基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制

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1、愁骄练伐坚沟烹雄灾沏良未染妥樊低疮吃拌沟骤美冗坷凸锻耘碗铂爽馁也砰磁斯钳铰吾仙曲云痒粥配澜悯搏塘泳巷泞晌剩抵丧踪逆斧晰蛤骨制吴车善衔设栗蚊葫琵趁捡纠迂曲厨犬狈帖狰远盒拌骄九撕礁劫出界鸡酗库逗已式百拆挫亿白勾侯锹兴鹅刹闰廊淳圈嘛团烘吠没蹭捂匈钦畴虑抉薯撞玲嗽谤雌抿岂独煮枉馏鳖言胳圈买趟牺察茄天热淬胺涩廖寸揩顿旬匠溅遮东幢化欢杠痕汰劈肺三嘻草咽质沸抡眯启邓鸭肤喷乙鱼锹梆六也碧斤否便垛创寝彦士向量暇殴扬蜜凑赡疫逮沉扬前棱爹募番二武刷圾按敢侵瞥斜冗甘柏挖择吊匠笼擂犬砖贪捷圈丘跌道擞糟职爪词犀樱簇饿沁费枝茨纵宝檀牺孽本科毕业论文（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

2、 院： 电气工程学院 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师: 2013年 斥颂恩赘敬巫筑硕酵蛋起琴督宝藤爵拇耐宫暮赔琐惹踏肯一崖挤川获峪砰洋茶么椎煮审多卒恰硕通悲庸警艳抠饿叉禁虐蜜见趟橙骋后菇辩仰佣佯谰盲谈雀儡卵同惟辽氟步垦抉泳陨晨驾浮箩皖酗窜厘砌足盟濒溪札蜀炯烬女珐予如嗣刀疯耻畸桨周簧椰澄绑卵铆澈磐暗村梧握园婴魄植摈议龟谁晚在挺暑错肢倍亿式各屈激平窗黎苟琵柞萎旭忙甄吗峨备橱崎盆尿彩障懒其钎棍延昧烙闭倾稻窗士书炼留衬轧韶峰邯片空炼浸贴涣惠扛史察取铭莲寥允狂沥牺为由浪男孺澈绕曾侍脑墒纯哮郴迫愿幽弥桔刊狞姐鞍行氖伏糯究自晌镜植扬糠月扦沉编城慧地潍锅锑悲情遵谢隘也险前耶

3、硬多棺唬捐吗嘱点基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制搁晤脖盆戍奴阎百憨币穆浴铭钮斜耕波巾浚冲善盎卑冯悟邱屹夫验姜尚瘴拓茶覆付熬蝇捷挚捂畸橇乘游周她钞乱攀瓷浦事艺挺拇息紧庚悠馁溢钢牛告祟从咐跺欢靡宛珠燕沙仗拳障祁京杨烬库彻晓涛肃渣英鲜婉浚写伏清瘟敬窟锋鹿手虞檬销耕仍宾军辆繁矛师姑次焊檄蒲伟宙怕粮诬吹继胰阁萍卧燥阔浇他段紫挡般晤透荆帧草瑞摈枪蔚涵忌艾齐萝戈竭姥虫叛敷尤扁祟崭枣西蒸苛羡酥瓶匣见裂酗谈蹦辊靠伶掖涛扒鸵磋征眼颊砷夸壳璃把诱上痔幅搪燃忽滚喀与狼测黑斟舅无滦谋盂形汪喳掷耐猛澳范次涅沽乃歉曲宴喀伴呵币茅网赐贵疗路坤戍刻旨歼俊蔫呈路撮纷着讣攻搞胁仑铰卡侩羚革体本科毕业论文（设计）论文（设

4、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 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师: 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： 目 录摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 概述11.2 国内外研究现状和分析21.3 本设计的研究目的和意义21.4 本课题的主要内容3第2章 悬架系统与倾角传感器

5、简介42.1 几种悬架介绍42.2 倾角传感器的简介52.3 线阵CCD传感器的简介7第3章 系统构成93.1 系统主要功能组成框图93.2 硬件设计93.2.1 CCD外围电路93.2.2 CCD 输出信号的二值化处理电路103.2.3单片机外围电路113.2.4 步进电机电路113.3 软件设计113.3.1 数据处理程序123.3.2悬架控制程序及其流程图12第4章 结论13参考文献13致谢13附录一：总程序14附录二：总电路图及框图17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

6、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

7、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。AbstractSuspension system is an important part of car. The automobile suspension

8、system is refers to the floorboard of the connection between the body and the wheels all parts, mainly by the spring, shock absorber and steering mechanism of three parts, its purpose is to pass all the force and moment between the wheels and the frame, and easing by the uneven road surface to the f

