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青岛理工大学

硕士学位论文

轮胎气压监测系统设计研究

姓名：刘文光

申请学位级别：硕士

专业：车辆工程

指导教师：王吉忠

20060601

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青岛理工大学工学硕士学位论文

摘要

随着汽车工业的发展以及汽车数量的不断增加，由汽车轮胎而引起的交通事故不断增加，已经引起了人们的广泛的关注，同时也提出了对轮胎压力进行实时监测的要求。

分析和研究国内外汽车轮胎压力检测设备现状，以及轮胎的变形以及轮胎的变形与温度和压力之间的关系，总结出轮胎的压力和温度对爆胎的影响。通过比较压力传感器的不同，提出了自己选择的压力温度传感器ＭＰＸ８０２０Ａ，以及比较不同的单片机之问的区别，指出ＰＩＣ单片机与其他单片机自己独特的优点。本文采用了以ＰＩＣｌ６Ｆ８７６Ａ单片机为核心的系统控制电路，对ＰＩＣｌ６Ｆ８７６Ａ外部器件的设计、ｎＲＦ４０１发射芯片，锁相环和发射接收部分的电路设计以及在线路板中为了消除信号干扰而采取的措施做了详细的阐述。

在无线发射中，天线作为发射末端的负载，影响着通信性能。论文介绍了采用的环形电线的作用，以及对阻抗匹配进行了计算，计算出天线中所需要的外部器件的值。对于接收部分，由于各种车型的轮胎压力值不同，在此通过键盘可以灵活地设定压力值，并通过ＯＣＭ４Ｘ８Ｃ显示器显示。

采用了ＰＩＣ汇编软件设计的系统，并通过软硬件进行了抗干扰措施，提高了系统的抗干扰能力。

关键词：ＭＰＸＹ８０２０Ａ；ＰＩＣｌ６Ｆ８７６Ａ单片机；发射：接收；ｎＲＦ４０１；天线；轮胎压力

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■青岛理工大学工学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｃａｒｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｑｕａｎｔｉｔｙ，ｔｈｅｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｃａｒｔｉｒｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ，ｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｃａｕｓｅｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅｃｏｎｃｅｒｎｏｆｐｅｏｐｌｅ，ａｎｄｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｔｈａｔｍｏｎｉｔｏｒｔｏｔｉｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｔｉｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈｅｃｋｏｕｔｆａｃｉｌｉｔｙａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｉｔｅｘｐｌａｉｎｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｔｈｅｔｉｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｔｉｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｏｉｎｔｅｓｏｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｏｔｈｅｂｌｏｗｏｕｔｆｏｒｔｈｅｔｉｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，Ｉ

ｐｒｏｐｏｓｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒＭＰＸＹ８０２０Ａ，ａｓｗｅｌｌａｓｃｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｓ，ｐｏｉｎｔｏｕｔｔｈｅｍｅｒｉｔｏｆＰＩＣｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅＰＩＣｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｗｉｔｈｏｔｈｅｒｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｈａｓｉｔｓｕｎｉｑｕｅｍｅｒｉｔ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｓｔｈｅＰＩＣ１６Ｆ８７６Ａａｓｔｈｅｃｏｒｅｓｙｓｔｅｍｓｃｏｎｔｒｏｌｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｅｘｔｅｒｉｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｎＲＦ４０１ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｃｈｉｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｌｉｎｋ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎａｎｄａｄｏｐｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｓｉｇｎｎｏｉｓｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＭＰＸ８０２０Ａ；ＰＩＣ１６Ｆ８７６ＡＳｉｎｇｌｅｃｈｉｐ；Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；Ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ｎＲＦ４０１；Ａｎｔｅｎｎａ；ＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅ

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第１章绪论

１．１课题研究的背景

随着我国汽车数量的不断增长，交通事故日益频发，已经给人类的生命和财产带来了极大的威胁。尤其在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

新世纪伊始，由于凡世通轮胎的质量问题而引起的交通事故，造成了超过１００人死亡和４００人受伤，此事引起了汽车业界和美国政府的关注。普利斯通／凡世通公司被迫于２００１年８月收回６５０万只轮胎。另外，根据美国汽车工程师协会最近的调查，美国每年有２６万交通事故及７５％的轮胎故障是由于轮胎气压低或渗漏造成的。

