摘要本文主要设计制作一辆基于线性CCD自主循迹行驶的智能车,采用飞思卡尔半导体公司生产的32位单片机MK60DN512VLQ10作为核心处理器，主要通过TSL1401线性CCD采集赛道的一维图像信息，反馈给单片机控制舵机转向，电机调速，使小车按照事先架设好的跑道自主行驶，并且能通过ST188红外对管识别出终点（跟边线垂直的黑线段）自动停车。
硬件系统由单片机模块，TSL1401线性CCD模块、电源管理模块、电机驱动模块、OLED人机交互模块、光电对管模块以及电机、舵机和编码器组成。
软件系统主要由IAR进行开发，控制算法主要采用PID控制。
关键词智能车；线性CCD；PIDAbstractThis paper mainly introduces the design about a smart car with automatic tracking function based on linear CCD.The control system uses the Freescale Semiconductor's 32-bit microcontroller MK60DN512VLQ10 as the core processor.The TSL1401 linear CCD acquires one-dimensional image information, which is feedbacked to The MCU.Then the MCU controls servo’s direction, motor’s speed, so the car can automatically drive in accordance with beforehand track,identify the end(the black line vertical with sideline) and stop automatically by the ST188. The hardware system includes a microcontroller module,a TSL1401 linear CCD module,a power management module, a motor drive module, two OLED modules, four photoelectric tube modules，a motor, a servo and a encoder. The software system is developed by IAR and the control algorithm mainly uses PID control.Key wordsSmart Car; Liner CCD; PID1.引言汽车行业的发展已经超过了100多年，自1980年以来，智能理论控制技术在交通运输工程中已经被越来越广泛的运用，智能汽车的概念在这一背景下也就相应产生和发展[1]。
随着科学技术与现代汽车工业的结合发展，两者的产物“智能汽车”能像机器人一样，可以自动地进行环境的感知，规划和决策的运行控制[2]。
智能车系统是一个综合多技术领域系统，其包含了自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多个学科专业[3]。
因此，对智能车技术的研究能够促进计算机技术、车辆控制理论、摄像头[4]等多传感器信息融合技术等技术的快速发展；可以提高车辆的控制能力和辅助驾驶水平，对优化交通设施，缓解和改善交通问题具有积极的意义；改善工业人员工作环境，提高安全系数，同时还可以提高工业的智能化水平，提高产量。
为人类的生产生活带来越来越多的便利，使人类的生活质量越来越高。
智能车最大的要求就是能够自动循迹，像全国“飞思卡尔”杯智能车比赛、瑞萨杯智能车比赛等比赛都是要求智能车能够自动循迹。
而光电传感器的选用在自动循迹智能车系统中更是一个关键的问题。
传统的红外对管，激光管在前瞻和稳定性方面都存在一定的缺陷[5]，线性CCD是新兴的光电传感器，第八届全国飞思卡尔杯智能车比赛中就对TSL1401线性CCD传感器进行了第一次使用，与传统的红外对管，激光等光电传感器相比，线性CCD具有很多优点，尤其是在线性度和图像均匀性等方面，采集到的数据便于单片机处理。
实验表明，线性CCD的前瞻比较远，能达到1.2米左右。
随着对智能车辆速度增加的要求，需要跟踪处理越来越多路况，如路口，避障等。
对于以上的情况，线性CCD能够利用其本身的特点有效的予以解决，尤其是在对于智能车辆的提速问题上。
随着线性CCD技术的不断提高与发展，线性程度自然会持续提高，提取的图像信息会变得更加的稳定有效，前瞻会变得更宽更远，因此必定会加快推进智能车速度提高的进步[6]。
本智能车系统就是基于线性CCD为基础而设计的。
2. 设计方案思路2.1 单片机的选择方案一：采用传统的8位40引脚单片机STC89C52作为主控芯片，该MCU是台湾宏晶公司的产品，具有低功耗，高性能，编程简单等特点，应用在很多领域。
方案二：使用飞思卡尔半导体公司的32位144引脚单片机MK60DN512VLQ10作为主控芯片，该MCU外设资源多，运算速度快，精度高。
考虑到本次智能车系统设计有一定的复杂性，要求主控芯片带有AD，PWM，正交解码等功能，并且要用到的引脚数目比较多，因此本次设计选用了K60作为主控芯片。
