CN106739854B - 自行车胎压的监测结构及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自行车胎压的监测结构，包括胎压检测元件、信号处理模块、电源模块和报警器，胎压检测元件与信号处理模块电性连接，信号处理模块分别与电源模块和报警器电性连接；其特征是：胎压检测元件为压电陶瓷，压电陶瓷固定安装在轮胎的车圈内侧且与轮胎的内胎相接触的接触面上。本发明还公开了一种自行车胎压的监测方法，其特征是：包括以下步骤：a、信号处理模块中设定有一个时间周期T和一个阀值电压U；b、获取由压电陶瓷受压所产生电压值S，并判断若电压值S小于阀值电压U，且能够持续一个时间周期T，则轮胎胎压异常，信号处理模块控制报警器报警。上述监测结构和监测方法能够对自行车胎压进行实时监测，在胎压降低时快速报警。

Description

自行车胎压的监测结构及其监测方法

技术领域

本发明属于自行车胎压监测产品和方法领域，具体涉及一种自行车胎压的监测结构及其监测方法。

背景技术

自行车，又称脚踏车或单车，是一种依靠脚踩来产生行进动力的环保交通工具。如今，随着城市交通的日益拥堵，自行车成为了不少城市居民出行的交通工具。然而，自行车在使用过程中，容易发生轮胎磨损至破裂，或轮胎被路面的尖锐物刺破的情况，若不及时处理(及时发现并停止骑行，或及时更换轮胎的话)，会导致较大的骑行危险。

为了及时发现上述情况，现有技术中公开有公告号为CN204535914U，名为“一种自行车胎压检测装置”的技术方案。该技术方案包括壳体和盖体，所述壳体和盖体螺纹连接，所述盖体上安装有提醒装置，在所述壳体内部设置有挡片，所述挡片将壳体上下分为处理区和检测区，处理区内设置有传感器电路，在挡片下端安装有压力传感器，所述传感器电路分别与提醒装置和压力传感器电连接，在所述壳体的下方设置有导向头和接气嘴。

采用上述自行车胎压检测装置后，人们在骑自行车出行时可以提前对自行车内的胎压进行检测，当轮胎需要充气的时候，内部气压会减小，压力传感器收到气压减小的信息，通过传感器电路使得黄色LED灯亮起；当轮胎内气压较高，压力传感器收到气压较高的信息，通过传感器电路使得红色LED灯亮起，红灯亮起时候则提醒人们需要对轮胎放气，减少轮胎内的气压，如果轮胎内的气压处于标准气压，则绿色LED灯亮起，无需充气或者放气。

但上述自行车胎压检测装置能存有以下不足之处：不能够在骑行的过程中，实时地对自行车胎压进行监测，故无法在轮胎被路面的尖锐物刺破(又未发出爆破声时)，及时提醒骑行者尽快处理。

基于此，申请人考虑设计一种能够对自行车胎压进行实时监测，在胎压降低时快速报警的监测结构及其监测方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够对自行车胎压进行实时监测，在胎压降低时能够快速报警的监测结构及其监测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

自行车胎压的监测结构，包括胎压检测元件、信号处理模块、电源模块和报警器，所述胎压检测元件与所述信号处理模块电性连接，所述信号处理模块分别与所述电源模块和报警器电性连接；所述信号处理模块、电源模块和报警器固定安装在自行车的车架上；

其特征在于：所述胎压检测元件为压电陶瓷，所述压电陶瓷固定安装在轮胎的车圈内侧且与轮胎的内胎相接触的接触面上；

还包括输电结构，所述输电结构包括导线、导电环和电刷；

所述导电环和电刷均为与压电陶瓷的两个电极一一对应设置的两个，且每个导电环整体呈圆环状且同轴套接固定在轮胎的轮毂外侧面，每个所述电刷通过支架固定安装在与轮胎的轮毂相配合的自行车的叉杆上，一个所述电刷与一个所述导电环对应贴合；

所述压电陶瓷的两极分别通过导线与对应的一个所述导电环电性的输入端相连，每个电刷的输出端分别通过导线与所述信号处理模块上对应的信号接收端电性相连。

本领域技术人员公知：自行车具有与前轮通过花鼓相连的前叉，和与后轮通过花鼓相连的后叉，且前叉和后叉均具有两根叉杆。当自行车的前轮和后轮分别设置有一套上述自行车胎压的监测结构后，即可同时对自行车的前轮和后轮的胎压情况进行监测。

