Monitorización y supervisión de presión y temperatura en los neumáticos de un vehículo

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1 Monitorización y supervisión de presión y temperatura en los neumáticos de un vehículo J.A. Gallardo, G.J. Capellá, M. Lamich UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Departament d Enginyeria Electrònica Campus Terrassa, C/.Colom,. 0 Terrassa (España) Tel: + ; Fax: gallardo@eel.upc.edu, capella@eel.upc.edu, lamich@eel.upc.edu Resumen. En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un prototipo para la medida y supervisión de la presión y temperatura de los neumáticos de un vehículo, de forma continua, desde el interior del habitáculo. El sistema consta de un módulo central (receptor/visualizador) y de cuatro módulos de medición/transmisión, ubicados en el interior de sus respectivos neumáticos. La alimentación de dichos circuitos se ha resuelto mediante pilas ubicadas en el interior de los denominados conjuntos valvulares..- Introducción. Los accidentes de coche provocan alrededor de 0000 mueres anuales en Europa y tan solo en Estados Unidos, se estima que 000 accidentes y 0 muertes son debidos a neumáticos mal inflados o reventones. Los neumáticos mal inflados no son fáciles de detectar visualmente y además de su peligrosidad, la presión incorrecta, provoca incrementos en el consumo de los vehículos y una reducción de su vida útil (figura ). Expected tyre life decrease Low tyre pressure High tyre pressure Tyre pressure deviation (%) Figura. Reducción de la vida útil de un neumático Los automóviles actuales incorporan múltiples sistemas electrónicos para la ayuda y la mejora en las condiciones de conducción y marcha del vehículo, el ahorro de combustible, la seguridad activa y pasiva de los ocupantes, incluso se están empezando a incorporar sistemas que permiten la navegación viaria asistida vía satélite. obstante, si analizamos los aspectos asociados a la seguridad de los ocupantes, posiblemente el apartado en el que más han invertido las compañías automovilísticas de todo el mundo en los últimos tiempos, comprobamos que estando el vehículo sustentado sobre sus ruedas no se dispone todavía de un sistema comercializado que nos permita controlar, mientras conducimos, el estado de los neumáticos, lo que representa uno de los puntos más débiles en la seguridad activa de los ocupantes. Durante varias décadas se han realizado diferentes intentos para desarrollar sistemas que permitieran al conductor conocer la presión de los neumáticos durante la marcha del vehículo, sin que ninguno de ellos tuviera viabilidad industrial. En este trabajo presentamos un conjunto completo que resuelve los problemas anteriores, haciendo factible la medida y supervisión en tiempo real de la presión y temperatura del interior de cada uno de los neumáticos de un vehículo cualquiera..- Descripción general. El sistema completo está compuesto por distintos elementos, que podemos agrupar en: a) Módulos emisores b) Módulo receptor/visualizador c) Conjuntos valvulares a) Módulos emisores. Están alojados en el interior de los neumáticos y su misión es la de medir la presión y temperatura internas, codificar digitalmente las lecturas y transmitirlas vía radio, junto con otra información auxiliar, para que puedan ser recogidas por un sistema receptor asociado.

