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简介：面向STM32入门及智能车爱好者的红外循迹小车完整工程，基于HAL库实现，覆盖GPIO输入配置、外部中断、PID调速和UART串口监控等关键开发环节。项目以四个红外传感器检测路面黑线为核心，详细演示硬件连接、中断服务函数编写与电机纠偏逻辑，既适合毕业设计参考，也适合竞赛前快速搭建原型。压缩包共72个文件，以45个.h头文件与18个.c源文件为主，配合Keil工程配置（.uvprojx/.uvoptx）、CubeMX初始化文件（.ioc）、启动文件（.s）、hex烧录文件及一个bat清理脚本，整体仅515KB，目录结构清晰，便于按模块阅读与修改；代码采用模块化封装，注释完整，硬件引脚需根据实际连接调整，门槛较低。目前已有5634人学习下载，对希望从寄存器编程转向HAL库开发或正在调试循迹算法的读者，是一份有实际价值的参考示例。 这个标题一看就知道是玩到第二步了：车架、电机、HAL库点灯这些基础已经打通，这期给小车装上“眼睛”——红外循迹。红外循迹算是智能小车从“能动”跨向“能自己走”的第一道坎，成本低、逻辑直观、调试起来也很有成就感。这篇文章我会把这套方案从原理、硬件选型、CubeMX配置到完整代码逻辑全部拆开讲，顺便把我在实际调试中踩过的坑都摆出来，给正在搞第一辆循迹小车的朋友一个可以直接抄作业的参考。项目基于STM32F103C8T6最小系统板，HAL库开发，传感器用TCRT5000五路循迹模块，电机驱动是TB6612，这套组合在各类竞赛和小车入门里非常常见。

1. 项目整体思路与方案选型

1.1 红外循迹到底解决什么问题

循迹小车的核心任务就一句话：让车沿着地面上的一条线自动行驶。这条线通常是黑色胶带贴在白色地面，或者反过来白色线贴在深色地面。要实现这个效果，小车需要不断检测自己相对黑线的位置偏移，然后通过左右轮差速把偏移纠正回来。

红外循迹是目前最简单、最便宜、也最适合入门的位置检测方案。它不需要复杂的图像处理，不需要大量算力，几个传感器加上一个比较器就能给出“在线/离线”的数字信号，单片机只需读GPIO电平就能判断当前位置。这也是为什么工创赛、电子设计竞赛、物联网毕设里，循迹小车几乎都是红外方案的天下。

1.2 为什么选红外而不是摄像头

做循迹也有人用OpenMV、K210加摄像头做视觉循迹，或是用灰度传感器走模拟量，但红外方案在多数场景下依然是最优解：

对小车的“第一版”来说，红外数字量方案能在最短时间里跑通闭环控制，把差速转向的逻辑练熟。等你把这套玩明白了，后续再往视觉方案迁移，控制部分的代码照样能用，只是换了“眼睛”而已。

1.3 从“能跑”到“跑得稳”的三步走

我习惯把循迹小车的实现拆成三层：

1. 感知层：红外传感器模块持续检测地面反射，输出5路数字信号。
2. 决策层：单片机根据5路信号组合，判断当前相对黑线的位置状态（居中、偏左、偏右、丢线）。
3. 执行层：根据位置状态输出对应占空比的PWM波，控制左右电机差速转向。

很多新手一上来就盯着传感器怎么调，或者代码怎么写，结果忽略了最关键的决策逻辑设计。事实上，决定小车跑得稳不稳的，不是传感器精度，而是状态判断和转向力度之间的配合。这一步需要在实测中反复调参，没有一劳永逸的参数。

2. 红外循迹原理读透再动手

2.1 TCRT5000反射式红外传感器的工作方式

市面上常见的循迹模块核心器件是TCRT5000，一个集成了一对红外发射管和光电晶体管的反射式传感器。模块工作的时候，发射管持续发出红外光（波长约950nm），光线照射到地面后发生反射，反射光被接收管检测到，接收管的等效电阻会随光照强度的变化而变化。