上述自行车胎压的监测结构中的输电结构，因设置有与压电陶瓷的两个电极一一对应设置的两个导电环和两个电刷，且导电环套接固定在轮胎的轮毂外侧面，电刷通过支架固定安装在与轮胎的轮毂相配合的自行车的叉杆上，一个所述导电环对应贴合连接有一个所述电刷。这样一来，导电环能够随轮胎的轮毂一同转动，电刷固定在自行车的叉杆上，且能够与转动的导电环持续贴合相连来传输压电陶瓷的电流信号。故上述输电结构能够稳定地将压电陶瓷的电流信号向外输出，并用于信号处理模块实施判断胎压的状态。

上述自行车胎压的监测结构在使用时，因为胎压检测元件为压电陶瓷，压电陶瓷固定安装在轮胎的车圈内侧且与轮胎的内胎相接触的接触面上。这样一来，在自行车行驶过程中，当轮胎的胎压稳定时，压电陶瓷会不断地受到内胎的挤压并产生压电信号(可视为“发电”)，该压电信号通过输电结构输送至信号处理模块后，可判断为胎压正常。当轮胎的胎压降低后，压电陶瓷受到的压力会减小，则向外输出的电信号变弱，信号处理模块实时接收到该电信号并通过判断即可快速启动报警器来发出报警信号。

作为优选，所述输电结构还包括由绝缘材料制得的轮毂安装套；所述轮毂安装套外形整体呈圆筒状结构，所述轮毂安装套整体套接固定在轮胎的轮毂的外侧面，所述轮毂安装套上邻近轮胎的辐条一端的外侧面外凸形成有一圈圆环状的导电环安装部，所述导电环安装部上背离轮胎的辐条的端面上外凸形成有内径不等的两个圆环形的插槽，两个导电环的半径尺寸与两个插槽的半径尺寸相匹配，且两个导电环的一端插接固定在两个插槽内。

设置上述轮毂安装套后，两个导电环插接在轮毂安装套的两个插槽内即可完成安装，从而使得两个导电环在同一轮胎的轮毂上的安装更为便捷(无需将两个导电环单独安装在同一轮胎的轮毂的两处)，也使得导电环的安装更为紧凑。

作为优选，所述导电环安装部的边缘向远离轮胎的辐条的一端延伸形成有能够套在导电环外部的保护套。

上述保护套的设置能够起到挡雨防尘的作用，维持好导电环与电刷连接处环境的清洁度，使得导电环与电刷之间的连接更为可靠性。

作为优选，所述轮毂安装套的导电环安装部上位于两个插槽之间的位置向远离轮胎的辐条的一端外凸形成有一个圆环状的隔离套，且所述隔离套夹在两个导电环之间。

上述隔离套的设置，能够使得两个导电环之间，以及两个电刷之间更好形成电气绝缘(防止短路，确保电流传输更为可靠)；此外，隔离套夹在两个导电环之间的结构，使得隔离套与两个导电环之间相贴合，从而使得隔离套与两个导电环之间的连接更为牢固，从而使得导电环与电刷之间的连接结构更为稳定可靠，确保输电结构的传输功能更为稳定可靠。

作为优选，所述输电结构还包括由绝缘材料制得的连接套，所述连接套与所述轮毂安装套一一对应配合使用；

所述连接套的外形整体呈圆筒状，所述连接套的一端为开口端且该开口端整体可滑动地套在对应的轮毂安装套的保护套的外部；所述连接套的另一端为中部设置有供轮胎的轮毂的端部贯穿的穿孔的封闭端，且该封闭端的内端面通过支柱固定安装有与两个导电环相配合使用的两个电刷；所述连接套的外部外凸设置有用于固定安装在自行车的叉杆上的安装支耳。

上述连接套的设置，不仅能够整体可滑动地套在轮毂安装套的保护套的外部，不会对轮毂安装套的旋转构成影响，确保导电环与电刷之间连接的可靠性。此外，连接套、轮毂安装套与轮毂的外侧面还共同围形成一个密封性更好的环形容纳腔，使得该环形容纳腔具有更佳的阻挡雨水和扬尘的作用，更好的适应各种自行车的行驶环境，确保设置在该环形容纳腔内的导电环与电刷之间的电性连接的可靠性。