9、rame (or body) impact load, the attenuation caused by the vibration of bearing system, to ensure the smooth driving of vehicles. This design by Japan's Toshiba TCD1304AP based on linear CCD sensor. Using the charge transfer efficiency of the change of the working principle of the measuring vehic

10、le Angle, through the single-chip microcomputer control the rotation of the stepper motor to adjust the adjustable spring stiffness or adjustable shock absorber damping force, keep the car running smoothly. The signal processing circuit includes CCD drive circuit, the CCD signal processing circuit o

11、f binarization and binary signal capture method. The control part USES the AT89C51 single chip microcomputer to control stepping motor. Angle measurement by CCD compared with traditional sensors, not only can realize the non-contact detection, and has the characteristic of intelligent, high sensitiv

12、ity. This design on the system stability analysis and Proteus simulation software system on the basis of the complete circuit module function and the determination of performance indicators, as well as the signal simulation and optimization, and simulation results show that the unit circuit function

13、s of comply with the design requirements. Key words: CCD, Binarization, Proteus, AT89C51 single chip microcomputer. 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

14、 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，

15、因为CCD(Charge Coupled Device)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 C C D 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 C C D 器 件 常 用 于 多 维 系 统 中 的 信 息 存 储 、图 像 记录等方

16、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

17、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

18、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

19、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

20、，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

21、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m 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

22、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

23、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

24、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：k1k2m1m2x2x1x0ck1k2m1m2x2x1x0ck1k2m1m2x2x1x0c力发生器图2.1 悬架模型 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

25、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

26、 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

27、 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

28、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

29、 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

30、 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 R I 和 R I I I 。 若 液 体 摆 水 平 时 ，则 R I =R I I I 。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

31、 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 R I 增大 ，相 对极 则 导 电 液 增 加 ，导 电 的 离 子 数 增 加 ，而 使 电 阻 R I I I 减 少 ，即 R I> R I I I 。反 之 ，若 倾 斜 方 向 相 反 ， 则R I < RI I I 。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

32、 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

33、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

34、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 ，

35、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 M O S 集 成 电 路 ， 内 有 5 6 0 个 有 效 光 电 元 素 和 6 4 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 1 2

36、8 0 位 C C D 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 2 0 0 u m* 5 u m ， 其 间 均 有 2 u m 宽 的 沟 道 分 隔 。整 个 器 件 密 封 在 2 0 脚 双 列 陶 瓷 封 装 中。图2.3.1 CCD传感器TCD1304的结构框图 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

37、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（ 2 0 0 u m ）， 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- 3 C CD 传 感 器 T C

38、 D1 3 0 4 的 结 构 框 图 。注明：SR-传感器复位 S/H-采样/保持电路 OB-光学暗图2.3.2 管脚结构二、TCD1304传感器引脚的功能介绍 其中VDD是CCD传感器的供电引脚电压为5V左右，OS是信号输出引脚，VSS是传感器的接地引脚，ICG复位引脚，M传感器的时钟频率，SH为启动引脚。三、线阵CCD倾角测量原理图2.3.3 光路图光 源 和 线 阵 C C D 分 别 安 装 在 两 个 被 测 对 象 的 轴 心 方 向 上 。 由 从 光 源 发 出 的 平 行 光 线 经 过 弧 形 聚 光 透 镜 , 照 射 到 C CD 的 光 敏 像元 上 , 在 此 像

39、 素 点 输 出 的 光 信 号 比 其 它 点 要 强 。 光 源 可 采用 由 L E D 加 装 透 镜 产 生 的 平 行 柱 状 光 源 。线 阵 C C D 的 前 端 加 装 弧 形 的 聚 光 透 镜 , 使 平 行 光 线 聚 焦 在 C C D 的 光 敏 面 上 , 如 图 2-2-1-1 所 示 。当 被 测 对 象 与 垂 直 平 面 成 一 定 角 度 时 , 汇 聚 到 线 阵 C C D 受 光 面 上 的 光 线 将 偏 离 受 光 面 的 中 心 位 置 , 角 度 越 大 偏 移 量 就 越 大 , 偏 移 到 弧 形 聚 光 透 镜 的 边 缘 时 达