2.2 电机驱动的选择方案一：使用2片BTN7971半桥芯片搭成一个全桥驱动电机，电路搭建简单，理论驱动电流达到50A,但是芯片容易发烫。
方案二：用4个MOS管LR7843构成H桥和一个MOS驱动芯片IRF2184驱动电机运转，虽然电路组建有点复杂，但是理论驱动电流能达到160A并且电路稳定不会发烫。
方案三：采用LN298电机驱动模块，电路简单，但是驱动电流只能达到2A，达不到理想驱动效果。
考虑到系统电路的稳定性，本次设计选用了方案二。
2.3 显示模块的选择方案一：使用常用的LCD1602作为液晶显示器，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本低，整屏能显示16*2个字符，与单片机并口连接，接线引脚多。
方案二：使用LCD12864作为液晶显示器，自带中文字库，分辨率为128*64，与单片机并口连接，但是价格昂贵。
方案三：采用0.96寸OLED12864显示器，采用4线同步串行SPI接线方式，接线简单，高分辨率，为128*64，显示效果远远超过LCD[7]。
考虑到成本，电路接线，显示效果等因素，本次设计选用了方案三。
3.总体设计3.1系统设计要求本课题要求设计制作一套基于线性CCD的自主行驶小车系统。
本系统场地是在一个白色地面上用黑色绝缘胶带布置两根边线，两根边线内是小车要行驶的道路，小车能通过线性CCD识别出该道路，并能自主沿着道路前进，到达终点时会自动停止，终点为跟边线垂直的黑线段（黑色绝缘胶带）。
在道路中间含十字路口，要求能识别出该十字路口，并正确通过该十字路口。
3.2系统总体设计方案本系统的最小控制核心MCU为MK60DN512VLQ10；线性CCD用支架固定在小车中心离地30cm处，前瞻60cm（能准确提取边线且不失真），使用4个MOS管搭成H桥作为电机驱动模块[8]，大大增加电机驱动能力；光电传感器模块由四个ST188光电对管构成，在车身底部“一”字排开，用以检测终点。
电源模块采用飞思卡尔的7.2V电池给电机供电，同时经TPS7350芯片输出5V稳压给CCD模块、编码器供电；经TL1963芯片输出6V稳压给舵机供电；经TPS7333芯片输出3.3V稳压给单片机、OLED模块供电。
TSL1401线性CCD采回的图像数据传递给单片机处理，单片机利用PID算法控制舵机转变方向，调节电机速度，从而完成小车智能循迹[9]。
系统由K60为最小控制核心模块、TSL1401线性CCD模块、电源管理模块、电机驱动模块、OLED12864液晶人机交互模块、ST188光电对管模块以及电机、舵机和编码器组成。
系统框图如图3-1所示。
图3-1系统框图系统各个模块功能设计如下：1、通过TSL1401线性CCD获取道路的一维图像信息(128个像素点的电压)，然后给单片机进行数据处理；2、采用MK60DN512VLQ10单片机为主控芯片对外围电路进行实时控制；3、光电对管用以检测起跑线，到达终点后，控制停车；4、伺服舵机带动小车两前轮控制小车转向；5、电机驱动电路驱动直流电机带动小车两后轮运转；6、采用两片OLED12864显示屏，一片显示CCD采回的图像波形，另一片结合五向按键做人机交互界面，调节PID参数，节省多次下载程序的时间，大大提高调车效率；7、采用500线欧姆龙编码器反馈电机转速，精确控制小车速度，有效提高系统的稳定性。
4.硬件设计4.1飞思卡尔32位单片机MK60DN512VLQ10介绍及其最小系统本设计使用的MCU是飞思卡尔半导体公司生产的32位MK60DN512VLQ10单片机，是飞思卡尔公司推荐的K60系列的32位增强型单片机。
该芯片以飞思卡尔最新的闪存技术，并且具有功耗低，性能高，精度高等特点，特别是多路快速的16位模数转换（ADC）、数模转换（DAC）和可编程增益运放（PGA）等功能强大、高效率的信号转换，调节和控制模块。
K60还具有以太网，全功能USB、硬件加密和篡改检测功能，具有丰富的模拟通信，定时和控制外设，还包括单精度浮点型运算单元，NAND闪存控制器和DRAM控制器[10]。
本设计的MK60DN512VLQ10单片机的最小系统如图4-1所示。
图4-1 K60单片机最小系统4.2电源模块的设计本智能小车采用飞思卡尔公司的7.2V电池给RS540直流电机供电，除此之外，系统还需要6V、5V、3.3V、12V给系统其他模块供电。
4.2.16V稳压电源设计由于舵机需要用到6V电源给其供电，本次设计选用了德州仪器生产的TL1963A 电源管理芯片，可调输出电压范围为1.21V～20V,输出电流能达1.5A,驱动舵机的效果比较明显，其电路原理图如图4-2所示。
图4-2 6V 稳压电源原理图通过查询芯片的Datasheet 可知，TL1963A 的输出电压计算公式为⎪⎭⎫ ⎝⎛+=12121.1R R V V out ，因此电阻R1配1K ，R2配3.9K ，经计算V OUT =1.21*(1+3.9/1)=5.929V ≈6V 。
4.2.2 5V 稳压电源设计为了提高电池的使用时间，通常需要调节压差（输入输出电压差小），使用功耗小（静态电流小），还有就是能够有欠压信号使单片机复位，德州仪器生产的TPS73XX 系列就符合这一功能的低压差稳压器。