作为优选，所述辐条为中空结构，所述轮胎的车圈上设置有与辐条的中空结构相连通的通孔；所述轮毂的壳体上设置有与所述辐条的中空结构相连通，且从所述轮毂的外侧面穿至外部的出线孔；所述压电陶瓷的两个电极至两个导电环之间的导线穿过所述通孔、辐条的中空结构和所述出线孔。

采用上述辐条、车圈以及轮毂后，压电陶瓷的两个电极至两个导电环之间的导线穿过所述通孔、辐条的中空结构和所述出线孔，这样一来，可利用辐条以及轮毂的壳体来封住导线，并同时起到对导线的保护作用。

作为优选，所述出线口处的边缘外凸形成有一圈凸缘；所述轮毂安装套套装在轮胎的轮毂后覆盖所述出线口处，且所述轮毂安装套的内侧面对应所述出线口处凹陷形成有一个柱形插孔，所述柱形插孔的内侧面套在所述凸缘外部。

上述凸缘与柱形插孔的内侧面相配合的结构，能够加强轮毂与轮毂安装套之间穿线设置导线处的密封性；且上述凸缘与轮毂安装套上的柱形插孔相配合的结构，也能够对轮毂安装套形成限位，使得轮毂安装套随同轮毂旋转地的同步性更优。

作为优选，所述压电陶瓷为沿轮胎的车圈的圆周方向均匀布置的多块；所述电源模块为可充电电池。

这样一来，不仅可利用压电陶瓷的压电信号来监测自行车的胎压；还可将压电陶瓷发出的电采用电源模块存储起来，提高能源利用率。

作为优选，多块压电陶瓷之间为串联。

当多块压电陶瓷之间采用串联结构后，可使得车圈上的多块压电陶瓷之间通过导线连接的结构更为简单，且最终压电陶瓷的两个电极与两个导电环之间分别可通过一根导线即可连接，故多块压电陶瓷之间采用串联结构可简化布线，节省导线用量。

此外，多块压电陶瓷之间采用串联联接可获得更高的发电效率。

一种自行车胎压的监测方法，包括在自行车的前轮和后轮均设置有上述自行车胎压的监测结构的步骤；其特征在于：还包括以下步骤：

a、所述信号处理模块中设定有一个时间周期T和一个阀值电压U；

b、所述信号处理模块获取由压电陶瓷受压所产生电压值S，并判断所述电压值S与所述阀值电压U之间的大小；

c、若电压值S大于等于所述阀值电压U，则轮胎胎压正常；若电压值S小于所述阀值电压U，且能够持续一个时间周期T，则轮胎胎压异常，所述信号处理模块控制报警器报警。

自行车轮胎正常形变时，压电陶瓷将对外产生一个近似的周期性的电压信号，并且变化较为稳定。

若轮胎磨损严重导致胎压异常或已出现漏气现象时，由于轮胎的胎压会降低，则在骑行时，轮胎对压电陶瓷的压力会变小，使得压电陶瓷的形变变小，即对外输出的电压信号将小于正常情况下的电压信号。

因此该监测系统需要能够识别这个很小的电压信号，并对外发出警报。

此外，由于路面的不平整，地面存有坑洼等因素会导致自行车轮胎短暂离地，轮胎短暂离地会导致压电陶瓷对外输出的电压信号小于正常情况下的电压信号。故在设置了上述时间周期T后，能够有效甄别出轮胎短暂离地的情况，并防止报警器误报的情况发生，故使用起来更为可靠。

附图说明

图1为安装有本发明的自行车胎压的监测结构的轮胎的结构示意图。

图2为图1中A-A剖视图。

图3为图2中B处放大图。

图4为图2中C处放大图。

图5为图4中C处的元件处于爆炸状的结构示意图。

图6为压电陶瓷数与输出电压信号的关系图(多块压电陶瓷之间为串联)。

图7为压电陶瓷数与输出电压信号的关系图(多块压电陶瓷之间为并联)。

图8为一种本发明的自行车胎压的监测结构的信号处理模块的电路图。

图9为本发明的自行车胎压的监测结构的充电回路的电路图。

图1至图5中标记为：

1压电陶瓷；

2导电环；

3电刷；

4轮毂，41凸缘；

5辐条；

6内胎；

7车圈；

8轮毂安装套，81导电环安装部，82插槽，83导电层，84保护套，85隔离套，86柱形插孔；

9连接套，91安装支耳；

10叉杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。

如图1至图5所示，自行车胎压的监测结构，包括胎压检测元件、信号处理模块、电源模块和报警器，所述胎压检测元件与所述信号处理模块电性连接，所述信号处理模块分别与所述电源模块和报警器电性连接；所述信号处理模块、电源模块和报警器固定安装在自行车的车架(图中未示出)上；