在我国，我国的道路交通安全形势严峻，年事故死亡人数高达１０万人以上，而由于汽车轮胎气压不合理而引起的交通事故也呈上升的趋势。爆胎，已经成为我国目前汽车交通事故的三大杀手之一，据有关部门对高速公路上的交通事故的统计发现，４６％的交通事故是由轮胎发生故障引起的，其中爆胎引发的事故更是占了７０％以上，而由于轮胎使用不当导致问题的占９５％以上。大量的爆胎和翻车事故，给个人以及社会带来了巨大的经济损失，而如何防止汽车爆胎已成为安全驾驶的～个重要课题。

轮胎作为汽车与路面接触的唯一部件，它是乘客与车辆的载体。轮胎作为一个充气物体，主要依靠胎腔内的空气起作用，更确切地说是依靠充气的压力起作用。轮胎气压是一个非常重要的参数，气压是否正常，将直接影响到汽车的各种性能指标。不合理的轮胎压力将不仅导致油耗的增加，而且降低汽车的舒适性，同时也使轮胎的自身使用寿命降低，最重要的是它严重影响了汽车行驶的安全性。由此可见，轮胎气压对汽车综合性能起着重要的作用。伴随着汽车工业的发展，轮胎的类型也发生了很大的变化。智能轮胎和绿色轮胎也己成为轮胎技术的重要发展目标。

轮胎质量专家分析，保持标准的轮胎气压行驶和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键。如何才能保持轮胎的正常压力要求？在我国，驾驶员一般凭经验来判

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断，但对于充气压力达到７０％以上的轮胎，其外观看起来同１００％充气压力一样。通过每月或每周的轮胎压力检查，对处于动态行进中的轮胎，由于其气压和温度都随时发生着变化，因而不能对轮胎行驶过程中进行实时监控，也就不能在根本上解决实际问题。ＴＰＭＳ（ＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，汽车轮胎压力监测系统）将压力传感器放置于轮胎内部进行实时监测，毫无疑问将是理想的方法。随着汽车工业和电子产业的不断发展，电子产品在汽车中的应用越来越广泛，汽车电子化的程度越来越高，而ＴＰＭＳ近几年来发展比较迅速，它可以对轮胎压力和温度进行实时检测，可以更好的监控轮胎，因而成为了该领域令人瞩目的焦点。

１．２ＴＰＭＳ简介及其相关立法

ＴＰＭＳ是汽车轮胎压力监视系统”ＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ”的英文缩写，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和高气压进行压力报警，以保障行车的安全，ＴＰＭＳ系统是保障驾车者、乘车人生命安全的一种预警系统。

现在市面上的ＴＰＭＳ系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块（ＲｅｍｏｔｅＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）和安装在汽车驾驶台上的中央监视器。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（ＲＦ）发射出去。一个ＴＰＭＳ系统有４个或５个（包括备用胎）ＲＴＰＭ模块。中央监视器接收ＲＴＰＭ模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。由于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将ＴＰＭＳ的远程轮胎压力监测模块安装在轮毂上是十分方便和容易的，但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度是十分恶劣的，压力、温度、湿度变化特别大，所以对该模块的要求也就较高。

目前，ＴＰＭＳ主要分为两种类型，一种是Ｗｈｅｅｌ－ＳｐｅｅｄＢａｓｅｄＴＰＭＳ（间接式ＴＰＭＳ）。另一种是Ｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄＴＰＭＳ（直接式ＴＰＭＳ）。

１．２．１间接式ＴＰＭＳ

间接式ＴＰＭＳ是通过汽车ＡＢＳ系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差

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别，以达到监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收４个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压过高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压过高或不足，从而产生压力报警。这种方法的优点简便，不用外加检测设备，但其不足是不能同时对两个以上的轮胎同时缺气和速度超过１００公里／小时的时候进行检测。并且当轮胎的新旧程度不同时，也会带来很大的误差。

１．２．２直接式ＴＰＭＳ

直接式ＴＰＭＳ又分为主动式和被动式两种。主要区别是主动式ＴＰＭＳ中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。