如果地面是浅色（比如白色），红外光反射率高，接收管接收到大量反射光，模块板上比较器输出低电平，同时模块上的指示灯点亮。如果地面是深色（黑色），红外光被吸收，接收管接收不到反射光，比较器输出高电平，指示灯熄灭。模块上的电位器用于调节比较器阈值，实际效果是控制“多黑才算黑”。

2.2 灵敏度、安装高度与传感器间距

这是调试红外循迹最核心的三个参数，也是新手最容易忽略的地方。

灵敏度调节：模块上蓝色电位器顺时针拧，阈值变高，传感器更容易判断为“深色”（即更严格）。判断标准是：把传感器悬空对准白色地面，指示灯应该亮；对准黑线，指示灯应该灭。如果两个状态灯没有明显变化，就说明阈值不合适。建议在不开车、上电状态下，用一张白纸和一截黑胶带分别贴在传感器下面做测试，调好再装车。

安装高度：TCRT5000的推荐检测距离是5mm到20mm，超过这个范围信号会呈指数级衰减。装车时传感器表面离地面10mm到15mm比较理想。太近了容易剐蹭地面凸起或胶带接头，太远了检测不到。这个高度直接决定了后续循迹的稳定性。

传感器间距：五路传感器中间的传感器负责“居中”，左右两侧的传感器负责“纠偏”。整车探测宽度最好能覆盖黑线的宽度。比如黑线宽度2cm，五个传感器一字排开，间隔1.5cm到2cm，总探测范围6cm到8cm，这样既不会漏线，也不会因为探测范围太宽而频繁误判。

我把安装做个示意图说明：

车头朝下俯视 车辆前进方向 →（上方是车头） [左1] - [左2] - [中间] - [右2] - [右1] \_______ 黑线位置 ______/

车正对黑线时，中间传感器压线，左右两侧传感器在白色地面上，这是最理想的状态。如果车偏了，黑线就会移动到某一个侧边传感器下方，对应传感器输出低电平，程序据此判断该往哪边转。

2.3 数字量还是模拟量，这是个取舍

TCRT5000模块一般引出两个信号引脚：DO（数字量输出）和AO（模拟量输出）。DO是经过LM393电压比较器处理后的数字信号，直接输出高/低电平；AO输出的是传感器原始电压值，反映反射光的强度。

对于入门方案，直接用DO就够了。但有一点要注意：DO输出的“黑/白”判断是二值的，无法区分“已经偏了一大半”和“刚刚偏出去一点”。所以纯DO方案只能做离散的转向控制，路面偶尔有色差、反光差异时容易抖动。

如果你手头模块带AO引脚，其实把它接在STM32的ADC上会更爽：你可以实时读到每一路的反射强度，通过ADC值做更细的偏置判断，甚至做比例转向。我建议第一版先用DO跑通，等觉得“不够顺滑”了，再升级到ADC读取AO，代码改动量并不大，收益却很直观。

3. 硬件接线与CubeMX工程配置

3.1 模块选型与接线清单

我用的是五路TCRT5000循迹模块，它把五个传感器集成在一块PCB上，引出5路DO和一个电源接口，省去了自己搭电路的麻烦。如果你买的是单个传感器，也可以自己拼成多路，但焊接和供电都要自己处理，工程量会大一些。

整体接线参考如下：

上面是我的接线习惯，你不一定照搬，只要记住几个原则：传感器DO引脚选用普通GPIO输入即可；电机PWM一定要选带定时器输出比较通道的引脚；STBY如果接了，记得给高电平，否则电机永远不转。