所述胎压检测元件为压电陶瓷1，所述压电陶瓷1固定安装在轮胎的车圈7内侧且与轮胎的内胎6相接触的接触面上；

还包括输电结构，所述输电结构包括导线、导电环2和电刷3；

所述导电环2和电刷3均为与压电陶瓷1的两个电极一一对应设置的两个，且每个导电环2整体呈圆环状且同轴套接固定在轮胎的轮毂4外侧面，每个所述电刷3通过支架固定安装在与轮胎的轮毂4相配合的自行车的叉杆10上，一个所述电刷3与一个所述导电环2对应贴合；

所述压电陶瓷1的两极分别通过导线与对应的一个所述导电环2电性的输入端相连，每个电刷3的输出端分别通过导线与所述信号处理模块上对应的信号接收端电性相连。

本领域技术人员公知：自行车具有与前轮通过花鼓相连的前叉，和与后轮通过花鼓相连的后叉，且前叉和后叉均具有两根叉杆。当自行车的前轮和后轮分别设置有一套上述自行车胎压的监测结构后，即可同时对自行车的前轮和后轮的胎压情况进行监测。

上述自行车胎压的监测结构中的输电结构，因设置有与压电陶瓷1的两个电极一一对应设置的两个导电环2和两个电刷3，且导电环2套接固定在轮胎的轮毂4外侧面，电刷3通过支架固定安装在与轮胎的轮毂4相配合的自行车的叉杆上，一个所述导电环2对应贴合连接有一个所述电刷3。这样一来，导电环2能够随轮胎的轮毂4一同转动，电刷3固定在自行车的叉杆上，且能够与转动的导电环2持续贴合相连来传输压电陶瓷1的电流信号。故上述输电结构能够稳定地将压电陶瓷1的电流信号向外输出，并用于信号处理模块实施判断胎压的状态。

上述自行车胎压的监测结构在使用时，因为胎压检测元件为压电陶瓷1，压电陶瓷1固定安装在轮胎的车圈7内侧且与轮胎的内胎6相接触的接触面上。这样一来，在自行车行驶过程中，当轮胎的胎压稳定时，压电陶瓷1会不断地受到内胎6的挤压并产生压电信号(可视为“发电”)，该压电信号通过输电结构输送至信号处理模块后，可判断为胎压正常。当轮胎的胎压降低后，压电陶瓷1受到的压力会减小，则向外输出的电信号变弱，信号处理模块实时接收到该电信号并通过判断即可快速启动报警器来发出报警信号。

实施时，所述压电陶瓷1至导电环2之间的导线可沿沿辐条5来布线。

实施时，优选轮胎的车圈7内侧与轮胎的内胎6相接触的接触面上设置有硬质垫层，所述压电陶瓷1固定安装在所述硬质垫层上。

其中，所述输电结构还包括由绝缘材料制得的轮毂安装套8；所述轮毂安装套8外形整体呈圆筒状结构，所述轮毂安装套8整体套接固定在轮胎的轮毂4的外侧面，所述轮毂安装套8上邻近轮胎的辐条5一端的外侧面外凸形成有一圈圆环状的导电环安装部81，所述导电环安装部81上背离轮胎的辐条5的端面上外凸形成有内径不等的两个圆环形的插槽82，两个导电环2的半径尺寸与两个插槽82的半径尺寸相匹配，且两个导电环2的一端插接固定在两个插槽82内。

设置上述轮毂安装套8后，两个导电环2插接在轮毂安装套8的两个插槽82内即可完成安装，从而使得两个导电环2在同一轮胎的轮毂4上的安装更为便捷(无需将两个导电环2单独安装在同一轮胎的轮毂4的两处)，也使得导电环2的安装更为紧凑。