１．２．２．１主动式ＴＰＭＳ

主动式ＴＰＭＳ是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。

轮胎压力监测模块由五个部分组成：（１）具有压力、温度、电压检测的智能传感器；（２）单片机；（３）ＲＦ射频发射芯片；（４）锂亚电池；（５）天线。外壳选用高强度ＡＢＳ塑料。器件、材料满足一４０℃到＋１２５℃的使用温度范围。其中智能传感器在封装的上方留有一个压力／温度导入孑乙，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，同时这个孑乙还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。为了便于ＴＰＭＳ接收器的识别，每个压力传感器都具有１６．３２位独特的ＩＤ码。适用于ＴＰＭＳ的智能传感器主要有硅集成电容式压力传感器，如Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的ＭＰＸＹ８０２０、ＭＰＸＹ８０４０；硅压阻式压力传感器，如ＧＥＮｏｖａＳｅｎｓｏｒ的ＮＰＸｌ、ＮＰＸ２，ＩｎｆｉｎｅｏｎＳｅｎｓｏＮｏｒ的ＳＰｌ２、ＳＰｌ２Ｔ、ＳＰ３０。ＴＰＭＳ在无线电发射中，其工作频率在北美标准为３１５ＭＨｚ，欧洲标准为４３３．９２ＭＨｚ，韩国为４４８ＭＨｚ，现已有人建议新标准为８６８ＭＨｚ。其发射功率不能超过１０ｄＢｍ，否则就要受到无线电管制。工作模式有ＡＳＫ（振幅变换调制）、ＦＳＫ（频率变换调制），但比较而言，ＦＳＫ抗干扰较好。汽车在行驶过程中，轮胎处于高速旋转的状态下，由于其特殊的工作状况，因此，

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对ＲＦ芯片选用的要求是：（１）发射功率尽可能大；（２）芯片外型尺寸尽可能小；（３）具有比较好的性价比。ＡＴＭＥＬ的Ｔ５７５４、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ的ＴＤＫ５１１０的标称发射功率都达１０ｄＢｍ。电池选用锂亚电池，以保证远程轮胎压力监测模块在高低温环境中都能正常工作。这是由于传统的锂电池在－－４０℃低温时丧失电能，在＋１００℃高温时会自动放电，所以不能满足轮胎压力检测的要求。ＴＡＤＩＲＡＮ生产的ＬＴＨ２４５０锂亚电池满足ＴＰＭＳ宽温度范围的要求。天线是远程轮胎压力监测模块发射功率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。远程轮胎压力监测模块的整体电源管理是十分重要的，做好电源管理和如何省电是关键所在。发射模块在汽车轮胎内的安装有二种方式，一是利用气门嘴安装；二是利用紧箍扣安装在轮毂上。当然，无论采用哪种方式，安装完ＴＰＭＳ发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。中央监视器即ＴＰＭＳ接收器主要由ＵＨＦＡＳＫ／ＦＳＫＲＦ接收芯片和信号处理的ＭＣＵ，以及键盘和ＬＣＤ显示器组成。对于ＲＦ接收芯片和信号处理ＭＣＵ一般都安装在一个盒子里，如可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的ＬＣＤ显示器可安装在驾驶台上，ＬＣＤ显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度，和每一个轮胎的ＩＤ识别码，以及发出声光报警。由于接收系统是工作在汽车车厢内，其环境温度是常温而且变化不大，对于省电的要求不是很高，因而可以使用汽车的１２Ｖ或２４Ｖ电源，在接收部分对器件的选用一般只要求是工业级即可。ＲＦ接收芯片选用时一般需要考虑具有较高的接收灵敏度，以提高ＴＰＭＳ的工作效率和降低整个系统的生产成本。

主动式技术的优点是，它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式ＴＰＭＳ传感器／发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端，如电池的使用寿命和由于电池的存在很难降低发射器的重量等等诸多不利因素。

１．２．２．２被动式ＴＰＭＳ

被动式ＴＰＭＳ，也叫无电池ＴＰＭＳ，用一个中央收发器代替了一般直接式ＴＰＭＳ中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器（代替了发射器）接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。日本的阿尔卑斯公司

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现已研制成功，但由于条件的限制无电池ＴＰＭＳ短期内还很难推广。