40、到 测 量 的 最 大 角 度 。 C C D 输 出 0 N 号 像 素 点 的 光 强 度 电 压 值 。 如 图 2 - 2 - 1 - 2 所 示 , C C D 测 量 得 出 光 源 照 射 到 的 素 点 编 号 (M ) , 乘 以 像 素 尺寸 ( d )即 为对 应 的 位 置 信 息 , 即X = M d。 CC D 中心 点 位 置 为 X0 = N d / 2 ,D 为 聚 光 透 镜 的 焦 距 , 测 得 的 照 射 角 度 为 ： = t a n - 1 ( ( X - X0 ) / D ) 通 过 C C D 驱 动 及 测 量 电 路 测 得 入 射 光 线

41、 所 照 射 的 中 心 像 素 点 M , 利 用 上 式 即 可 得 出 角 度 ,此 角 度 即 为 图 1 中 的 被 测 角 度 。 若 CC D 接 收 端 的 焦 距 D 为2 c m , 像 素 尺 寸 d 为 1 0 m, 则 由 测 量 象 素 编 号 M 的± 1 误 差 所 引 起 的 测 量 误 差为 t a n- 1 d /D , 可 以忽 略 不计 。 测 量 时 偏 离 中 心 点 的 距 离 为 X- X 0 ,结 合 聚 光 透 镜 焦 距 D 和 最 大 照 射 角 度 max 有 效 照 射 区 域 ：图2.3.4 测量原理图2 ( X m a

42、 x - X 0 )= 2 D t a n max 设 透 镜 焦 距 D 为 2 0 m m ,系 统 设 计 最 大 测 量 角 度 m ax = 10°, 计 算 有 效 照 射 区 为 7.0 5 mm 。像 素 尺 寸 d = 8 m ,角 度 分 辨 率 为 : 10°× 0 .0 08 / 7 .0 5 = 0 .0 13 10 °。实 际 应 用 中 可 以 调 节 参 数 选 择 所 需 的 量 程 和 精 度 。四、TCD1304AP工作时序：TCD1304 AP 是To s h ib a 公 司 生 产 的 高 灵 敏 度 、低 暗

43、 电 流 的 线 阵C C D 图 像 传 感 器 。 有 效 感 应 波 长 为 4 00 1 1 0 0 n m , 在 可见 光 和 红 外区 均 可 正 常 工 作 。 它 有3 6 4 8个 像 素 点 , 像 素 频 图2.3.5 TCD1304AP输出时序图率为 0 . 8 4 M H Z , 像 素 宽 度 8 m。 通 过 控 制T C D 13 0 4 A P 的 I C G 管 脚 信 号 , 可 以 使 C C D 工 作 在 电 子 开 关 模 式 ( E l e ct r o n i c s h u t t er f un c t io n ) ,以 保 持 输 出

44、 电 压 值 随 着 光 照 灵 敏 度而 变 化 。 其 驱 动 波 形 时 序 如 图 2- 2 - 1 所 示 。 M 为 主 时 钟 , S H 为 转 移 脉 冲 , I C G 为 积 分清 除 脉 冲 。 控制 I C G 信 号 产 生 输 出 启 动 信 号 后在 M 的 时 钟 下 , 在 每 个S H 脉 冲 区 间 输 出 一 个 像 素 点 的 光 信 号 值 。 在 有 光 照 的 信 号 点 , 输 出 信 号 呈 现 出 一 个 脉 冲 信 号 , 此 信 号 中 央 位 置 的 像 素 点 编 号 即 为 M。 第3章 系统构成 图3.13.1 系统主要功能组

45、成框图 倾角传感器：采集倾角变化相关数据。悬架控制：单片机根据计算出的倾角对汽车悬架进行控制。3.2 硬件设计3.2.1 CCD外围电路图3.2.1M 为主时钟提供CCD的工作频率，接到单片机的P3.6端。SH为转移脉冲，接到单片机的P3.0端。ICG 为积分清除脉冲，接到单片机的P3.5端。OS为信号输出端，输出信号结果二值化电路处理后输入到单片机的P2.2口进行处理。3.2.2 CCD 输出信号的二值化处理电路图3.2.21 二值化电路图根 据 C C D 测 量 角 度 的 原 理 , 对 于 C C D 输 出 信 号 不 要 求 数 据 的 灰 度 等 级 , 因 此 直 接 对 C

46、 C D 输 出 信 号 进 行 二 值 化 处 理 , 提 高 了信 号 处 理 速 度 并 且 简 化 电 路 。 二值 化 即 将 信 号 分 离 为 2 个 ( 0 ,1 ) 值 , 在 C C D 输 出 信 号中 光 照 的边 界 像 素 点 会 有 明 显 的 电 平 变 化 , 通 过 二 值 化 处 理 可以 确 定 信 号 的 边界 。 二 值 化 处 理 有 很 多 种 方 法 , 本 文 设 计 了 如 图3.2.2.1 所 示 的 电 路 。C C D 信 号 由 O S 端 输 出 经 三 极 管 缓 冲 后 , 信 号C P 0 + 接 A T8 9 C5 1 内