实施时，优选各个所述插槽82的底部表面具有一层导电层83，且该导电层83通过导线与压电陶瓷1的一个电极相连接。这样一来，将导电环2插接在插槽82后，即可使得导电环2与导电层83电性连接，使得导电环2的安装更为便捷。

其中，所述导电环安装部81的边缘向远离轮胎的辐条5的一端延伸形成有能够套在导电环2外部的保护套84。

上述保护套84的设置能够起到挡雨防尘的作用，维持好导电环2与电刷3连接处环境的清洁度，使得导电环2与电刷3之间的连接更为可靠性。

其中，所述轮毂安装套8的导电环安装部81上位于两个插槽82之间的位置向远离轮胎的辐条5的一端外凸形成有一个圆环状的隔离套85，且所述隔离套85夹在两个导电环2之间。

上述隔离套85的设置，能够使得两个导电环2之间，以及两个电刷3之间更好形成电气绝缘(防止短路，确保电流传输更为可靠)；此外，隔离套85夹在两个导电环2之间的结构，使得隔离套85与两个导电环2之间相贴合，从而使得隔离套85与两个导电环2之间的连接更为牢固，从而使得导电环2与电刷3之间的连接结构更为稳定可靠，确保输电结构的传输功能更为稳定可靠。

实施时，每个导电环2上插接在相应插槽82内的一端侧面外凸形成有卡接凸起，每个插槽82的侧壁对应所述凸起设置有下凹状的卡口。这样一来，各个导电环2插入在相应的插槽82后，导电环2上的卡接凸起卡接至相应卡口内，使得导电环2的插接得更为稳固。

其中，所述输电结构还包括由绝缘材料制得的连接套9，所述连接套9与所述轮毂安装套8一一对应配合使用；

所述连接套9的外形整体呈圆筒状，所述连接套9的一端为开口端且该开口端整体可滑动地套在对应的轮毂安装套8的保护套84的外部；所述连接套9的另一端为中部设置有供轮胎的轮毂4的端部贯穿的穿孔的封闭端，且该封闭端的内端面通过支柱固定安装有与两个导电环2相配合使用的两个电刷3；所述连接套9的外部外凸设置有用于固定安装在自行车的叉杆上的安装支耳91。

上述连接套9的设置，不仅能够整体可滑动地套在轮毂安装套8的保护套84的外部，不会对轮毂安装套8的旋转构成影响，确保导电环2与电刷3之间连接的可靠性。此外，连接套9、轮毂安装套8与轮毂4的外侧面还共同围形成一个密封性更好的环形容纳腔，使得该环形容纳腔具有更佳的阻挡雨水和扬尘的作用，更好的适应各种自行车的行驶环境，确保设置在该环形容纳腔内的导电环2与电刷3之间的电性连接的可靠性。

实施时，用于制造连接套9和轮毂安装套8的绝缘材料可选用塑料材料、橡胶材料或硅胶材料中的任意一种。

其中，所述辐条5为中空结构，所述轮胎的车圈7上设置有与辐条5的中空结构相连通的通孔；所述轮毂4的壳体上设置有与所述辐条5的中空结构相连通，且从所述轮毂4的外侧面穿至外部的出线孔；所述压电陶瓷1的两个电极至两个导电环2之间的导线穿过所述通孔、辐条5的中空结构和所述出线孔。

采用上述辐条5、车圈7以及轮毂4后，压电陶瓷1的两个电极至两个导电环2之间的导线穿过所述通孔、辐条5的中空结构和所述出线孔，这样一来，可利用辐条5以及轮毂4的壳体来封住导线，并同时起到对导线的保护作用。

其中，所述出线口处的边缘外凸形成有一圈凸缘41；所述轮毂安装套8套装在轮胎的轮毂4后覆盖所述出线口处，且所述轮毂安装套8的内侧面对应所述出线口处凹陷形成有一个柱形插孔86，所述柱形插孔86的内侧面套在所述凸缘41外部。

上述凸缘41与柱形插孔86的内侧面相配合的结构，能够加强轮毂4与轮毂安装套8之间穿线设置导线处的密封性；且上述凸缘41与轮毂安装套8上的柱形插孔86相配合的结构，也能够对轮毂安装套8形成限位，使得轮毂安装套8随同轮毂4旋转地的同步性更优。

