温度。数据显示模块：数据显示使用一块LCD1602显示屏，LCD1602模块内部包含了一个DDRAM、CGRAM及CGROM，还包含了一个指令寄存器和一个数据寄存器。程序初始化完成，对DB0-DB7赋值，进行轮胎气压数据和温度数据的传输，并显示气压数据和温度数据。声光报警及增压减压程序设定：当LED和蜂鸣器接收到单片机传来的中断信号时，会根据不同的中断信号显示不同的工作状态，以此模拟声光报警和增压减压的制动器工作。当温度和气压处于正常范围内，电机不驱动LED和蜂鸣器工作；当温度和气压超过阈值，电机驱动P3.2口、P3.5口的LED电路，使其闪烁进行灯光报警；当温度和气压严重超过阈值，P3.3口、P3.5口、P3.7口的制动液压LED、蜂鸣器、转向液压LED进行工作。制动液压LED将进行每秒60-120次闪烁，模拟点刹过程。转向液压LED闪烁控制液压流量帮助驾驶人控制汽车方向。主程序：主程序是采集气压信号，温度信号，并使用A/D转换将气压模拟信号转换成数字信号，将气压和温度以字符形式输出到LCD显示屏中。单片机利用定时器和计数器，判断胎压和胎温是否超过爆胎临界值，进行中断，驱动LED和蜂鸣器实现不同状态胎压下的不同工作状态。首先定义IO口，设定定时器0为方式1，设定定时器初值，设定允许定时器计数器中断；采集温度并乘以10倍，计算实际温度；采集气压并利用公式计算实际显示气压；转换成字符串，1602显示温度和气压；设定中断，LED和蜂鸣器执行操作。主程序流程如图2所示。
4系统调试与验证
首先，将温度和气压分别调至80℃和225kPa，此温度和气压属于正常范围，此时LED灯不闪烁，蜂鸣器不工作，系统执行正确；其次，将温度和气压分别调至80℃和235kPa，此温度属于正常范围，但气压超过阈值，此时报警LED灯闪烁，蜂鸣器不工作，液压执行LED不工作，系统执行正确；再次，将温度和气压分别调至94℃和245kPa，此温度和气压严重超过阈值，视为爆胎状态，此时LED灯闪烁，蜂鸣器工作，即声光报警工作，液压执行LED工作，进行点刹减速和稳定车身的操作，系统执行正确；再将温度和气压分别调至90℃和190kPa，此温度正常，但气压低于正常值，此时报警LED灯闪烁，蜂鸣器不工作，液压执行LED不工作，系统执行正确；最后，将温度和气压分别调至94℃和135kPa，此温度超过轮胎温度承受临界值，气压严重低于正常值，视为爆胎状态，此时LED灯闪烁，蜂鸣器工作，即声光报警工作，液压执行LED工作，进行点刹减速和稳定车身的操作，系统执行正确。结果分析：由上述的仿真结果分析可知，系统能够根据不同的胎压和气温状态，判断轮胎的具体情况，并做出相应的执行动作，实现了预警和在爆胎后稳定减速以保护驾乘人员的目的，能够有效减少因轮胎爆胎所发生的事故。爆胎状态下系统仿真执行图如图3所示。
5结语
对大多数驾乘人员来说，安全行驶的首要问题就是避免爆胎事故的发生。尽管在汽车行业中已经有了各种安全系统，比如ABS和TESD，甚至已经有了防爆胎的出现，但因轮胎爆胎发生的车祸死亡率却只增不减，这说明爆胎后如何安全的停下来，依然是一个行业性的问题。本文研究的辅助刹车系统，可以弥补现有安全系统的部分缺陷，帮助驾驶员更好控制汽车。该系统能够为未来国内外的爆胎轮胎试验与相关补充试验提供参考，帮助更多人研究并建立爆胎轮胎模型，进而分析爆胎车辆运动状态的变化，为后续的相关研究提供部分基础。
作者：杨仕泽 孙文福 单位：三亚学院