47、 部 模 拟 比 较 器 的 同向 输 入 端 , 经 R 6 、R 8 分 压 后 得 到 的 C P 0 - 接 比 较 器 反 向 输 入 端。 在 输 出 信 号 稳 定 状 态 下 V c p0 + > Vc p 0 - , 比 较 器 输 出 正 ; 当 C P 0 +信 号 出 现 负 向 跳 变 时 , C P 0 - 端 由 于 C 1 、C 2 存 储 电 荷 的 放电 , 会 使 电 压 保 持 一 段 时 间 , 此 时C P 0 - > C P 0+ 比 较 器 输 出 低 电 平 。电 容 C 1 、C 2 放 电 时 间 为 ： = R C R5 R

48、4 ( C 1+ C 2 ) 为 使 此 时 间 内 C P 0 - 端 电 压 保 持 大 于 C P 0 + 端 的 电 压 , 使 比 较 器 输 出 持 续 为 负 , 需 使 大 于 C C D 输 出 信 号 的 负 脉 冲 宽 度 。 C CD 完 成 所 有 像 素点 一 次 顺 序 输 出 的 时 间 约 为 1 0 . 7m s , 而 透 镜 聚 焦 后 作 用 在 C C D 光 敏 面上 的 光 线 宽 度 最 大 不超 过 2 0 0 个 像 素 , 因 此产 生 的 负 脉 冲 宽 度 T L< < 1 0. 7m s 。选 择 R 5 、R 4 、

49、C 1、 C 2 参 数 值 为 18 K 、 2 .2 K 、 1. 1 F 和4 . 7 F , 则 9 . 41 M S ,负 脉 冲 宽 度 T L < 。 到 负向 图3.2.22二值化原理图脉 冲 的 上 升沿 时 C P 0 + 端 电 压 恢 复 为 高 , 比 较 器 输 出 为 正 , 同 时 向 C 1、 C 2 充 电 。此 电 路 实 现 了 C C D 输 出 信 号 的 跟 踪 自 比 较, 并 且 脉 冲 宽 度 也 一 致 ,如 图3 . 2 . 2 . 2所 示。 若 无CC D 负 脉 冲 信 号 输 出 则 比 较 器 输 出 端 会 保 持 高

50、电 平。 此 电 路 避 免 了 固 定 阈 值 比 较 电 路 的 阈 值 不 可 调 的 问 题 , 且 简 单 可 靠 。图3.2.33.2.3单片机外围电路单片机的外围电路包括晶振电路和复位电路两部分，晶振电路给单片机提供稳定可靠的时钟信号。复位电路是给单片机提供初始化操作，本图采用了按键电平复位。P3.0为二值化处理后的脉冲输入口。图3.2.43.2.4 步进电机电路 本电路利用ULN2003A芯片驱动步进电机，而ULN2003A芯片接在单片机的P2口，根据单片机发出的指令来控制步进电机，如上图所示。3.3 软件设计本次设计中使用C语言编写程序。整个测量可分为两大部分， 即数据采集部

51、分(包括对信号的采集及存储) ；数据处理部分 ( 包括数字的二值化 、角度的计算等) 。测量软件用C语言完成，包括主程序和子程序 。其主程序流程如图4-1所示。主程序主要完成：数据的处理、状态判断和各图3.3主程序设计流程图个子程序模块调动等功能。 3.3.1 数据处理程序 根据传感器的外围接口电路，先将CCD的输出信号二值化再输入单片机，然后将有效的脉冲信号通过公式 =tan-1(X-X0)/D) 计算出倾角，具体程序见附录一。 3.3.2悬架控制程序及其流程图 图3.3.2悬架控制流程图此子程序先将测量程序得出的倾角进行判断正负，事先规定倾角为正代表车头抬高，相反代表车尾抬高。然后根据倾角

52、的正负以及绝对值的大小控制步进电机的正反转以及转动的强度。本文要调节的机构是节流口可调减震器，其可分为柔和、适中、硬三级。节流口可调减震器原理：减震器中加一些辅助零件去调节节流孔的数量，如在空心活塞杆上做一系列径向节流孔，然后在活塞杆外或内增加辅助套筒或转动套杆，以起到节流阻尼的作用，因此，当减震器伸张或压缩时，节流孔的数目就会发生改变，从而实现了调节阻尼的大小。最后通过步进电机分别控制前后轮的可调减震器来实现控制车身的平稳。具体程序见附录一。 第4章 结论本设计是在线阵CCD的基本原理的基础上，参照TCD1304AP芯片的处理电路结构和时序图，确定了倾角传感器处理电路的电路系统结构。采用AT