１．２．３相关立法情况

凡事通事件引起了业界和美国政府的高度关注，美国政府要求汽车制造商加速发展ＴＰＭＳ系统，以求减少轮胎事故的发生。因此，在２０００年美国国会通过了ＴＲＥＡＤ法案。ＴＲＥＡＤ法案的要求之一是到２００７年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。２０００年１１月１曰美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求２００３年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。回应ＴＲＥＡＤ法案，美国公路交通安全局（ＮＴＨＴＳＡ）要求到２００７年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表：美国市场出售的汽车，２００４年占１０％，２００５年占３５％，２００６年占６５％，２００７年将达１００％。此法令对ＴＰＭＳ的各项指标提出了具体要求：在当车辆的任何一个轮胎或多个以至四个轮胎的气压都比汽车制造商所规定的轮胎应充冷气压数值低２５％或者更多时，在２０分钟之内发出气压不足警示。而在国内，包括ＴＰＭＳ在内的许多汽车安全技术，例如ＡＢＳ、ＥＢＤ、ＥＢＡ等相关电子技术尚未制定国家标准，以法规形式强制要求安装ＴＰＭＳ还需一段时间。

１．３国内外研究开发现状

由于轮胎压力对汽车综合性能影响起着重要的作用，以及影响汽车行驶的安全性，因而国内外对此对进行了大量的研究，以提高汽车的综合性能指标，最主要是提高汽车行驶的安全性。

１．３．１国外研究现状

国外因立法较早，其开发生产的ＴＰＭＳ较为成熟，主要生产商有加拿大斯马轮胎设备（ＳｍａｒＴｉｒｅＳｙｓｔｅｍｓ）公司，固特异轮胎橡胶公司，米其林集团公司，诺基亚轮胎公司，日本横滨公司等。

米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压力、温度ｌ监测和信号发射装置埋入轮胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间（一股为１～７年）发挥作用；作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。

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美国固特异轮胎橡胶公司以ＲＦＩＤ技术作为研发智能轮胎。该公司和西门子

ＶＤＯ汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带ＲＦＩＤ卡传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录。

日本阿尔卑斯电气日前成功开发了不需电池的汽车轮胎气压监测系统。阿尔

卑斯公司从德国ｔＱ—ＭｏｂｉｌＧｍｂＨ获得了不使用电池的ＴＰＭＳ技术，计划从２００６年开始量产供货，此次通过在轮胎上配备不需电池的转发器解决了这些问题。气压数据信息的收发通过安装在车身上的收发器进行。它每个发射机应答器（不含阀门部分）的质量仅为６９，使用温度范围为－－４０℃～＋１５０℃。测定误差在±１０ｋＰａ以内。支持的最大速度达３３０ｋｍ／ｈ。

目前市面上比较主流的ＴＰＭＳ开发系统：

１）摩托罗拉ＭＰＸＹ８０ＸＯｓｅｒｉｅｓ轮胎压力监测系统开发平台

ＭＰＸＹ８０ＸＯ，称为Ｄａｙｔｏｎａ，这是一种表面微机械加工的电容性微机电系统（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍＭＥＭＳ）压力传感器。Ｄａｙｔｏｎａ包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器及其他所有必需的电路。使之能输出经过校准的８位数字压力和温度数据，所有这些都在一个芯片上。ＭＣ６８ＨＣ９０８ＲＦ２，也称ＲＦ２，它包括两个部分，第一部分是２ＫＢ的闪速ＨＣ０８微控制单元（与ＭＣ６８ＨＣ９０８ＲＫ２相同），第二部分是一个可以发射ＵＨＦ频段数字数据的ＲＦ发射器，其发射距离可达数百米（与ＭＣ３３４９３相周，又称Ｔａｎｇｏ。ＭＣ３３５９４称Ｒｏｍｅ０２，接收ＲＦ２发射信号的接收器。Ｒｏｍｅ０２可以接收和解调曼彻斯特编码的数据并通过普通串行外设接口（ＳＰＩ）输出。ＭＣ６８ＨＣ９０８ＫＸ８，简称ＫＸ８，作为接收器微控制器，也可以使用ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ２５６替代ＫＸ８。摩托罗拉ＭＰＸＹ８０Ｘ０ｓｅｒｉｅｓ轮胎压力监测系统参考设计包括５个模块：４个轮胎模块和１个接收模块。轮胎模块包括Ｄａｙｔｏｎａ、ＲＦ２、电池、分立元件和印制天线。接收模块有Ｒｏｍｅ０２、ＫＸ８、５个指示状态的ＬＥＤ、电池、电源接插件和ＲＳ．２３２串行接口。

