毕业设计论文基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计.docx

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毕业设计论文基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计

学院：

电气工程学院

专业：

测控技术与仪器

2013年6月3日

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

摘要

悬架系统是汽车的重要组成部分之一。

汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹簧、减振器和转向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平稳行驶。

本设计以日本东芝公司TCD1304AP线阵CCD传感器为基础。

利用电荷转移效率的工作原理测量车辆倾角的变化，通过单片机控制步进电机的转动来调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力，使汽车保持平稳行驶。

其信号处理电路包括CCD驱动电路、CCD信号二值化处理电路和二值化信号的捕获测量方法。

其控制部分使用了AT89C51单片机对步进电机就行控制。

利用CCD进行角度测量与传统传感器相比,不仅能够实现非接触检测,而且有智能化、灵敏度高的特点。

本设计在系统稳定性分析和Proteus软件系统仿真的基础上，完成电路模块功能和性能指标的确定，以及信号模拟和优化，模拟结果说明单元电路所实现的功能符合设计要求。

关键词：

CCD，二值化，Proteus，AT89C51单片机。

Abstract

Suspensionsystemisanimportantpartofcar.Theautomobilesuspensionsystemisreferstothefloorboardoftheconnectionbetweenthebodyandthewheelsallparts,mainlybythespring,shockabsorberandsteeringmechanismofthreeparts,itspurposeistopassalltheforceandmomentbetweenthewheelsandtheframe,andeasingbytheunevenroadsurfacetotheframe（orbody）impactload,theattenuationcausedbythevibrationofbearingsystem,toensurethesmoothdrivingofvehicles.

ThisdesignbyJapan'sToshibaTCD1304APbasedonlinearCCDsensor.UsingthechargetransferefficiencyofthechangeoftheworkingprincipleofthemeasuringvehicleAngle,throughthesingle-chipmicrocomputercontroltherotationofthesteppermotortoadjusttheadjustablespringstiffnessoradjustableshockabsorberdampingforce,keepthecarrunningsmoothly.ThesignalprocessingcircuitincludesCCDdrivecircuit,theCCDsignalprocessingcircuitofbinarizationandbinarysignalcapturemethod.ThecontrolpartUSEStheAT89C51singlechipmicrocomputertocontrolsteppingmotor.AnglemeasurementbyCCDcomparedwithtraditionalsensors,notonlycanrealizethenon-contactdetection,andhasthecharacteristicofintelligent,highsensitivity.

ThisdesignonthesystemstabilityanalysisandProteussimulationsoftwaresystemonthebasisofthecompletecircuitmodulefunctionandthedeterminationofperformanceindicators,aswellasthesignalsimulationandoptimization,andsimulationresultsshowthattheunitcircuitfunctionsofcomplywiththedesignrequirements.

Keywords:

CCD,Binarization,Proteus,AT89C51singlechipmicrocomputer.

第1章绪论

1.1概述

悬架系统是汽车的重要组成部分之一。

汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。

【10】

近年来，车辆悬架系统运用了多种控制方法来设计。

主要控制理论有天棚原理、最优控制和自适应控制等，虽然优控制器也不能适应系统参数的不确定性，但是这些控制中最优控制方法是应用最为广泛的一种。

然而模糊控制是迅速发展起来的一种新型控制方法，用到的控制参数大多由经验确定，往往不是最佳的。

如果采用一些调整方法就可以提高控制器的性能，但是大多都不能实现在线优化模糊控制器的各种参数而且算法复杂，对控制器计算能力要求较高。

而这些控制算法的数据都来源于传感器，线阵CCD倾角传感器就是众多倾角传感器中的很好选择，因为CCD（ChargeCoupledDevice）电荷耦合器件是二十世纪六七十代发展起来的一种半导体新型大规模集成光电器件，由于它在摄取和记录图像信息的方面独具有特色，并且又具有抗烧毁、分辨率高、体积小、功耗小和灵敏度高等优点，短短的30年，在图像检测技术领域中CCD器件取得了很快的发展。

CCD从结构上分类主要分为线阵CCD、面阵CCD两种：

线阵CCD主要用于某种物理特性的非接触精确测量，比如物体位置、大小尺寸等方面；面阵CCD器件常用于多维系统中的信息存储、图像记录等方面，本设计就是用到线阵CCD。