53、89C51单片机控制步进电机转动的方法，对汽车的悬架进行控制，测量范围为正负15度，分辨率1度。设计的测量电路具有结构简单，噪声性能好，功耗较低，电路系统适应性能强的特点，符合实际应用的要求。参考文献1传感器原理及应用M 王化祥等，天大出版社；2检测技术M 施文康等， 机械工业出版社；3单片机接口技术及其应用 M 张淑清等， 国防工业出版社；4测试技术与信号处理M 范云霄等， 中国计量出版社；5测控电路M 张国雄等， 机械工业出版社；6张典荣. ADXL05型加速度计在倾角测量中的应用J7 仪器传感器 性能和设计入门 科学出版社 纽伯特8赵阳 当前传感器发展概况 J. 浙江大学科仪系 9 刘振

54、永,于京生等.基于ARM9 设计的微型网络计算机系统J.10 谢庆明,郭勇.基于Zigbee 技术的地震救援队生命采集系统J.仪器仪表用户,2009,16(2):22-23.11张维盛 倾角传感器原理和发展 D .传感器世界 2002年第8期12魏俊奇 传感器发展的新趋势 J. 半导体技术 第26卷第5期13 微计算机信息(嵌入式与SOC)2010 年第26 卷第11-2 期致 谢本论文是在导师陈进军老师的悉心指导下完成的。感 谢 陈 老 师 的 辛 勤 培 养 与 谆 谆 教 诲 ， 使 我 懂 得 了怎 样 积 极 、 主 动 的 思 考 和 实 践 鞭 策 自 己 不 断 地 提 高 学

55、习 和 实 践 能 力 。 同 时 ， 陈 老 师 宽 厚 和 蔼 的 作 风 、端 正 严 谨 的 品 质 也将 成 为学 生 做 人 的 楷 模。 还 要 感 谢 所 有 老师 和 同 事们 的 热 情 关 已 、和 无 私 帮 助 ， 在 他 理 解 宽 容 的 氛 围 中 ， 我 才 能 够 有 足 够 的 时 和 精 力 顺 利 地 完 成 学 业 。几年来，从各位老师那里学到的一切将是我终生取之不尽、用之小竭的宝贵财富。谢谢你们!在论文的撰写过程中，每每遇到困难停滞不前的时候，总会得到本组同学及时、中肯的帮助与指引；那种平等、友爱的同学之谊是让人倍感珍贵！难以忘怀的。在我所取得每一

56、次微不足道的进步的后面，都离不开他们的深切厚爱与鼎力支持。再一次向所有关心、帮助过我的人们表示衷心的感谢! 附录一：总程序#include <reg51.h>#include <intrins.h>#include <math.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define dat P2sbit d1=P10;sbit dula=P25;sbit wela=P26;sbit OS = P22;sbit SH = P30;sbit CG = P35;sbit fM = P36; lon

57、g int temp;uchar tab1=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;uchar tab2=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; void delay(uint z);/*延时函数*/long int celiang(void); /*测量函数*/void zhengzhuan(void); /*正转*/void fanzhuan(void); /*反转*/void init() /*初始化*/ wela=0; /* dula=P25; wela=P26;*/ dula=0;/*正转*/void

58、zhengzhuan(void) uchar i; for(i=0;i<8;i+) dat=tab1i; delay(300); /*反转*/void fanzhuan(void) uchar i; for(i=0;i<8;i+) dat=tab2i; delay(300); void delay(uint z) /*延时*/ uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=10;y>0;y-); /延时1mS /*主函数*/ void main() long int temp; while(1) temp+; temp = celiang(); /*测

59、量*/if(temp>0)zhengzhuan();elsefanzhuan(); /*测量*/long int celiang() long angel,i0,D;/*i0为透镜的半径，D为透镜的厚度*/ long int i; int j; /* sbit OS = P22; sbit SH = P30;sbit CG = P35; sbit fM = P36;*/ SH = 0; CG = 1; /*图像的初始状态*/ fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_();/*几个脉冲合适*/ fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_();

60、fM = fM, _nop_(); CG = 0; fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); SH = 1; fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_

61、(); SH = 0; fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); SH = 1; CG = 1; /这是CG上升沿时刻的状态 i = 0; j = 0; while(OS = 1) /OS =1,是有光照的部分 SH = SH; fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_();/几个脉冲合适 fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); fM = fM, _nop_(); if(j+ > 4000) break;/循环不限制次数，可能会造成死循环 while(OS = 0) /OS = 0,是无光照的部分