２）通用ＧＥＮｏｖａｓｅｎｓｏｒ的ＮＰＸ开发系统

ＮＰＸ开发系统有两种，一种是ＮＰＸＩ，另一种是ＮＰＸＩＩ。ＮＰＸＩＩ比ＮＰＸ

多集成了一个力［１速度传感器ＮＰＸ开发系统的特点是：所有传感器都集成到一个芯片上；能够准确测量轮胎内部的温度、气压和电池电压，同时具有温度补偿功能，Ｉ

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使测量更准确。ＮＰＸＩＩ还可测量汽车的加速度。此外还有ＬＦ唤醒，离心开关唤醒及加速唤醒（ＮＰＸＩＩ）等功能。

３）Ｉｎｆｉｎｅｏｎ（英飞凌科技）Ｓｅｎｓｏｒ公司的ＳＰｌ２开发系统

Ｉｎｆｉｎｅｏｎ英飞凌科技的ＴＰＭＳ开发系统中，Ｓｅｎｓｏｒ是采用收购的挪威专业胎压传感器制造商ＳｅｎｓｏＮｏｒ的产品，它采用了基于ＭＥＭＳ技术的硅压阻式压力传感器作为胎压监测单元，英飞凌ＳＰｌ２和ＳＰｌ２Ｔ可以同时传输四组不同的数据（温度、压力、加速度和供电），并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及ＳＰＩ串行通信接口ＣＭＯＳ大规模集成电路。

英飞凌ＳＰｌ２和ＳＰｌ２Ｔ设有补偿功能，可以对压力，加速度，温度，供电电压信号进行检测和补偿，准确提供不同型号轮胎在不同环境时的补偿值，有效地保证了测量可靠性。ＳＰｌ２传感器采用了ＬＦ唤醒瞬态工作模式，并在传感器模块中增加了加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性，可以实现汽车启动自动开机才进入系统自检，而如果检测到加速度低于设置的标准值时（表示汽车没有运动）让系统进入睡眠状态，从而大大地降低了系统功耗。ＬＦ方式还具有自动轮胎定位功能。

ＴＤＫ５１０ＸＦ系列是工作在４３３．４３５ＭＨＺ（ＴＤＫ５１００Ｆ）和３１１－３１７ＭＨＺ（ＴＤＫ５１０１Ｆ）频带内的单片ＦＳＫ／ＡＳＫ发射器，该器件含有一个集成的ＰＬＬ（锁相环）合成器，以及一个高效率功放用来驱动环形天线。ＲＦ的信号接收可用ＴＤＡ５２１０（ＦＳＫ／ＡＳＫ）接收器。

除了上述三种主流开发系统外，还有ＡＴＭＥＬ轮胎压力监测系统开发平台；飞利浦Ｐ２ＳＣ开发系统；ＳｍａｒＴｉｒｅ公司提供的ＴＰＭＳ芯片组及相应的解决方案。１．３．２国内研究现状

在我国轮胎气压不合理的问题，并未引起人们的高度重视，人们更习惯于根据经验来判断轮胎充气压力是否合理，找不到一套行之有效的简便方法来实时监测轮胎充气压力。并且多数人认为，只有旧轮胎才容易爆胎，而新轮胎不会，实际上这些认识都是错误的。伴随着我国对汽车的需求向智能化的发展，对汽车性能的要求也越来越高，汽车制造商和用户都希望汽车更安全、可靠，燃油经济性更高，以及对汽车的维护费用降的更低。对于此要求解决轮胎充气压力实时监测的问题变得尤为迫切。

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相对于国外来说，目前中国胎压监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶

段。现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的ＴＰＭＳ系统。生产及正在研究ＴＰＭＳ的企业和厂家大概有２００多家，主要有上海泰好电子科技有限公司，佛山市朗杰电子科技有限公司，深圳市瑞电通信电子有限公司，福州东球金口哨轮胎防爆有限公司，上海保隆实业有限公司，宁波亿莱斯电器有限公司，昆山双桥传感器测控技术有限公司等。高校及科研院所方面，吉林大学、北京理工大学、江苏大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等都有学者对ＴＰＭＳ相关技术进行理论研究。

但是国内一些厂家生产的ＴＰＭＳ基本是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开

发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。

上海交通大学也在进行ＴＰＭＳ的开发研究，他们推出的ＳＡＷ传感器能同时测

量轮胎内压力、温度和发射数据，不仅实现了智能轮胎信息的无源测量和无线发送，而且拥有了中国人自主的知识产权。

２００４年９月，清华同方推出了目前国内技术最先进、使用最简便的汽车轮胎

压力监测系统。这一主动安全技术产品的功能就是自动检测轮胎温度及胎压，实时发出警告声，提醒驾驶者采取措施，以防爆胎事故发生。

在２００５年，我国首款无源汽车轮胎压力监视系统在浙江省杭州研制成功。据

介绍，无源ＴＭＰＳ采用仅有樟脑丸大小的微震动发电机供电。

１．４ＴＰＭＳ的应用情况

国外许多装配ＴＰＭＳ的车辆，这些车型如：奥迪系列：Ａ８、Ａ６Ａｌｌｒｏａｄ、

Ａ８Ｎａｃｈｆｏｌｇｅｒ（Ｄ３）、ＲＳ６ＢｅｎｔｌｅｙＭｉｄＳｉｚｅＢｅｎｔｌｅｙ（ＭＳＢ）：宝马系列：７系列、５系列、３系列、Ｘ５、Ｓｅｒｉｅｓ７（新）、Ｓｅｒｉｅｓ５（新）、Ｘ３；奔驰系列：Ｅ．ＣｌａｓｓＡＭＧ、ＣＬ、Ｓ－Ｃｌａｓｓ、ＳＬ—Ｒｏａｄｓｔｅｒ、Ｅ．Ｃｌａｓｓ、Ｍａｙｂａｃｈ、Ｓ－Ｃｌａｓｓ（新）、ＳＬ．Ｃｌａｓｓ、ＳＬＲ；法拉利系列：５７５Ｍａｒａｎｅｌｌｏ、Ｅｎｚｏ、Ｆ１３７、ＭｏｄｅｎａＭａｓｅｒａｔｉＭｌ３９（Ｐｒｏｊｅｋｔｎａｍｅ）；保时捷系列：Ｃａｙｅｎｎｅ、Ｂｏｘｓｔｅｒ、９１１ＳｅｒｉｅｓＳｃｈｍｉｔｚ—Ｃａｒｇｏｂｕｌｌ：大众的Ｐｈｅａｔｏｎ、Ｔｏｕａｒｅｇ，雪铁龙的Ｃ５，英国阿斯顿．马汀的超级跑车Ｖａｎｑｕｉｓｈ，林肯大陆，旁蒂克的旗舰ＢｏｎｎｅｖｉｌｌｅＳＥ等等。另外，２００２年夏天上市的克莱斯勒与道奇（Ｄｏｄｇｅ）迷你箱型车以及Ｃｈｒｙｓｌｅｒ３００Ｍ与ＣｏｎｃｏｒｄｅＬｉｍｉｔｅｄ客车也装设ＴＰＭＳ。

国内只有个别车型如上海通用的别克和奥迪车安装了ＴＰＭＳ。

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１．５ＴＰＭＳ技术发展趋势

汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒的主题，因此，ＴＰＭＳ将成为汽车安全保障系统之一。随着ＴＰＭＳ产品市场对芯片高整合度和高可靠性的要求，目前已经有了如ＧＥＮＰＸ那样的将所需测试各物理量的传感器与ＭＣＵ合二为一的智能传感器模块，在未来几年内还会开发出包含ＲＦ发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时远程轮胎压力监测模块只有一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。ＴＰＭＳ发射模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。１．６本课题研究的意义