其中，所述压电陶瓷1为沿轮胎的车圈7的圆周方向均匀布置的多块；所述电源模块为可充电电池。

这样一来，不仅可利用压电陶瓷1的压电信号来监测自行车的胎压；还可将压电陶瓷1发出的电采用电源模块存储起来，提高能源利用率。

其中，多块压电陶瓷1之间为串联。

当多块压电陶瓷1之间采用串联结构后，可使得车圈7上的多块压电陶瓷1之间通过导线连接的结构更为简单，且最终压电陶瓷1的两个电极与两个导电环2之间分别可通过一根导线即可连接，故多块压电陶瓷1之间采用串联结构可简化布线，节省导线用量。

此外，多块压电陶瓷1之间采用串联联接可获得更高的发电效率，理由是：

由于压电陶瓷1安装于轮胎处，因此考虑压电陶瓷1在厚度方向上受力产生形变，并且假设受到力的变化规律为：

首先考虑一片压电陶瓷1，根据第一压电方程，通过解微分方程可以得到电压与功率的表达式：

根据一片压电陶瓷1的计算公式，我们可以推广到多个压电陶瓷1的情况，并且计算出它们分别在串联与并联情况下的电压与功率。

假设共有n片压电陶瓷1，当其串联时：

当其并联时：

改变n值，串联时(图6)电压、功率均与n成正相关；并联时(图7)电压、功率几乎不随n发生变化。综上，多块压电陶瓷1之间采用串联联接可获得更高的发电效率。

其中，所述信号处理模块包括信号放大电路和信号处理电路；所述信号放大电路包括放大器，所述放大器的输入端通过对应连接的电刷3和导电环2与压电陶瓷1的正极电性连接；

所述信号处理电路包括内部具有计时器、比较器和存储器的单片机，所述单片机的信号输入端与所述放大器的输出端电性连接，所述单片机的控制输出端与所述报警器电性连接。

上述信号处理模块的结构简单，成本较低，能够实施地对压电信号进行处理。

实施时，所述信号处理电路也可直接采用计时器、比较器和存储器来构成，例如采用以下元件来构成信号处理电路结构(如图8所示)：

1、元件介绍：

1)定值电阻：R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8，共7个；

2)滑动变阻器：R5，共1个

3)二极管：共9个；

4)三极管：Q1(型号为2N5550)，共1个；

5)开关：拨码开关S1、S2，共2个；复位开关S3，共1个；

6)芯片：十进制计数器U1、U2(型号为74LS160)，共片；

运算放大器U5A(型号为LM324)，共1片(1片有四个运放)；

与非门U6A、U6B(型号为7400)，共1片(1片有四个与非门)；

7)数码显示管：U3、U4(型号为DCD-HEX，仿真时为了便于观察需要，实际安装中可以不要)；

8)报警器：LED指示灯：LED1(红色)

2、电路分块介绍：

(1)信号放大电路

组成：U5A、R3、R4、R5、R6、R7；

功能：U5A、R3、R4、R7组成反相比例放大器，用来放大输入的轮胎采样信号，这是因为压电陶瓷1产生的电信号较为微弱，后续电路的工作信号需要的电压较高，因此需要放大器。R5、R6构成偏置电路，这是因为运算放大器需要的是双电源运行，而本设计中为单电源，因此需要使用偏置电路使其稳定。

连接方式：R3接U5A的正相端，并与偏置电阻R5、R6的中间相连；R7接U5A的反相端，并与输入的采样信号相连；R4为反馈电阻，与U5A的反相端和输出端相连；偏置电阻R5、R6一端接电源输入，一端接电源输出(即图示的VCC和地)。

(2)信号处理电路

组成：U1、U2、U3、U4、U6A、U6B、R2、S1、S2、S3、8个二极管；

功能：U6A的作用是对U5A的输出端信号取反，即高、低电平互换(这是由于U1、U2工作时需要高电平，而轮胎输入信号异常时为低电平，需要将其取反)；U1、U2为十进制计数器，其在正常工作状态会根据时钟信号的频率进行计数；U3、U4为数码显示管，其作用是显示计数器的数字，在仿真过程中需要数码管以判断仿真是否出错，而实际产品中并不需要该装置；S3为复位开关，当报警灯亮后，需要重新进入新的工作时，按下S3；S1、S2为拨码开关，其上可以设置二进制数码，当计数器的输出与拨码开关的设置相同时，拨码开关可输出高电平，带动后续电路工作。