3.2 CubeMX配置要点：GPIO与PWM

打开STM32CubeMX，芯片选STM32F103C8T6，按以下步骤配置：

1. 配置时钟：RCC中HSE选择Crystal/Ceramic Resonator，Clock Configuration里把系统时钟拉到72MHz，注意APB1总线的定时器时钟是72MHz（虽然没有倍频，但这里也不需要太高频率），APB2也是72MHz。
2. 配置GPIO输入：PB0到PB4，全部设置为GPIO_Input。考虑到模块输出是推挽数字信号，不需要内部上拉，设置为No pull即可。但如果你的模块是开漏输出型，就一定要把内部上拉打开，否则读不到高电平。
3. 配置PWM：以TIM1为例，Channel1和Channel2都选择PWM Generation CHx。参数设置：Prescaler设为71，Counter Period设为999，这样PWM频率为72MHz / (71+1) / (999+1) = 720Hz，频率偏低但适合普通直流电机，如果电机有噪音可以调成72-1和999，频率就到1kHz了。实际我常用Prescaler=71，Period=1999，频率360Hz左右，电机响应和噪音平衡得比较好，你可以按需微调。
4. 配置调试端口：如果是买的最小系统板，通常只有SWD下载口，CubeMX里默认Debug选项为Serial Wire，这里必须保持为Serial Wire，否则下载一次程序后第二次连不上。

生成代码后，main.c里需要手动加PWM启动代码。HAL库不会自动启动所有外设，需要自己在main函数里调用HAL_TIM_PWM_Start，这个操作很多人会忘。

3.3 电源问题别忽视

五路传感器模块如果每个传感器工作电流按20mA算，五路就是100mA，加上STM32最小系统板和电机驱动逻辑部分的电流，直接从USB取电容易供不上。我建议：

• 传感器模块VCC直接接3.3V，因为它的比较器输出高电平可能是3.3V，接5V虽然也能工作，但DO高电平会抬高到5V，如果STM32引脚不耐5V，就有烧毁风险。
• 动力电源（电池）单独给TB6612的VM供电，逻辑电源VCC接STM32的5V或3.3V，具体看模块要求。TB6612的STBY和AIN、BIN都是逻辑电平，必须和STM32共地。
• 实测中发现，如果电池电压掉到6V以下，电机转速明显下降，转向力度变小，循迹会变得迟钝。所以电池电量也是影响循迹效果的一个隐藏变量。

4. 核心代码实现与逻辑讲解

4.1 传感器读取与状态映射

HAL库读取GPIO就一句HAL_GPIO_ReadPin()，但直接裸读五路会让主循环代码变得很乱。我习惯把五路合并成一个uint8_t状态值，每一位代表一个传感器：

#define SENSOR_LEFT1 0x01 // PB0 #define SENSOR_LEFT2 0x02 // PB1 #define SENSOR_MID 0x04 // PB2 #define SENSOR_RIGHT2 0x08 // PB3 #define SENSOR_RIGHT1 0x10 // PB4 uint8_t read_line_status(void) { uint8_t status = 0; if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) status |= SENSOR_LEFT1; if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET) status |= SENSOR_LEFT2; if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_RESET) status |= SENSOR_MID; if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_RESET) status |= SENSOR_RIGHT2; if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_4) == GPIO_PIN_RESET) status |= SENSOR_RIGHT1; return status; }

注意这里我判断的是GPIO_PIN_RESET，因为模块输出低电平表示检测到黑线。如果你的模块逻辑相反，把RESET改成SET就行，这是最容易被拷贝代码后坑到的地方。

4.2 电机控制接口封装

电机控制放在一个独立函数里，主循环只调用接口，不直接操作定时器，这样后续想换成闭环速度控制也方便：

void motor_set(int16_t left_speed, int16_t right_speed) { if (left_speed >= 0) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, left_speed); } else { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, -left_speed); } if (right_speed >= 0) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, right_speed); } else { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, -right_speed); } }

这个函数的好处是，在整个循迹逻辑里我只需要关心“左轮转多快、右轮转多快”，至于方向引脚怎么组合，全部封装在底层。后续如果需要加编码器做闭环，也只需要替换这个函数的实现，不影响上层逻辑。

4.3 五种循迹状态的转向策略

五路循迹的状态最多有32种组合，但实际运行中常见状态就那么几种，我用一个switch处理主要状态，剩下的统一按丢线急停或原地旋转处理：

注意状态值来自前面的bit定义，比如“中间检测到”就是SENSOR_MID为1，其他位为0，也就是二进制00010，而“偏右”意味这黑线往右跑，右侧传感器先压到线，对应的是SENSOR_RIGHT1为1，这要看你怎么摆放传感器命名。我上面定义RIGHT1是最右边，那么SENSOR_RIGHT1置位就是最右侧检测到线，车需要往右，修正方向就让左侧轮速提高。