本文选用无线频率发射，对轮胎进行实时监测和报警，对于轮胎压力进行实时监测，能够保持在标准的车胎气压下行驶和及时发现车胎漏气，因而能够防止爆胎，防止发生突发性、恶性交通事故。轮胎气压监视系统属于”事前主动”型安全保护，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态，同时延长轮胎使用寿命和保护了人员的生命安全和财产安全。

１．７本章小结

随着汽车数量的不断增长，汽车事故也曰益频发，而由轮胎引起的事故已成为人们广泛关注的焦点，本文通过分析当前的轮胎现状，介绍了课题研究的背景，以及对国内外汽车轮胎压力监测现状进行了分析和研究，说明了轮胎压力监测具有广阔的市场前景和研究价值，同时提出本课题研究的意义。

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第２章轮胎变形分析及压力传感器设计

轮胎作为车辆的一个组成部件，由于它和其他零部件所起到的功能不同，因而它在汽车行驶当中具有其独特的作用。首先，它具有承担车重和载客的作用；其次，因为轮胎是汽车上唯一与路面接触的部位，因此，不论是汽车的起动、行驶、还是制动、停车都要通过轮胎与路面“沟通”，并通过轮胎来完成汽车或汽车驾驶人员的意愿；再次轮胎具有缓冲和吸震功能，使汽车能在较为舒适的情况下前行，这是因为轮胎本身就是由具有弹性的５０％左右的橡胶制成，加之轮胎内的空气的绝妙的吸震功能，所以才能使汽车在恶劣的路面也能轻松自如地前行；最后，汽车不论是转向还是掉头都需要由汽车的轮胎来完成，它要按照驾驶员的意愿来改变汽车行驶的方向。所以，轮胎在整个汽车的零部件中具有十分重要的地位。

轮胎与燃油经济性有关，当汽车行驶中，轮胎和路面之间相互作用所消耗的能量占汽车消耗总能量的百分之二十（对于卡车这个比例可达到百分之四十）。对于处于低压行驶中的汽车，轮胎的变形加大，从而其滚动阻力增加，燃油消耗量加大，由此可见，轮胎对燃油经济性的评价起着重要的作用。

２．１轮胎变形分析

轮胎在正常情况下，由于要承受车身的重量，产生压缩变形，它的变形量受路面、负荷、气压、以及轮胎结构的影响。

轮胎的变形，通常用断面高的百分数——压缩系数来评定，对于普通轮胎，或者近似地用断面宽的百分数来评定。

轮胎变形时，无论是轮胎材料，还是压缩空气，都承受变形，其中轮胎的主要部分——胎体和胎面约承受４０％左右负荷，其余的６０％则由压缩空气承受。

在最大允许负荷作用下，普通轮胎的压缩系数为１０％－１２％，为了乘坐舒适，适当增大压缩系数为１２％－１４％。每条轮胎的压缩系数还根据气压的不同而变化。２．１．１轮胎变形与路面和负荷的关系

作用于轮胎上的负荷，直接影响变形程度。可以近似地认为这种关系成正比，即同样的负荷增长量，近似地对应于同样的变形增长量。可以看出，当变形大时，

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轮胎的刚度只稍微增大一些，当变形小时，轮胎的变形小，变形是由胎面胶的变形和帘布层中帘线位置发生小的变化造成的。

轮胎的变形还与路面状况有关。在硬路面（如沥青路面或水泥混凝土路面）上行驶时，轮胎的变形取决于轮胎的结构、内充气压力及外负荷；在松软的地面上行驶时，同一轮胎的变形便减小，地面越松软，变形就越小。在这种情况下，变形与地面的抗压缩强度有关。同一地面，温度不同时，其抗压缩强度也呈显著不同，所以，轮胎的变形，不但与路面的类型有关，而且与路面的状态有关。２．１．２轮胎变形与温度和压力的关系

车轮滚动时，由于轮胎的变形，在轮胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化为热能，使轮胎温度升高，特别在轮胎压力过低时，这种现象更加明显。胎温升高，对轮胎的使用寿命有很大影响，它能加速橡胶老化，降低其物理性能，使橡胶产生龟裂，同时还会发生胎体帘线布层脱层以致破坏。若胎温超过９０℃，就有爆破危险，导致汽车的行驶安全性能降低。试验表明，轮胎内部的温度与轮胎的负荷和速度的乘积成正比，与外胎厚度的平方成反比。