2 Amplificadores operacionales de bajo consumo del tipo "rail to rail", para adecuar los niveles de tensión de los sensores al rango de entrada del convertidor A/D incluido en el µc. Figura : Fotografía de un módulo emisor Algunos de los objetivos primordiales impuestos al diseño han sido: Transmisión de las lecturas sin contacto conductivo (rueda en movimiento y habitáculo cerrado) Bajo consumo Sistema de alimentación duradero y sustituible sin excesiva complejidad Componentes de pequeño tamaño y livianos Sensores con rangos nominales suficientemente amplios para cubrir la mayoría de aplicaciones previsibles Margen de temperatura de trabajo de los componentes amplio (gama automóvil) Identificación propia de cada vehículo y rueda. Finalmente se eligió para el prototipo ensayado una configuración compuesta por: Sensor de presión monolítico, MPX00A de Motorola, tipo extensiométrico, con rango nominal de 0 a bar, lo cual cubre sobradamente el rango de carga de los neumáticos de cualquier automóvil comercial [], []. Su tamaño y peso son relativamente pequeños. Sensor de temperatura semiconductor, tipo LM0 de National Sdt. con encapsulado en SMD, cubriendo el rango - C a C. Transmisor de señal vía radio, en la banda de UHF destinada internacionalmente a aplicaciones de telemetría ( MHz). Microcontrolador con cuatro canales analógicos multiplexados, que permite la digitalización de las lecturas de presión y temperatura, añadiendo a éstas un código específico de vehículo y otro de la rueda, así como información del nivel de carga de la pila que alimenta el circuito, formando una señal compuesta que se transmite en modo serie asíncrono codificando la portadora de RF. Regulador de tensión de bajas pérdidas con detector de nivel de la tensión de entrada. Este regulador tiene como misión estabilizar la tensión de alimentación de todos los circuitos del emisor y avisar al µc si la tensión de batería alcanza un valor inferior a uno prefijado. Esta segunda función permite avisar al usuario del vehículo de la conveniencia de sustituir la batería antes de que su descarga alcance valores que impidan el correcto funcionamiento del circuito. El diagrama de bloques del módulo emisor y circuito eléctrico se presentan en las figuras y. () () () () () () () () Figura. Diagrama de bloques módulo emisor. () Con objeto de minimizar los consumos del sistema emisor, la alimentación de los diferentes elementos que lo componen se obtiene desde patillas de salida del µc. Esto permite una alimentación selectiva en tiempo, con lo que los distintos elementos citados trabajan cada uno de ellos en pequeños intervalos temporales (decenas de ms) para cada ciclo de medida (de hasta varios segundos). Primero se alimenta el conjunto sensores-circuitos acondicionadores, y una vez realizado el tratamiento de las lecturas en el µc, se alimenta el emisor de radio durante otro breve espacio de tiempo. Una vez ha finalizado la transmisión, el µc pasa al estado de reposo ( sleep ). Así mismo, esto posibilita trabajar en modo ratiométrico, lo que asegura una mejora en la exactitud de la conversión A/D[]. En la línea de reducir el consumo se omite la fase de transmisión cuando no hay una variación significativa entre mediciones consecutivas. Si han transcurrido más de un minuto desde la última transmisión, se fuerza una aunque no se haya producido variación en las lecturas.

3 VCC U R 0k R k R 0k VCC - + UA R k - + UB C 00n R 0k U OUT LBO OFF IN LBI SET R M R 0k C 00n J +V J MPX00 MAX R 0k LM0 U VCC U FMTX G A N N D R 00k V C V S IN - + UD U RA/AN RA/AN/VRE RA/T0CKI /MCLR/VPP RB0/INT RB RB RB PICC RA/AN RA0/AN0 OSC/CLKI OSC/CLKO RB RB RB RB 0 VCC VCC Y MHz C p C p VCC C p Figura. Esquema eléctrico de un módulo emisor Para mejorar el tiempo de respuesta, en caso de excesiva variación de la presión o temperatura en una rueda, el sistema aumenta la frecuencia de medida y de transmisión, permitiendo un seguimiento más preciso de la supervisión y la posibilidad de responder eficazmente frente a variaciones bruscas de presión o de temperatura. La figura ilustra el diagrama de flujo del algoritmo ejecutado por cada uno de los microcontroladores de los módulos emisores. EMISOR Configurar puertos y fijar duración de una siesta (Sleep) Inicializar contador de siestas Siesta (Sleep mode) Última siesta? Alimentar transductores y amplificadores Retardo para estabilización de las señales Mediciones: Presión, Temperatura y nivel de pila Retirar alimentación de transductores y amplificadores Almacenar las lecturas de presión y temperatura Reducir la duración de una siesta La duración de la siesta es la mínima posible? Retirar Alimentación del transmisor de RF Triple Transmisión secuencial de códigos numéricos: Identificación, Nivel de Pila, Presión y Temperatura Alimentar transmisor de RF Variación de presión superior a ± 0, bar? () Variación de temperatura superior a ± C? 0 segundos desde la última transmisión? () () () Alimentar transmisor de RF Transmisión secuencial de códigos numéricos: Identificación, Nivel de Pila, Presión y Temperatura Retirar Alimentación del transmisor de RF () () La duración de la siesta es la máxima posible? Aumentar la duración de una siesta Figura. Diagrama bloques receptor Figura.- Diagrama de flujo del µc en un módulo emisor