转向力度建议不要一上来就原地打死，先用差速小角度修正。基础版本我这样定义：

#define BASE_SPEED 680 // 基础占空比，60%~70%左右 #define TURN_SPEED 300 // 差速补偿值 void handle_line_following(uint8_t status) { switch (status) { case SENSOR_MID: motor_set(BASE_SPEED, BASE_SPEED); break; case SENSOR_MID | SENSOR_LEFT2: motor_set(BASE_SPEED - TURN_SPEED, BASE_SPEED + TURN_SPEED); break; case SENSOR_LEFT2 | SENSOR_LEFT1: motor_set(BASE_SPEED - TURN_SPEED, BASE_SPEED + TURN_SPEED); break; case SENSOR_MID | SENSOR_RIGHT2: motor_set(BASE_SPEED + TURN_SPEED, BASE_SPEED - TURN_SPEED); break; case SENSOR_RIGHT2 | SENSOR_RIGHT1: motor_set(BASE_SPEED + TURN_SPEED, BASE_SPEED - TURN_SPEED); break; default: // 丢线情况：先减速，尝试原地转向找回黑线 if (status & (SENSOR_LEFT1 | SENSOR_LEFT2)) motor_set(-BASE_SPEED, BASE_SPEED); else if (status & (SENSOR_RIGHT1 | SENSOR_RIGHT2)) motor_set(BASE_SPEED, -BASE_SPEED); else motor_set(0, 0); break; } }

我的策略是：检测到中间传感器压线时，直行；检测到黑线在左侧传感器范围时，减小左轮速度同时加大右轮速度，让车向左回正；反之向右回正。这里的TURN_SPEED不是固定死的，它的值直接决定了修正的强度。如果小车过弯时总是冲出赛道，就增大TURN_SPEED或减小BASE_SPEED；如果小车沿线走蛇形大幅摆动，就减小这个差值。

4.4 完整主循环逻辑

主循环里就三件事：读状态、处理循迹、加延时。这个延时比较有讲究，太短会导致传感器抖动被直接放大，太长会导致转向响应滞后。我试下来2ms到10ms的延时比较合适，既不影响实时性，又能滤掉一部分传感器毛刺：

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_TIM1_Init(); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_SET); // STBY使能 while (1) { uint8_t status = read_line_status(); handle_line_following(status); HAL_Delay(5); } }

这里有几个容易出问题的地方：

• 上电后电机没反应，先检查STBY引脚有没有拉高。TB6612的STBY不是默认使能的，很多模块需要外部拉高才工作。
• 用了HAL_TIM_PWM_Start后，如果中途想改变占空比，用__HAL_TIM_SET_COMPARE宏，不要重新调用PWM_Start。重复Start在某些HAL版本里会导致输出异常。
• 如果电机一边转一边不转，检查另一路的PWM通道配置和引脚是否正确。TIM1的CH1是PA8，CH2是PA9，但如果你的板子有重映射或者引脚冲突，需要回到CubeMX里确认。

5. 常见问题排查与调试经验

5.1 传感器“全亮全灭”的排查

五路循迹模块上电后，指示灯可能出现的情况和对应解法我整理成一张表：

实测里最常见的问题就是电位器没调好，导致传感器把白色地面当成黑线，小车一上电就在原地疯狂打转。不要嫌麻烦，上电后用一张白纸和黑胶带挨个传感器测试，确定每路都能正确区分黑白再装车。