连接方式：U1和U2两块芯片的连接方式基本相同，略有差异。

相同的连接方式如下：A、B、C、D(对应引脚号为3、4、5、6)接入低电平；QA、QB、QC、QD(对应引脚号为14、13、12、11)与分别与数码管的四个引脚相连；LOAD为置数信号端(对应引脚号为9)接入高电平；CLR为清零端(对应引脚号为1)，其经复位开关与高电平相连；CLK为时钟信号，与时钟信号相连；

不同的连接方式：U1的RCO(进位端，对应引脚为15)与U2的ENP(对应引脚号为7)相连，U2的RCO端悬空；U1的ENP与U2B相连，U2的ENP与U1的RCO端相连；U1的ENT(对应引脚号为10)与U6A的输出端相连，U2的ENT接入高电平。

(3)报警电路

组成：R1、R8、Q1、LED1、二极管D5；

功能：拨码开关的输出由二极管D5输至Q1的基极，控制Q1的状态；Q1的集电极与LED1相连，当集电极电压由高电平变为低电平时，LED灯亮，表明轮胎的胎压出现异常情况。

上述信号处理电路电路主要由放大器、复位开关、时钟信号、计数器、报警灯组成。其基本原理是采样信号经放大器放大，控制计数器进行工作，若计数器能够计数至预设值，则报警灯亮，表明轮胎出现磨损，需要更换；若计数器无法达到预设值，则报警灯不亮，表面轮胎正常或者轮胎短暂离地。复位开关可以使整个电路恢复初始的工作状况。

设轮胎磨损以及轮胎短暂离地分别为A、B两个采样信号。可知A信号的小电压持续时间小于B信号，因此经放大器放大，再经与非门，可以控制计数器工作。A信号能够使计数器更长时间的保持工作状态，最终使得计数器能够计数至预设值；而B信号只能使计时器在较短的时间内保持工作状态，最终无法达到预设值。因此该电路实现了对采用信号的处理，能够准确地对自行车轮胎胎压进行监测，提醒人们及时更换轮胎。

实施时，还包括充电回路(如图9所示)，所述充电电路包括桥式整流电路(由二极管D1至D4连接而成)、滤波电路(包括滤波电容和稳压管D5)、超级电容(包括C1至C4)、DC/DC转换器和电源模块。因充电回路为现有的电路结构，故在此不作赘述。

一种自行车胎压的监测方法，包括在自行车的前轮和后轮均设置有上述自行车胎压的监测结构的步骤；还包括以下步骤：

a、所述信号处理模块中设定有一个时间周期T和一个阀值电压U；

b、所述信号处理模块获取由压电陶瓷1受压所产生电压值S，并判断所述电压值S与所述阀值电压U之间的大小；

c、若电压值S大于等于所述阀值电压U，则轮胎胎压正常；若电压值S小于所述阀值电压U，且能够持续一个时间周期T，则轮胎胎压异常，所述信号处理模块控制报警器报警。

实施时，优选所述时间周期T为2至4秒，这样一来，即可有效轮胎因行驶过程中的颠簸导致短暂离地而报警器误报的情况发生。

实施时，所述阀值电压U为在轮胎完好时测得的压电陶瓷1受压所产生电压值S。

自行车轮胎正常形变时，压电陶瓷1将对外产生一个近似的周期性的电压信号，并且变化较为稳定。

若轮胎磨损严重导致胎压异常或已出现漏气现象时，由于轮胎的胎压会降低，则在骑行时，轮胎对压电陶瓷1的压力会变小，使得压电陶瓷1的形变变小，即对外输出的电压信号将小于正常情况下的电压信号。

因此该监测系统需要能够识别这个很小的电压信号，并对外发出警报。

此外，由于路面的不平整，地面存有坑洼等因素会导致自行车轮胎短暂离地，轮胎短暂离地会导致压电陶瓷1对外输出的电压信号小于正常情况下的电压信号。故在设置了上述时间周期T后，能够有效甄别出轮胎短暂离地的情况，并防止报警器误报的情况发生，故使用起来更为可靠。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。