轮胎变形主要受轮胎气压的影响，轮胎气压过低和过高而引起的轮胎变形，从而引起的轮胎磨损，其图如２．１所示：

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图２．１轮胎气压与轮胎磨损的关系

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轮胎气压低于标准值行驶时，其径向变形增大，轮胎两侧将发生过度挠曲，胎侧内壁受压，ＪＴＤＮＪ＇Ｉ－壁受拉，胎体内的帘线产生较大变形和应力。周期性地压缩变形，会加速帘线的疲劳损坏。同时变形也使轮胎帘线布层和轮胎与地面之间相对滑移增大，产生热量增多，致使轮胎温度急剧上升，遇有障碍受冲击时，极易爆破；胎压过低，会使滚动阻力增大，降低行车速度，增加燃料消耗。如果轮胎压力过高，虽然轮胎的刚性增大，但轮胎触地部分的截面过圆，使得胎面中间部分受压过重，而边缘部分则触地不足，导致轮胎中间部分磨损过快，不仅缩短了轮胎的使用寿命，而且由于强度下降，容易产生爆胎。

２．２轮胎压力传感器设计

由于轮胎的性能关系到汽车行驶的安全性能，因此需要对轮胎压力和温度进行检测。但由于检测轮胎压力和温度是一个动态特性。汽车轮胎恶劣的工作环境，决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求。要求宽温区，宽电源电压范围内较高的实用总精度要求，低功耗要求，无线信号传输要求，耐恶劣环境要求和低成本要求。因而对传感器的要求条件高，并且由于放置于轮胎内部的元器件，车轮在高速运转下产生的离心力比较大，产生车轮的动不平衡，而且设计一种放置在轮胎内的压力传感器，由于上述条件限制，因此传感器的整个电路尺寸不能设计的很大。

２．２．１传感器介绍

传感器是将物理量、化学量、生物量等非电信号转换为电信号，通过检测电流量或电压量的变化来反映被检测物体的变化，因而它是输入的窗口，提供原始信息。若没有它对原始的各种参数进行精确、可靠的测量，无论是信号转换、处理，还是最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。传感器作为一个信号采集器件，如果没有精确的传感器，就没有精确的自动检测和控制。由于传感器的精度和准确度直接影响所检测数据的精确度和准确度，因而对传感器的设计与选择显得特别的重要。作为检测轮胎内部压力和温度的传感器，一定要具有精度高、灵敏度高、耐温度高的特点。

轮胎压力的检测，由于轮胎特殊的工作环境，决定了压力传感器的选择要满足宽的温度和压力检测范围，并且保证所检测数据的准确性，检测的数据不受温

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度变化的影响。要求传感器要有好的数据采集特性。

对于轮胎压力传感器的选择，现在主要应用有两种形式：一种是机电式轮胎压力传感器，而另一种是电子式轮胎压力传感器。

２．２．２机电式轮胎压力传感器

放置于轮胎气门芯中的机电式压力传感器的工作原理如图２—２所示。传感器顶针Ａ顶开轮胎气门芯的芯轴，轮胎内气体外溢，通过空心螺柱传到密封垫上部的气室内，再通过密封垫、导柱作用弹簧上，弹簧受压开始收缩，铜垫片随着导柱的向下移动和铜外壳在其接触处产生一定压力作用于弹簧上，弹簧受压收缩，铜垫片随着导柱的向下移动和铜外壳在其接触处产生一定的距离，从而导线Ｅ、Ｆ断开。而当轮胎的气压低于设定的标准值时，弹簧依靠自身的弹力推动导柱向上移动，直至铜垫片和铜外壳接触，导线Ｅ、Ｆ接通，通过上述方法检测轮胎压力值。作为机电式轮胎压力传感器，由于对检测数据的精度不高，因而主要放置于大型货车上，通过设置一个阈值，产生电路的闭合与断开，发出声光压力报警。

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密封垫

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图２－２置于气门芯中的机电式压力传感器

２．２．３电子式压力传感器

机电式压力传感器只能检测到是否大于或小于提前设定的阈值，然后通过与设定值进行比较来确定是否产生压力报警，但不能动态的反映轮胎内部的压力实