4 La duración habitual del periodo de inactividad entre transmisiones de los distintos módulos emisores se ha establecido en valores distintos para cada uno de ellos, a fin de reducir el riesgo de colisión mantenida durante varias transmisiones consecutivas. b) Módulo receptor-visualizador. En su diseño se ha primado la utilización de componentes estándar, de fácil localización en el mercado y coste reducido. Tal como puede apreciarse en la figura nº, los principales elementos utilizados son: Receptor de radio adecuado a los emisores utilizados Microcontrolador Pantalla LCD de 0 caracteres y líneas Memoria EEPROM Zumbador Pulsadores Regulador de tensión Éste permite la recepción de las señales transmitidas por los emisores instalados en las ruedas, para su posterior descodificación y visualización en el cuadro de instrumentos del vehículo. Las tareas fundamentales que se realizan son: anómalas (filtrado simple) al poder comparar la lectura actual con las previas. Posibilidad de ajuste, por parte del usuario, de los valores máximo y mínimo admisibles en las presiones del vehículo. El ajuste se realiza con la botonera disponible en el módulo, y admite el ajuste independiente de las ruedas del eje delantero y las del eje trasero c) Conjuntos valvulares. Se trata de unas válvulas de inflado de neumático que observan las normas ISO en cuanto a dimensiones y condiciones de funcionamiento, pero que se han modificado convenientemente para que permitan alojar una pila en su interior, la cual servirá para alimentar los módulos emisores alojados dentro de los neumáticos (Fig. ). Recepción de las señales de radio provenientes de los emisores. Identificación de la trama digital recibida. Comprobación del código del vehículo. Si el código del vehículo coincide con el propio, se identifica el número de rueda. Decodificación de las lecturas de presión y temperaturas recibidas. Comprobación de que la lectura de presión recibida se encuentra dentro de los márgenes tolerados. Activación de una señal acústica y visualización intermitente en la pantalla en caso contrario. Visualización del último valor de presión recibido de cada rueda. Alternativamente, mediante la selección en la botonera que incorpora el sistema, se pueden ver las temperaturas de las ruedas. Almacenamiento en una memoria de históricos (EEPROM) de los datos recibidos en las últimas horas (presión y temperatura). Esta información podría utilizarse a modo de caja negra para la observación de la evolución en el estado de cada neumático, en caso de accidente. También se utiliza en la acción de detección de lecturas Fig : Sección de un conjunto valvular El diseño de la válvula permite su sustitución desde el exterior del neumático sin que se produzca pérdida de aire en la rueda. Asimismo, la pequeña holgura que queda respecto de la pared interna de la válvula permite el inflado de la rueda sin desmontar la pila, con lo que no se interrumpe el normal funcionamiento del sistema de medida. Para optimizar la robustez mecánica del módulo emisor alojado en el interior de la rueda, que estará sometido a fuertes inercias y vibraciones, existe una pequeña bandeja soporte del circuito impreso solidaria al cuerpo de la válvula y por ende, fijada a la llanta (Fig. ).

5 En cuanto al apartado de recepción la opción de usar receptores distribuidos, conectados por medio de un bus (tipo CAN), permitiría un menor tamaño, mayor fiabilidad y menores interferencias. También se considera la encriptación del registro histórico de magnitudes así como un eventual enlace con el ordenador de a bordo del vehículo Fig : Detalle de la bandeja soporte.- Líneas de optimización previstas. Con la perspectiva de reducir al máximo el consumo de energía de los módulos emisores, para aumentar la duración de las pilas que los alimentan, se ha previsto, entre otras: Reducir la frecuencia de las transmisiones, utilizar componentes de menor consumo, alimentar a, V e incorporar un detector de movimiento, con la consiguiente mejora del algoritmo ejecutado por el µc.. - Referencias. [] Jacobsen, E.; A Cookbook Approach to Designing a Differential-Signal Amplifier for Sensor Applications. App. te. Motorola.. [] Alicke, F.; Low Power Signal Conditioning for a Pressure Sensor. Application Report. Texas Inst.. [] Pallás, R.; Adquisición y distribución de señales. Marcombo. [] PIC/ Microcontroller Data Book. Microchip Technology Inc. /. [] Embedded Control Handbook. Microchip Technology Inc. /. R R 0k U FMRX +V 00 BZ R S C 00n RFIN RF DETEC VCC AF DATA R KBS-DB- 0k C S S S R R R k k k C 0n R0 C R C k k 0n 0n R k Q N0 C pf Y MHz C pf R 00K 0 0 U MCLR/Vpp RA0 RA RA RA RA/T0CKI RA/SS RE0/RD RE/WR RE/CS OSC/CLKIN OSC/CLKOUT RC0/TOSO RC/TOSI RC/CCP RC/SCK RD0/PSP0 RD/PSP RB RB RB RB RB RB RB RB0/INT 0 0 RD/PSP RD/PSP RD/PSP RD/PSP RC/RX/DT RC/TX/CK RC/SDO RC/SDI RD/PSP RD/PSP p Q N0 C 0uF R k Q BC/ PICC R 0k R 0k U WP SCL SDA A0 A A D R LC C 00n U LM0 VOUT VIN C0 0n J +V MASA N Display LCD x0 carc. J CON J 0 J R 0 0k CONAP CON Fig : Esquema eléctrico del módulo receptor/visualizador