5.2 走线抖动与钝化策略

循迹小车跑起来之后最常见的现象是“画龙”——车沿着线走但是左右大幅摆动，轨迹不是平滑曲线，而是锯齿状。主要原因有这几个：

1. 速度太快：转向修正的速度跟不上偏移累积的速度，车冲出线才检测到偏差，于是大幅回正，又冲过中线。解决方法是降低BASE_SPEED。
2. 采样频率不适：如果主循环延时太短（比如1ms以内），传感器噪声会被放大，系统频繁切换转向状态；如果延时太长（比如50ms），车早就偏出去了。5ms到10ms是经验值。
3. 转向修正力度过强：TURN_SPEED设置过大，车一检测到偏移就猛烈修正，导致过冲。可以适当减小差值，或者引入“分级转向”思路，即检测到中间偏侧时小力度修正，检测到最外侧传感器时大力度修正。
4. 传感器间距过宽或过窄：间距宽了，车只有在偏得比较多时才能检测到；间距窄了，黑线细的时候中间传感器可能抓不住线。按黑线宽度调整。

我自己的调试顺序是：先低速（BASE_SPEED = 400）测试直线和直角弯，确认逻辑方向正确，再逐步提速，每提一次速度就重新观察车的走线形态，看是过弯冲出还是直线抖动，针对性调TURN_SPEED。

5.3 串口打印辅助调试

没有上位机辅助，全靠肉眼看小车转向，很多时候只能靠猜。我强烈建议在调试阶段接一个串口，把状态值打出来看。用HAL库配置一个UART，在main循环里把status的二进制输出出来：

uint8_t msg[32]; sprintf((char *)msg, "status: %d\r\n", status); HAL_UART_Transmit(&huart1, msg, strlen((char *)msg), 100);

这样你能直观看到小车在直道、弯道时，五路传感器分别是什么状态。我在调一个直角弯时发现，车过弯的瞬间状态会跳变到0x00，也就是五路全丢线，说明转向修正偏慢，车已经彻底冲出线了。这时候加一个记忆逻辑：只要上一次状态是偏左，那么丢线时默认继续向左转，直到重新看到黑线。

这个“丢线记忆”功能很实用，尤其对直角弯和十字路口，处理逻辑是记住丢失前一拍的状态，按原方向继续旋转而不是傻傻停下。

6. 个人体感与后续扩展

6.1 实际测试中的几个心得

红外循迹这个项目，看起来简单，真正调起来能把人整得没脾气。以前我在实验室调一辆五路循迹小车，第一次下地的时候车一上电就是360度原地转圈，原因就是电位器拧太过了，五个传感器把白色地面全判成黑色。后来我总结出一条原则：先调传感器，再调电机方向，最后调转向参数，每步单独验证完再组合测试。

调电机方向也有一个坑：左右电机安装方向相反，导致同一组AIN/BIN信号下，两个轮子转向相反。如果你发现小车不是直行，而是原地打转，先检查两个电机是否同向。最简单的验证方法：用固定占空比（比如300）驱动两个电机，把车架空，看两个轮子是否都往前走。如果不一致，要么调整电机线序，要么在代码里把某个方向引脚逻辑反过来。

6.2 还能怎么继续升级

第一版红外循迹跑通之后，升级路径其实很清晰：

• 用ADC采模拟量替代数字量：五路AO接定时器的ADC采样，可以拿到0到4095的连续灰度值，根据反射强度做线性偏差计算，转向力度可以连续变化，小车走线会顺滑很多。
• 引入PID控制：当有了连续偏差值，就可以套一个位置式PD控制器，把偏差映射成左右轮差速，这是很多纯数字量方案无法做到的。
• 加编码器做速度闭环：给电机配上霍尔编码器，用STM32定时器编码器模式采集转速，再用PID把左右轮实际速度稳在目标值。这样即使电池电压变化、坡道负载变化，车速依然稳定。
• 和K210通讯扩展视觉：如果后续要参加竞赛，识别红绿灯、数字、二维码，可以用串口把K210的识别结果传给STM32，循迹仍然由红外负责，STM32在红外基础上叠加视觉规则处理。

红外循迹是整个智能小车DIY链路里最值得反复打磨的一环。它不复杂，但把感知、决策、执行三个环节的配合吃透之后，再看后面更复杂的视觉、导航、机械臂控制，思路都会清晰很多。我到现在调试新平台时，还会先用一套红外循迹验证电机和差速逻辑，跑通了再往上叠功能。

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