基于有机压电材料的轮胎压力监测系统

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汽车已经成为人们日常生活中必不可缺的交通工具,伴随着汽车产业的日益发展,汽车交通事故也成为了人们日益关心的话题,人们不仅要提高自身的防范意识,还要求汽车具备更高的安全性能指标,传统的汽车安全措施仅限于安全带和安全气囊等,这些措施仅限于事故发生时能采取的办法,能够在汽车行驶过程中出现的状况提前发出警报的安全系统已经成为现在的汽车设计师们研究的课题。本发明属于汽车电子测量领域,具体涉及一种基于有机压电材料的汽车轮胎监测装置。轮胎是汽车的重要部件,其性能的优劣,将直接影响汽车的驱动性、舒适性、稳定性和安全性。进入21世纪以来,由于轮胎质量问题的、曾造成了多起交通事故和人员伤亡,汽车在行驶过程中特别是在高速行驶中很容易出现轮胎故障,这也是所有驾驶者所担心的重要问题之一,据美国工程师学会最新的调查报告显示,美国每年有超过20万的交通事故是由于轮胎气压过低导致的,近3年来,国内每年平均交通事故遇难人数已经超过了2万人,怎样预防爆胎和轮胎漏气已经成为近年来需要专家组解决的重要难题。汽车轮胎压力实时检测与报警系统也称为轮胎压力监测系统(TirePressure Monitoring System缩写TPMS),主要作用是在汽车行驶过程中实时的对轮胎气压进行自动监测,对轮胎异常状况进行报警,以保障行车安全。压电现象在1880年被居里兄弟发现,到现在已经有100多年的历史了。所谓压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态。本发明利用了新型有机功能材料PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜的压电效应,将汽车轮胎在运行过程中的胎压情况,经过探头转化为作用在PVDF膜上的压力和形变,从而产生压电效应的极化电荷,再用该压电信号来反映表征轮胎的状态。限于系统的工作环境,轮胎远程监测模块要尽可能体积小,功耗低。如果过大不但会影响车轮胎的正常行驶平衡,而且不容易安装。系统框架图如下图所示发射系统包括传感器部分,信号处理电路,信号发送单元,本发明中的单片机采用的是STC89C51,它的突出特点就是低功耗,高性能,丰富的片上资源,丰富的中断资源,内带看门狗电路,以及具有在线调试功能等,非常适合本系统的开发.A/D模数转换模块采用是PCF8591,无线收发模块采用NRF24L01,NRF24L01是北欧公司开发的单片UHF无线收发芯片,可通过软件定义收发模式,当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA,传感器将温度压力信号经过放大处理传递给MCU,MCU经过分析计算通过无线收发模块将数据发送给接收模块。接收部分包括无线收发模块,信号处理电路,声光报警电路。收发模块采用NRF24L01并定义成接收部分,MCU采用STC89C51,无线接收装置接收发射系统的信号并将信号发送到MCU中。用数码管显示当前压力。正常情况下,如果轮胎出现异常情况,报警系统提示司机采取适当的措施,以免发生危险。显示设备LED数码管可以直观的显示轮胎气压。本文研制的基于有机材料PVDF压电薄膜的TPMS系统可以针对汽车行驶过程中轮胎的状况进行版动态监测,如果轮胎出现瘪气、漏气等现象可以第一时间提醒驾驶员,防止事故的发生率。系统功耗很小能够适应各种路面环境状况,具备很高的实际应用价值。
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