Claims (9)

1.自行车胎压的监测结构，包括胎压检测元件、信号处理模块、电源模块和报警器，所述胎压检测元件与所述信号处理模块电性连接，所述信号处理模块分别与所述电源模块和报警器电性连接；所述信号处理模块、电源模块和报警器固定安装在自行车的车架上；

其特征在于：所述胎压检测元件为压电陶瓷，所述压电陶瓷固定安装在轮胎的车圈内侧且与轮胎的内胎相接触的接触面上；

还包括输电结构，所述输电结构包括导线、导电环和电刷；

所述导电环和电刷均为与压电陶瓷的两个电极一一对应设置的两个，且每个导电环整体呈圆环状且同轴套接固定在轮胎的轮毂外侧面，每个所述电刷通过支架固定安装在与轮胎的轮毂相配合的自行车的叉杆上，一个所述电刷与一个所述导电环对应贴合；

所述压电陶瓷的两极分别通过导线与对应的一个所述导电环电性的输入端相连，每个电刷的输出端分别通过导线与所述信号处理模块上对应的信号接收端电性相连；

所述输电结构还包括由绝缘材料制得的轮毂安装套；所述轮毂安装套外形整体呈圆筒状结构，所述轮毂安装套整体套接固定在轮胎的轮毂的外侧面，所述轮毂安装套上邻近轮胎的辐条一端的外侧面外凸形成有一圈圆环状的导电环安装部，所述导电环安装部上背离轮胎的辐条的端面上外凸形成有内径不等的两个圆环形的插槽，两个导电环的半径尺寸与两个插槽的半径尺寸相匹配，且两个导电环的一端插接固定在两个插槽内。

2.根据权利要求1所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述导电环安装部的边缘向远离轮胎的辐条的一端延伸形成有能够套在导电环外部的保护套。

3.根据权利要求1所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述轮毂安装套的导电环安装部上位于两个插槽之间的位置向远离轮胎的辐条的一端外凸形成有一个圆环状的隔离套，且所述隔离套夹在两个导电环之间。

4.根据权利要求2所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述输电结构还包括由绝缘材料制得的连接套，所述连接套与所述轮毂安装套一一对应配合使用；

所述连接套的外形整体呈圆筒状，所述连接套的一端为开口端且该开口端整体可滑动地套在对应的轮毂安装套的保护套的外部；所述连接套的另一端为中部设置有供轮胎的轮毂的端部贯穿的穿孔的封闭端，且该封闭端的内端面通过支柱固定安装有与两个导电环相配合使用的两个电刷；所述连接套的外部外凸设置有用于固定安装在自行车的叉杆上的安装支耳。

5.根据权利要求1所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述辐条为中空结构，所述轮胎的车圈上设置有与辐条的中空结构相连通的通孔；所述轮毂的壳体上设置有与所述辐条的中空结构相连通，且从所述轮毂的外侧面穿至外部的出线孔；所述压电陶瓷的两个电极至两个导电环之间的导线穿过所述通孔、辐条的中空结构和所述出线孔。

6.根据权利要求5所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述出线口处的边缘外凸形成有一圈凸缘；所述轮毂安装套套装在轮胎的轮毂后覆盖所述出线口处，且所述轮毂安装套的内侧面对应所述出线口处凹陷形成有一个柱形插孔，所述柱形插孔的内侧面套在所述凸缘外部。

7.根据权利要求1所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：所述压电陶瓷为沿轮胎的车圈的圆周方向均匀布置的多块；所述电源模块为可充电电池。

8.根据权利要求7所述的自行车胎压的监测结构，其特征在于：多块压电陶瓷之间为串联。

9.一种自行车胎压的监测方法，包括在自行车的前轮和后轮均设置有所述权利要求8中所述的自行车胎压的监测结构的步骤；其特征在于：还包括以下步骤：

a、所述信号处理模块中设定有一个时间周期T和一个阀值电压U；

b、所述信号处理模块获取由压电陶瓷受压所产生电压值S，并判断所述电压值S与所述阀值电压U之间的大小；

c、若电压值S大于等于所述阀值电压U，则轮胎胎压正常；若电压值S小于所述阀值电压U，且能够持续一个时间周期T，则轮胎胎压异常，所述信号处理模块控制报警器报警。