本文设计开发了以AT89C51单片机为主控件的半主动悬架控制系统，通过传感器采集数据，经过单片机进行数据处理，最终通过单片机控制节流口可调节减震器来控制汽车悬架。

1.2国内外研究现状和分析

1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首次提出了半主动悬架的概念。

基本原理就是：

用可调阻尼或者可调刚度弹簧的减振器构成悬架，并且以弹簧载质量的加速度响应等反馈为输出信号，然后来控制可调阻尼或者可调刚度弹簧的阻尼来达到较好的减振效果，半主动悬架分为阻尼可调和刚度可调。

目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。

阻尼可调半主动悬架又可分为连续可调半主动悬架和有级可调半主动悬架，连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化，而有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值。

车辆悬架系统发展的方向是开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制的悬架。

然而悬架系统的开发依赖于传感器的发展，随着MEMS技术的发展，倾角传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的器件之一，而线阵CCD的就是惯性传感器件的杰出代表。

现在的MEMS有非常高的集成度的加速度计，即一个芯片上集成了传感系统与接口线路，来作为一个倾角传感器模块应用。

倾角传感器模块把MEMS加速度计，MCU，A/D转换电路，通讯单元等全都集成在一块集成芯片上。

用来直接输出角度等倾斜数据，直接使用。

四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，尤其在非接触测量领域和图像传感的发展更为迅速。

随着CCD技术不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

因为该系统具有精度高、测量速度快、稳定性好、非接触测量等特点,适合检测插针的直径和各种线材,并且信号易于进行数字化处理不需要模数转换,可以组成实时自动测量系统。

1.3本设计的研究目的和意义

传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力它只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性能最优因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。

例如降低弹簧刚度平顺性会更好乘坐更舒适但会使操纵稳定性变差相反增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性但会使车辆对路面不平度更敏感平顺性降低。

因此理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。

而这些控制要依赖于倾角传感器的准确测量，线阵CCD倾角传感器就是这种理想的倾角传感器，能满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求。

传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力它只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性能最优因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。

例如降低弹簧刚度平顺性会更好乘坐更舒适但会使操纵稳定性变差相反增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性但会使车辆对路面不平度更敏感平顺性降低。

因此理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。

电控悬架系统就是这种理想的悬架系统它通过对悬架系统参数进行实时控制使悬架的刚度、减振器的阻尼系数、车身高度能随汽车的载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件变化而变化使悬架性能总是处于最佳状态（或其附近）同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求车辆悬架系统传递作用在车轮和车体间的一切力和力矩,缓和并衰减由路面不平引起的承载系统的振动,线阵CCD像元尺寸通常在μm数量级且光敏面性态稳定,在应用中具有精度高、性能稳定、分辨率好等特点,在非接触测量领域有着广泛的应用，如尺寸、位移、图像传感、光谱分析、振动和倾角测量等。

CCD通过其光敏像元将光信息转换为电荷信息，而被测量对象的光信息是通过光学系统成像到CCD的光敏面上产生的。

在一定有规律的时钟脉冲的控制下,按顺序输出其光敏像元的信息,即可输出端获得与被测对象相对应的光信息。

利用线阵CCD倾角传感器进行倾角测量与传统传感器相比,不仅能够实现非接触检测,而且有智能化、灵敏度高的特点。

此方法测量精度高、速度快,在需要进行数字化角度测量的场合有很强的实用性。

因此，研究基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制就成为汽车技术的关键之一，对线阵CCD倾角传感器的性能的改善和优化来结合汽车半主动控制将推进汽车综合性能将有很大提高。

1.4本课题的主要内容

1.本论文针对线阵CCD倾角传感器TCD1304AP主要包括以下几方面:

2.分析TCD1304AP传感器的信号输出原理，为电路设计提供依据。

3.在分析TCD1304AP信号处理系统的工作原理，以及对整个系统进行稳定性分析与Proteus仿真基础上，确定各模块的总体性能要求，为电路设计提供依据。

4.TCD1304AP电路系统划分为多个子电路单元。

再对各个子电路单元进行原理分析。

5.利用AT89C51单片机设计悬架控制软件。

第2章悬架系统与倾角传感器简介

2.1几种悬架介绍

车辆悬架系统传递作用在车轮和车体间的一切力和力矩，缓和并衰减由路面不平引起的承载系统的振动,是车辆的一个重要组成部分。

在车辆行驶过程中，它的平顺性、操作稳定性，主要受到车辆悬架性能的影响。

根据现代车辆对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法随时都在更新和完善。

一般地说悬架的形式和结构很多，分类也不尽相同，导向构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架。

按控制力则可分为三种悬架：

主动悬架、被动悬架、半主动悬架，其简化模型如下图所示：

被动悬架：

一般的车辆绝大都装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架，简化模型如图2.1中第一个图所示。

其中弹簧主要用来支撑簧上质量的静载荷。

而减振器主要用于控制响应特性。

这种悬架系统的刚度和阻尼参数一般通过经验设计或优化设计而选择。

一旦确定就不能在车辆行驶的过程中随外部变化而改变。

而对车辆悬架的要求：

一是提高制动、转弯等过程的稳定性，要求悬架具有较高的阻尼系数；二是为隔开随机路面不平及车扰动，提高乘坐舒适性，要求较低的阻尼系数。

被动悬架的参数不能任意调节和选择，限制了起性能的进一步提高，因此减振性能很差。

半主动悬架：

半主动悬架的简化模型如图2.1第二个图所示由可变刚度的弹簧和减振器组成。

其基本控制原理是根据簧上质量对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。

半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架，但其阻尼系数或刚度系数是可调的。

通常以改变减振器的阻尼力为主，将阻尼分为两级或三级，由人工选择或由传感器信号自动确定阻尼级。

另外可以改变弹簧刚度达到半主动控制的目的。

目前主要应用的是空气弹簧。

【8】

主动悬架：

主动悬架的简化模型如图2.1第三个图所示，由弹性元件和一个力发生器组成，力发生器的作用是改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制目的是实现一个优质的隔振系统，而无须对系统作出较大的变化。

因此，只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。

这种悬架系统的减振效果非常的明显。

但是，该系统的商品化存在较大的困难，主要是硬件价格昂贵以及消耗能量过大，现在只用于少量排量较大的高档轿车。

2.2倾角传感器的简介

倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的角度变化量。

根据牛顿第二定律和一些基本的运动学原理，对于一个系统整体，速度不能测量出来的，但却可以测量其加速度。

如果已知初速度，就可以通过积分计算出线速度，然后可以计算出直线位移。

所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。

重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

固体摆式惯性器件：

固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成。

在小角度范围内测量时，可以认为摆锤受力F与摆线与垂直线构成的角度θ成线性关系。

如基于此原理的应变式倾角传感器。

液体摆式惯性器件：

液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等。

当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。

如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。

若液体摆水平时，则RI=RIII。

当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。

左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII减少，即RI>RIII。

反之，若倾斜方向相反，则RI

在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。

在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。

气体摆式惯性器件：

气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。

“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。

当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度或加速度的函数，因而也具有摆的效应。

其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。

就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。

在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。

气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。

但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。

固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。

在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。

液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。

2.3线阵CCD传感器的简介

一、TCD1304AP工作原理

TCD1304是一个MOS集成电路，内有560个有效光电元素和64个被掩膜的，用于暗基准电平的光电元素，此外还有两个线阵1280位CCD电荷传送寄存器，一个驱动单元，一个采样/保持电路及输出信号处理电路。

每一个光电元素的尺寸为200um*5um，其间均有2um宽的沟道分隔。

整个器件密封在20脚双列陶瓷封装中。

当光投射到传感器的光电元素上时，使元素的电荷蓄积，蓄积的电荷量由光的强度和所照射的时间决定。

对蓄积的电荷每隔一定的时间（由时序电路控制）进行串行变换，从一根信号线以电压（或电流）形式依次送出。

由于传感器中每个光电元素所占的宽度为已知（200um），通过对信号线送出的电压脉冲进行计数，就能得到被测物体的尺寸（光照区有电压脉冲输出，由物体被挡光而造成的阴影区无脉冲输出）。

下图为图2-1-3CCD传感器TCD1304的结构框图。

注明：

SR--------传感器复位